基于科學(xué)本質(zhì)教育的物理科學(xué)史教學(xué)

尤飛鵬

摘 ? 要：本文以“單擺”這節(jié)的科學(xué)史教學(xué)為例，探索科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)策略，指出科學(xué)史教學(xué)是滲透科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的重要素材，實現(xiàn)核心素教學(xué)落地的重要途徑。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)教育 ?科學(xué)史教學(xué) ?教學(xué)策略

1 ?科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)涵

“如何在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解？”是科學(xué)教育界關(guān)注的核心問題?？茖W(xué)教育應(yīng)努力體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)已成為國際科學(xué)課程改革的趨勢。美國的《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》對“科學(xué)的歷史和科學(xué)本質(zhì)”的教育提出了明確要求，并指出科學(xué)是格物致知的一個重要途徑。美國科學(xué)促進(jìn)會發(fā)表的《面向全體美國人的科學(xué)》則從科學(xué)所看到的世界、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè) 3 個領(lǐng)域?qū)茖W(xué)的本質(zhì)進(jìn)行了闡述：科學(xué)是一個開放的知識體系，不是絕對的真理;科學(xué)重視探究，以實證為判斷準(zhǔn)繩;科學(xué)是一系列思維方式，需要合乎邏輯的推理;科學(xué)是一個復(fù)雜的社會活動，與技術(shù)與社會相互作用[ 1 ]。

近年來，隨著國內(nèi)課程改革的不斷深化，“提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”作為科學(xué)課程的核心理念正被廣泛教育者所接受。理解科學(xué)本質(zhì)已成為提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容，《普通高中物理學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）指出：高中物理課程是自然科學(xué)領(lǐng)域的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程不僅要學(xué)會用物理學(xué)的視角認(rèn)識自然，獲得諸如力學(xué)、熱學(xué)、運動學(xué)等物理學(xué)知識，還要通過物理學(xué)習(xí)認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)以及重視科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境（STSE）的聯(lián)系[ 2 ]。因此，在高中物理教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)教育是一線教師進(jìn)行教學(xué)改革的新課題。

現(xiàn)教科書中“單擺的計算公式”是荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出來的，這公式的提出離不開幾十年幾代科學(xué)家的不斷探索。其間，有基于自然觀察的邏輯與想象，有基于技術(shù)運用的科學(xué)觀察與推斷，有基于觀測數(shù)據(jù)的審辨與建模?，F(xiàn)以“單擺”一節(jié)為例，談?wù)勅绾卧诟咧形锢砜茖W(xué)史教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)教育。

2 ?基于科學(xué)本質(zhì)教育的科學(xué)史教學(xué)案例分析

2.1 ?通過觀察事實，抽象科學(xué)模型

科學(xué)揉合了邏輯與想象，但教材中碎片式的科學(xué)史事實無法幫助學(xué)生獲取準(zhǔn)確信息，形成嚴(yán)密的邏輯思維和科學(xué)體系。教師需要圍繞“單擺模型”構(gòu)建的核心問題，梳理相關(guān)科學(xué)史中的科學(xué)事實。核心問題是單擺的構(gòu)造和特點、單擺振動特征（單擺振動是不是簡諧運動？）并引導(dǎo)學(xué)生利用已有的事實進(jìn)行抽象歸納單擺的科學(xué)模型。

針對“單擺的構(gòu)造和特點”，教師選擇了“意大利著名的物理學(xué)家伽利略在教堂觀察燈的擺動并沉浸在思索中的情況、1600年伽利略做了單擺的相關(guān)探究實驗及1602年伽利略做了弦定律的相關(guān)探究實驗并提出了著名的弦定律”的史實資料。在這過程，引導(dǎo)學(xué)生觀察單擺的理想模型，推論模型的構(gòu)造和特點，并解釋推論的理由。學(xué)生在觀察事實，抽象科學(xué)模型的過程中，理解和認(rèn)同了“科學(xué)知識依賴于觀察與證據(jù)”“科學(xué)知識不僅僅靠推論，還需要對推論進(jìn)行解釋”“解釋自然現(xiàn)象有著多種的探究方法”。

針對“單擺振動特征（單擺振動是不是簡諧運動？）”，教師首先進(jìn)行演示實驗，讓學(xué)生基于事實提出猜想。學(xué)生提出“實驗所繪制的圖象為正弦函數(shù)圖象”，可判斷“單擺的振動屬于簡諧振動”。學(xué)生認(rèn)為只有現(xiàn)象不足以說明問題，還應(yīng)從理論去推導(dǎo)“單擺的回復(fù)力是否滿足F=-ks？”當(dāng)θ≤5°時，單擺的振動可近似為簡諧運動單擺振動。教師提供了“傅科在巴黎的萬神殿用長67米的單擺演示周期超過16s”的史實資料。學(xué)生從中理解單擺振動特征會受到擺長等因素的影響。學(xué)生認(rèn)識到“科學(xué)知識并不是一成不變的”“科學(xué)是隨著人們認(rèn)識程度的深化而不斷修正”“不同科學(xué)家由于自身生活經(jīng)驗的不同，利用的實驗工具不同，對同一問題有著不同的觀點”。

