基于科學史的初中物理復演教學探討

摘 要：基于科學史提出初中物理復演教學，本文結(jié)合初中物理儀器“溫度計”的創(chuàng)生歷程，還原歷史情境，開展復演教學實驗探究，挖掘歷史與現(xiàn)實的認知沖突，以培養(yǎng)學生的科學核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：科學史;復演教學;核心素養(yǎng);亞研究;類創(chuàng)造

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0051-03

作者簡介：梁莉紅（1974-），女，江西萍鄉(xiāng)人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學.

1 基于科學史的意義

科學的基礎(chǔ)是從直覺到理性的變化，是通過思考、觀察和實驗獲得.“復演教學”即在核心素養(yǎng)導向下追溯科學發(fā)展的起源，基于科學創(chuàng)生事件的歷程中所產(chǎn)生的問題進行知識探究，關(guān)注問題形成與發(fā)展過程的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)來培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).讓學生感悟在科學發(fā)展史中，科學家在不斷摸索過程中所獲得的知識并不一定就是正確的，在物理科學發(fā)展歷程中，不僅要弄清楚知識內(nèi)容，更要弄明白知識形式和知識旨趣，即如何形成這樣的知識，為什么要有這樣的知識，研究過程中出現(xiàn)了怎樣的問題，要明白知識創(chuàng)生歷程所嵌入的“方法、思想與思維”.例如千百年來所探尋的“永動機”因本身有理論缺陷而無法制造出來，但我們發(fā)現(xiàn)對永動機的探索歷程充滿著科學的智慧和天才的設(shè)計，永動機理論是科學史上一朵難得的奇葩，它催生出來的兩大熱力學定律——熱力學第一定律（或稱能量守恒定律）、熱力學第二定律（或稱熵增加原理），都是依靠相應(yīng)類型永動機“無法制成”這一“證偽”的工作而獲得的.

2 基于科學史的復演教學

核心素養(yǎng)導向的復演教學浸染著基于客觀的證據(jù)、理性的懷疑、多元的思考、平權(quán)的論爭和實踐的檢驗[1].要求課堂從知識傳遞轉(zhuǎn)向知識建構(gòu)，用生活化、碎片化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化替代原有固定化的教學方式，打破課堂邊界，優(yōu)化學生思維.由“教會、會學”轉(zhuǎn)向“想學、享學”， 站在學科知識所蘊涵“育人”的至高點上，關(guān)注過程性學習目標的落實.

2.1 從科學史入手，發(fā)掘蘊涵的科學態(tài)度

在現(xiàn)代科學情境下復演儀器的發(fā)明歷程，可引領(lǐng)學生極其審慎地感悟科學家的思維方式、科學方法，理解科學發(fā)端于對日常經(jīng)驗的整理和總結(jié)，繼承漫長的科學活動中形成的被人格化的精神氣質(zhì)和人格力量.科學學者在探究活動中延續(xù)下來的實踐精神、探索創(chuàng)新精神、批判的繼承精神，對學生后期開展“亞研究”“類創(chuàng)造”活動有豐富的啟示作用.

溫度計是課程標準“物質(zhì)的形態(tài)和變化”二級主題下內(nèi)容，鼓勵學生積極大膽地開展科學探究，養(yǎng)成習慣對所做的工作進行評估，從而培養(yǎng)科學態(tài)度[2].溫度計具有直觀、可操作、易改進的特點，大多數(shù)學生對溫度計有生活體驗，但對溫度計的發(fā)明歷程存在認知障礙.筆者曾將歷史上出現(xiàn)的第一支體溫計圖片發(fā)給學生進行調(diào)查，幾乎沒有學生知道它曾用于測量體溫.溫度計的誕生從古希臘時期開始，感溫物質(zhì)經(jīng)歷了由氣體到液體的轉(zhuǎn)變;溫度標準和選擇經(jīng)歷了由隨意性到精準確定;溫度計的外形由松散粗陋轉(zhuǎn)變?yōu)榫o湊精美.溫度計發(fā)明歷史經(jīng)歷了曲折性和創(chuàng)新性，其發(fā)明過程中的知識、規(guī)律、典型事例、科學思維是一筆巨大的財富.

2.2 以科學史為主線，架構(gòu)復演的教學框架

當前，核心素養(yǎng)導向下的物理學習要求學生學會物理學家在科學發(fā)現(xiàn)過程中所使用的創(chuàng)造性思維方法：如科學想象、科學直覺、試探猜想、理想實驗等，開發(fā)以科學知識起源順序為主線的復演教學是對現(xiàn)行物理教材的有效補充.

溫度計復演以時間軸為主線架構(gòu)出大體教學框架，復原發(fā)明家和科學家所做過的創(chuàng)造性工作過程.復演教學不僅建立在學生已有知識的基礎(chǔ)上，更重要的是建立在知識所賴以產(chǎn)生的科學歷史基礎(chǔ)上，在模擬的歷史場景中，讓學生體驗科學家曾經(jīng)的思維過程，將前人創(chuàng)造的技術(shù)和知識重新模擬發(fā)明或發(fā)現(xiàn)一次.

講述知識創(chuàng)生故事是復演教學重要方略，圖1對比中國古代與西方國家溫度計發(fā)展歷史的異同[3]，溫度計復演教學校本課程以此為開發(fā)框架.

