指向科學(xué)本質(zhì)的HPS教學(xué)設(shè)計(jì)研究

楊帆凡 李春密

摘? 要：文章介紹了科學(xué)本質(zhì)和HPS教育模式，選取義務(wù)教育階段物理學(xué)科 “浮力”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，在知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)上，參照HPS教育馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)HPS教育在物理學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì);HPS教育;教學(xué)設(shè)計(jì);浮力

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）8-0077-4

1? ? 引? 言

2014年，教育部在《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》中，明確提出了學(xué)生在完成各學(xué)科相應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，應(yīng)具備的必備品格和關(guān)鍵能力等方面的要求，從而適應(yīng)自身和社會(huì)發(fā)展的需要[1]。2016年，《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》研究成果發(fā)布，對(duì)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的總體框架、基本內(nèi)涵和主要表現(xiàn)等做了詳細(xì)闡述[2]?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)普通高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，科學(xué)本質(zhì)作為“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的要素之一，多次被提及[3]。已有研究將科學(xué)本質(zhì)的基本構(gòu)成整理為科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探索和科學(xué)事業(yè)三個(gè)維度，并細(xì)化為17個(gè)要素[4]，被大多數(shù)教育研究者所接受。雖然《義務(wù)教育階段物理課標(biāo)》仍在修訂中，但提升對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)對(duì)義務(wù)教育階段的學(xué)生同樣適用且同等重要。

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，西方國(guó)家在進(jìn)行教育研究與改革的過(guò)程中，以建構(gòu)主義作為理論基礎(chǔ)，融合科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué)，提出了“HPS教育”，倡導(dǎo)在日常課程教學(xué)中滲透相關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生真正了解所學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程，從而提升其對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)[5]，達(dá)到發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

本研究選取某版本義務(wù)教育教科書(shū)八年級(jí)下冊(cè)“浮力”一節(jié)的內(nèi)容，在知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)上，指向科學(xué)本質(zhì)，參照HPS教育馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以期為指向科學(xué)本質(zhì)的HPS教育提供參考與借鑒。

2? ? HPS教學(xué)模式

20世紀(jì)90年代，美、澳、英等西方國(guó)家學(xué)者先后提出了多種HPS教學(xué)模式，例如“互動(dòng)式歷史小故事”（美國(guó)學(xué)者Roach Linda E和Wandersee James H于1990年提出，簡(jiǎn)稱(chēng)“IHVs”）、馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式（澳大利亞哲學(xué)教授Michael·R.·Matthews于1994年提出，又稱(chēng)“適度教學(xué)模式”）、融合教學(xué)模式（英國(guó)學(xué)者M(jìn)onk M.和Osborne J.于1997年提出）等，均被國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒、研究與運(yùn)用[6]。

本研究采取馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式，即在課堂教學(xué)中，師生圍繞有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的問(wèn)題進(jìn)行對(duì)話(huà)、交流與反思，在知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)上，提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。其教學(xué)過(guò)程包含定向參與、提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)探究、引導(dǎo)反思和對(duì)話(huà)拓展5個(gè)階段[7]（表1）。

3? ? 基于HPS教育馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式的“浮力”教學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，基于HPS教育馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式，指向科學(xué)本質(zhì)的“浮力”教學(xué)設(shè)計(jì)具體如下：

3.1? ? 問(wèn)題一：為什么物體會(huì)受到浮力？

階段1：定向參與

師：創(chuàng)設(shè)情境。使用多媒體播放冰山、郵輪等在水面漂浮以及“曹沖稱(chēng)象”的視頻，激發(fā)學(xué)生興趣，引發(fā)學(xué)生思考。