2.2 ?通過探究實驗，理解科學(xué)規(guī)律

在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計探究問題與解決方案，體驗“像科學(xué)家一樣探究”的過程，在活動中去理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵。探究活動過程，教師應(yīng)該提供必要的知識與方法的支持，但更多是留給學(xué)生足夠的時間和空間，引導(dǎo)學(xué)生合作學(xué)習(xí)，大膽質(zhì)疑。

本節(jié)課設(shè)計了1個實驗探究。“單擺周期與擺長之間有什么樣的定量關(guān)系呢？”

教師提首先供“惠更斯”的史實資料，讓學(xué)生了解單擺周期的發(fā)現(xiàn)過程。教師演示“教材P15圖11.4-4”相關(guān)實驗，引導(dǎo)學(xué)生猜想“單擺的振幅、質(zhì)量、擺長對周期各有什么影響？”學(xué)生通過觀察并比較兩個單擺在不同的條件下的周期大小，從而理解“單擺振動的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，在振幅較小時與振幅無關(guān)，但與擺長有關(guān)，擺長越長，周期也越長?！?/p>

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教材15頁實驗進(jìn)行定量探究“不同擺長的單擺的周期”，測量一定的擺長下單擺的周期，記錄擺長與周期的數(shù)據(jù)，改變擺長，測定周期，重復(fù)幾次實驗得到幾組數(shù)據(jù)，填入設(shè)計的表格中。引導(dǎo)學(xué)生利用“幾何畫板”描點制成曲線。將數(shù)據(jù)輸入計算機，將圖調(diào)成函數(shù)，可得出周期T與擺長L的開方圖象完全擬合，即T∝■。

學(xué)生通過探究，理解了科學(xué)規(guī)律“單擺的周期T與擺長的L的二次方根成正比，與重力加速度g，的二次方根成反比，而與振幅、擺球質(zhì)量無關(guān)。同時感悟到“科學(xué)需要多學(xué)科的知識儲備，科學(xué)研究需要多元的科學(xué)方法”“科學(xué)重視證據(jù)”“科學(xué)是需要進(jìn)行解釋并預(yù)測的”“科學(xué)是隨著人們認(rèn)識程度的深化而不斷修正”等科學(xué)本質(zhì)。

2.3 ?通過遷移情境，實現(xiàn)科學(xué)解釋

科學(xué)本質(zhì)的教育要關(guān)注學(xué)生的價值判斷，應(yīng)在教學(xué)中借助更多的情境材料分析，讓學(xué)生將掌握的科學(xué)規(guī)律，用于解釋社會生活現(xiàn)象[ 3 ]。在新的情境中應(yīng)用科學(xué)規(guī)律，可以幫助學(xué)生更多地理解規(guī)律。教師在引導(dǎo)學(xué)生歸納單擺的周期公式，還設(shè)計了一個實驗“怎樣利用單擺測出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?？?/p>

學(xué)生制單擺、測擺長、測周期，將數(shù)據(jù)代入公式，計算重力加速度。更換擺長，重復(fù)實驗，最后求重力加速度的平均值。

實驗過程，學(xué)生動手實驗，分析數(shù)據(jù)，深刻理解單擺周期公式。

3 ?基于科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)啟示

3.1 ?科學(xué)史是滲透科學(xué)本質(zhì)教育的重要素材

物理科學(xué)史是科學(xué)家探索自然的歷程，是一個在繼承中不斷驗證，修正和完善發(fā)展的過程。對于物理科學(xué)而言，任何一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和概念的形成，都離不開一個個科學(xué)實驗，離不開合乎邏輯的推斷，離不批判質(zhì)疑的科學(xué)精神。例如，經(jīng)典力學(xué)的局限、靜電現(xiàn)象的解釋、單擺。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識的相關(guān)科學(xué)史時，必然形成了“科學(xué)研究依賴于技術(shù)的進(jìn)步”“科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風(fēng)順的，往往在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗證，修正和完善發(fā)展的”“科學(xué)學(xué)說不是一成不變的”等科學(xué)本質(zhì)的知識。

3.2 ?科學(xué)本質(zhì)教育是落實學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑

學(xué)生在學(xué)習(xí)行星的運動、經(jīng)典力學(xué)的局限及單擺的相關(guān)科學(xué)史過程，能多維度認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的同時，也逐步形成了物質(zhì)觀念、能量觀念、運動與相互作用觀念。當(dāng)學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡，體驗建構(gòu)模型“天體運行的軌跡是橢圓”、探究單擺中“引力常量的實驗”、“探究不同單擺的周期特性”時，提升了科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，也學(xué)會了基于問題、證據(jù)、解釋、交流等的探究方法。這此過程，學(xué)生還學(xué)習(xí)了科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為人類社會作貢獻(xiàn)的理想信念。

綜上所述，科學(xué)史教學(xué)滲透著科學(xué)本質(zhì)教育，教會學(xué)生“以懷疑作審視的出發(fā)點，以實證為判斷尺度，以邏輯作論辯的武器”的科學(xué)觀點，是落實物理學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的必然選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國科學(xué)促進(jìn)會.面向全體美國人科學(xué)[M]. 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會譯. 北京：科學(xué)普及出版社，2001.

[2]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2017.

[3]黃曉.“歷史—探究—反思”——談“單擺”的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（43）：40-45.