2.3 以科學史為依據(jù)，開展證偽的實驗探究

發(fā)明溫度計的曲折歷程中，科學家采用了批判性繼承的思維方式，創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)主要為以下幾個方面：

（1）認識空氣的熱脹冷縮;

（2）測溫物質(zhì)的選擇;

（3）擺脫外界大氣壓的影響;

（4）溫度標準的確定與選擇;

（5）溫度計的構(gòu)造.

學習過程中，可以某一關(guān)鍵性環(huán)節(jié)為主線，以歷史上的溫度計為素材，復演歷史情境，還原歷史實驗探究活動，分析論證出現(xiàn)的問題，并提出改進性建議，探究活動可采用以下教學策略開展：

復演舊作—實驗原理—分析論證—類創(chuàng)造.

例：復演歷史情境——伽利略發(fā)明的氣體溫度計.

2.3.1 復演小制作——氣體溫度計

如圖2所示，由一根帶有細長彎管的玻璃球和一個盛水容器組成，加熱玻璃球，使球內(nèi)氣壓增大，排出球內(nèi)部分氣體后，玻璃管內(nèi)吸入一段液體（如圖3所示）.當氣溫上升時，球內(nèi)氣壓增大，液面下降，反之，液面上升.

2.3.2 實驗原理——空氣的熱脹冷縮

驗證空氣的熱脹冷縮：如圖4所示，將插入吸管的玻璃瓶密封后浸入溫水中，用熱毛巾捂熱玻璃瓶排出瓶內(nèi)氣體.接著換包有冰塊的冷毛巾冷卻玻璃瓶，直至瓶內(nèi)水面不再上升為止.此時倒轉(zhuǎn)瓶子（如圖5所示），吸管內(nèi)有部分水，將瓶子放入熱水中，觀察吸管里水位升高，因為瓶內(nèi)空氣遇熱膨脹[4].

2.3.3 分析論證——氣體溫度計所存在的問題

引導學生討論氣體溫度計的不足之處有：

（1）會受大氣壓的影響而改變溫度顯示，實際為溫度氣壓計.

（2）溫度升高，液柱下降;溫度降低，液柱升高，不符合讀數(shù)習慣.

（3）無刻度，只能定性顯示冷熱等.

2.3.4 類創(chuàng)造——假如我是伽利略

開展以科普小論文、科幻畫、小制作（如圖6所示）等形式還原或模擬發(fā)明伽利略時期、現(xiàn)代或未來可能出現(xiàn)的各類溫度計，分析判斷問題出現(xiàn)的原因，鼓勵學生融入現(xiàn)代元素創(chuàng)新改進，實現(xiàn)現(xiàn)代文明到古代、未來發(fā)明的思維穿越[5].

2.4 用科學史事例，產(chǎn)生沖突的復演教學

教學中可利用學生的認知沖突，甚至制造認知沖突，從而使其主動求知，打破舊有認知誤區(qū)與不足，利用學生形成新的觀念，優(yōu)化物理思維[6].

認知沖突1：歷史上伽利略制作的溫度計，是根據(jù)液體的熱脹冷縮原理制成的.

學生在初中學過的溫度計和生活中常見的溫度計都是根據(jù)液體的熱脹冷縮原理制作而成，容易形成只有液體才能作為測溫物質(zhì)的思維定勢，通過復演制作伽利略氣體溫度計模型，學生觀察到溫度變化對氣體體積的影響而改變溫度示數(shù).引領(lǐng)學生擺脫只有液體可做測溫物質(zhì)的束縛，繼而思考有更多范疇的物質(zhì)可作為測溫物質(zhì).

認知沖突2：“天氣瓶”可預(yù)測天氣.

“天氣瓶”是海軍上將羅伯特·菲茨羅伊在1834-1836年間陪同查爾斯·達爾文探險時發(fā)明的，用蒸餾水、乙醇、硝酸鉀、氯化銨和樟腦按比例混合而成.發(fā)明時認為可根據(jù)瓶內(nèi)展現(xiàn)出結(jié)晶的不同型態(tài)，預(yù)報天氣的變化.

指導學生制作“天氣瓶”并觀察探究發(fā)現(xiàn)，瓶內(nèi)結(jié)晶的變化，主要是樟腦在乙醇內(nèi)的溶解度隨著溫度變化，與天氣的對應(yīng)關(guān)系成隨機分布，無預(yù)測價值.“天氣瓶”是溫度計發(fā)明史中衍生出來的產(chǎn)物，它晶體型態(tài)萬千的美麗變化只可作為裝飾品.

核心素養(yǎng)導向下的初中物理復演教學的實踐研究是立德樹人落地物理課堂的有效途徑，指向物理學科知識所蘊涵的“育人”的至高點，能有效培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)[7].

參考文獻：

[1]李潤州.知識三重觀視域的核心素養(yǎng)[J].教育發(fā)展研究，2016（24）：37-44.

[2]廖伯琴，張大昌.義務(wù)教育物理課程標準（2011版）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2012.

[3]朱敏.溫度計及溫標的發(fā)展歷程[J].中學物理教學參考，2009（03）：31-33.

[4][英]費利西婭·勞 格里·貝利等.給兒童的物理科學書[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[5]鄢超云.樸素物理理論與兒童科學教育（學前教育新視野叢書）[M].南京：江蘇教育出版社，2007.

[6]劉通，羅茜.探析中國物理學史料在初中物理教學中的應(yīng)用[J].中學物理，2020，38（08）：61-64.

[7]許花.實驗室里的故事——研究性學習方式在物理教學中的應(yīng)用[J].中學物理，2019，37（03）：15-18.

（收稿日期：2020-12-03）