問(wèn)題（1）：那么重的冰山和郵輪為什么能夠漂浮在水面上呢？“曹沖稱(chēng)象”又是運(yùn)用了什么原理？

生：觀看視頻，進(jìn)行思考。冰山、郵輪在水面漂浮以及“曹沖稱(chēng)象”都是由于漂浮在水面的物體受到浮力的作用。

問(wèn)題（2）：只有漂浮在水面上的物體受到浮力的作用嗎？浸沒(méi)在水中的物體受到浮力嗎？

師：進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，測(cè)量鋁塊浸沒(méi)水中所受的浮力（圖1）。

生：觀察演示實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將鋁塊浸沒(méi)水中時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)會(huì)變小，說(shuō)明浸沒(méi)在水中的鋁塊也受到了浮力的作用。

問(wèn)題（3）：以浸沒(méi)在液體中為例，為什么物體會(huì)受到浮力？

師：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合液體壓強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容，思考浮力產(chǎn)生的原因。

生：結(jié)合液體壓強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容，如圖2所示，對(duì)浸沒(méi)在液體中的物體進(jìn)行分析，思考并得出結(jié)論。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過(guò)冰山、郵輪漂浮在水面的現(xiàn)象以及中國(guó)歷史小故事“曹沖稱(chēng)象”創(chuàng)設(shè)有趣的情境，使學(xué)生觀察體會(huì)生活現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行思考與探究。

3.2? ? 問(wèn)題二：物體所受浮力的大小跟哪些因素有關(guān)？

階段2：提出假設(shè)

師：結(jié)合冰山、郵輪漂浮水面、“曹沖稱(chēng)象”以及問(wèn)題（3）中鋁塊浸沒(méi)水中等現(xiàn)象提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)。

問(wèn)題（4）：為什么又大又重的冰山和郵輪可以漂浮在水面上，但小鋁塊卻浸沒(méi)在水中呢？

生：和它們所受浮力的大小有關(guān)。

問(wèn)題（5）：浮力的大小跟哪些因素有關(guān)？

生：思考以上現(xiàn)象，提出假設(shè)：浮力的大小可能跟物體浸在液體中的體積、物體浸沒(méi)的深度以及液體的密度等因素有關(guān)。

師：提供實(shí)驗(yàn)器材（彈簧測(cè)力計(jì)、小鋁塊、燒杯、細(xì)線(xiàn)、水、鹽水等），引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

生：根據(jù)提出的假設(shè)，采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：

①因素1：物體浸在液體中的體積。利用細(xì)線(xiàn)將小鋁塊懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，將小鋁塊慢慢浸入液體中，觀察此過(guò)程中彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化情況。

②因素2：物體浸沒(méi)的深度。將懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下的小鋁塊全部浸沒(méi)在同一種液體中，分別懸停在液體內(nèi)不同的深度，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化情況。

③因素3：液體的密度。將懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下的小鋁塊先后全部浸沒(méi)在不同密度的液體（水和鹽水）中，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化情況。

④……

【設(shè)計(jì)意圖】 鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、提出假設(shè)，采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生體會(huì)物理學(xué)科學(xué)習(xí)中控制變量法及實(shí)驗(yàn)的重要性。

階段3：實(shí)驗(yàn)探究

師：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材（彈簧測(cè)力計(jì)、小鋁塊、燒杯、細(xì)線(xiàn)、水、鹽水等），組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，及時(shí)給予指導(dǎo)。

①問(wèn)題

生：明確探究問(wèn)題：浮力的大小跟哪些因素有關(guān)？作出科學(xué)假設(shè)：浮力的大小可能跟物體浸在液體中的體積、物體浸沒(méi)的深度以及液體的密度等因素有關(guān)（即階段2）。

②證據(jù)

生：根據(jù)階段2設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，組內(nèi)討論并確定最終方案，選取合適的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

③解釋

生：分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，形成小組結(jié)論，嘗試用已有的物理知識(shí)對(duì)現(xiàn)象及結(jié)論進(jìn)行科學(xué)解釋。

④交流

生：全班交流，交流內(nèi)容包括但不限于實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)論，各小組反思探究過(guò)程與結(jié)果。得出實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論：物體在液體中所受浮力的大小，跟它浸在液體中的體積以及液體的密度有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。驗(yàn)證假設(shè)。

【設(shè)計(jì)意圖】 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自己的觀點(diǎn)和假設(shè)。

3.3? ? 問(wèn)題三：你還學(xué)到了什么？

階段4：引導(dǎo)反思

師：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程進(jìn)行反思和總結(jié)。

問(wèn)題（6）：在剛剛的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，大家遇到了哪些困難？

問(wèn)題（7）：在影響浮力大小因素的實(shí)驗(yàn)中，大家認(rèn)為最重要的思想或者實(shí)驗(yàn)方法是什么？

生：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程的反思，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)波動(dòng)較大，不方便讀數(shù)等困難;最重要的實(shí)驗(yàn)方法是控制變量法。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)控制變量法等實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入思考。

師：通過(guò)視頻多媒體資源介紹阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力的小故事、中國(guó)“遼寧號(hào)”航空母艦、“蛟龍?zhí)枴焙汀皧^斗者號(hào)”載人潛水艇，使學(xué)生學(xué)習(xí)浮力相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的同時(shí)，了解浮力的發(fā)現(xiàn)歷史和我國(guó)在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合能力。據(jù)此提出一些科學(xué)本質(zhì)相關(guān)問(wèn)題。

問(wèn)題（8）：古希臘學(xué)者阿基米德在洗澡時(shí)發(fā)現(xiàn)了浮力，并進(jìn)一步進(jìn)行探索與驗(yàn)證，你從中學(xué)到了什么？（科學(xué)知識(shí)維度：累積性;科學(xué)探索維度：經(jīng)驗(yàn)性、創(chuàng)造性、科學(xué)方法的非固定性;科學(xué)事業(yè)維度：科學(xué)家形象）

問(wèn)題（9）：“遼寧號(hào)”航空母艦、“蛟龍?zhí)枴焙汀皧^斗者號(hào)”載人潛水艇等高技術(shù)成果的發(fā)展，需要許多科學(xué)家前赴后繼地進(jìn)行探索，對(duì)此你有什么看法？（科學(xué)知識(shí)維度：累積性、暫定性;科學(xué)事業(yè)維度：科學(xué)家形象）

問(wèn)題（10）：你還知道哪些跟浮力相關(guān)的應(yīng)用？（科學(xué)事業(yè)維度：科學(xué)與社會(huì)、科學(xué)與技術(shù)）

生：了解浮力的發(fā)展歷史及相關(guān)應(yīng)用，體會(huì)科學(xué)家的思想。

【設(shè)計(jì)意圖】 使學(xué)生了解浮力的發(fā)展歷史及相關(guān)應(yīng)用，體會(huì)我國(guó)科技的迅猛發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷，引發(fā)學(xué)生思考科學(xué)本質(zhì)相關(guān)問(wèn)題，刺激學(xué)生進(jìn)行批判性與反思性思維。

階段5：對(duì)話(huà)拓展

師：針對(duì)階段4中科學(xué)本質(zhì)相關(guān)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生討論并與學(xué)生進(jìn)行交流。

生：針對(duì)階段4中科學(xué)本質(zhì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行思考并小組討論。航空母艦、潛水艇等科技成果的誕生與社會(huì)、技術(shù)背景息息相關(guān)，需要一代又一代的科學(xué)家不斷探索和嘗試，在探索的過(guò)程中可以采用不同的思維方式或?qū)嶒?yàn)方法等;熱氣球也運(yùn)用了浮力的原理?？偨Y(jié)并與教師交換、溝通意見(jiàn)。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過(guò)小組討論與師生對(duì)話(huà)交流，對(duì)比、解釋對(duì)科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的理解，提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

本研究參照HPS教育馬修斯對(duì)話(huà)教學(xué)模式，指向科學(xué)本質(zhì)，以“浮力”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，探索了HPS教育在物理學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，為提升學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)提供了新的案例。

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（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）