基于HPS理念的《晝夜交替現(xiàn)象》教學設計探析

張馳 王思錦 谷玉蘭

HPS （History and Philosophy of Science）是科學史與科學哲學的英文縮寫。邁克爾·馬修斯認為將HPS融入當代科學教學，是指向科學本質的教學?？茖W不僅包含科學事實、科學定律、科學理論等科學產(chǎn)物，還應包含科學過程性的知識——在科學發(fā)展與科學主張檢驗過程中出現(xiàn)的社會性、技術性以及知識性的方法，科學教育應將歷史與哲學融入其中。

但科學涵蓋的領域并不單一，每個領域都有自己獨特的方法論與認識論。地球科學哲學認為，地學的學習方法主要是模型建構，要經(jīng)過實體觀察、提出假說、構建模型、模型驗證的學習過程。同時，小學科學學科核心素養(yǎng)關注科學思維的培養(yǎng)，其中的模型建構，既是科學思維的基本要點，也是研究地球與宇宙科學的核心方法。

《晝夜交替現(xiàn)象》是教科版《科學》六年級上冊“地球的運動”單元第二課。本設計是以HPS的視角探討科學本質的教學，使學生認識到隱藏于地球科學知識背后地學發(fā)展的歷史、呈現(xiàn)的地學的研究方法以及蘊含的地學精神。

本課的教學目標如下。

科學觀念：

1.知道晝夜交替現(xiàn)象有多種可能的解釋。

2.了解晝夜交替現(xiàn)象與地球和太陽的相對圓周運動有關，認識到晝夜交替現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是地球自轉引起。

科學探究：

1.經(jīng)歷地球科學學習的過程，觀察并搜集晝夜交替的科學現(xiàn)象，提出地球產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的多種假說;合理構建模型，在模擬實驗中驗證假說，在真實情況中尋找更多依據(jù)解釋假說。

2.發(fā)現(xiàn)模擬實驗的利弊，模擬現(xiàn)象需要在真實情況中進行驗證。

科學態(tài)度：

尊重每種假說的提出與判斷，感受晝夜交替現(xiàn)象對地球上生命的重要。

科學、技術、社會與環(huán)境：

了解人類對地球的運動的認識是不斷發(fā)展的，愛護地球保護環(huán)境。

本課的教學資源如下。

演示材料：地球儀、燈泡、多媒體課件、地球和太陽充氣模型。

分組材料：地球儀（北京處做標記）、燈泡、記錄單。

教學資源（部分）

以下為本課的教學過程。

一、集中話題

（一）實體觀察

晝夜交替現(xiàn)象視頻，聚焦話題，引導學生思考兩個問題：從視頻中你看到了哪些自然現(xiàn)象？這種變化出現(xiàn)一次需要多長時間？

（二）解釋課題

夜晚我們也可以稱它為“夜”，白天我們也可以稱它為“晝”，每天都有一個晝和一個夜，然后又會有一個晝和一個夜，它們交替出現(xiàn)，我們稱這種現(xiàn)象為“晝夜交替”，出現(xiàn)一次晝夜交替的時間是24小時。

設計意圖：通過錄像結合自身體會，集中話題。通過談話明確什么是“晝夜交替現(xiàn)象”。

二、探索與調查

（一）原型交流與討論：晝、夜以及晝夜交替的自然現(xiàn)象特征

課前分發(fā)記錄單，觀察并記錄晝、夜以及晝夜交替的特點，通過學生交流，梳理出常見自然現(xiàn)象。

隨著學生說，在黑板上提取。

預設： 1.太陽升起，天亮了;太陽落下，天暗了。2.晝夜的交替不是瞬間完成的，是慢慢進行的。3.在晝夜交替過程中，太陽和月亮也在交替出現(xiàn)。4.晝夜交替的總時間是不改變的，都是24小時。5.每天都會有晝夜交替。6.人們的生活伴隨晝夜交替發(fā)生變化，動植物也是如此……

設計意圖：從自然現(xiàn)象中提取科學問題，聚焦課題，做出晝夜交替產(chǎn)生的假說推測并交流。

（二）提出假說：晝夜交替是怎么形成的？

轉化為兩個具體問題：晝夜交替和什么有關？它們怎么運動能夠實現(xiàn)晝夜交替？

預設：很多學生能夠說出地球的自轉與公轉現(xiàn)象，因此相當一部分學生會認為這種看似“正確、權威”的觀點就是晝夜交替現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。閱讀量大的學生已經(jīng)知道是由于地球自轉引起的，還會有學生認為和月亮有關系。

根據(jù)預設情況，在此可以做以下處理。

問題1：你是從哪里知道的這些信息？

問題2：這些觀點你親自驗證過嗎？如果只是今天想到而未驗證過，那這只能算作一種假說。

問題3：月亮有什么特點？

排除干擾因素后，接著提問：還有沒有其他假說能夠解釋晝夜交替現(xiàn)象？組織學生小組討論，并記錄假說，教師現(xiàn)場拍照并投影交流。

設計意圖：通過幾個追問，能夠幫助學生初步把干擾因素排開，將話題聚焦在地球、太陽以及二者如何運動上。

（三）構建模型

1.出示實驗材料，組織學生思考、交流以下問題：

（1）用什么模擬什么？

（2）怎么知道哪里是晝，哪里是夜？又怎么看出來晝夜交替？

預設：燈泡模擬太陽、用地球儀模擬地球、用乒乓球模擬月亮（如果依然有學生想驗證月亮）。

提示：可以在地球儀上標示出北京、紐約兩個地點，進行對比觀察。

（3）怎樣模擬實驗，能更加逼真地還原晝夜交替現(xiàn)象？

提示：要緩慢地進行模擬實驗;認真觀察，思考實驗方法是否與假說一致。

2.學生分組模擬實驗

3.匯報交流

幫助學生梳理，能夠產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的情況主要有以下幾種：

（1）地球繞太陽自轉;

（2）地球公轉;

（3）地球自轉又公轉;

（4）地球不動，太陽繞地球自轉;

（5）地球不動，太陽繞地球公轉。

設計意圖：通過討論原型特征構建模型，讓學生認識到，模擬實驗應該盡量逼近真實的自然情況，從而在模擬實驗過程中驗證假說。

三、形成解釋

（一）討論幾種產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的方法共性：地球與太陽產(chǎn)生了相對圓周運動。

科學史滲透：其實在人類認識地球的歷史過程中，這些假說都曾經(jīng)出現(xiàn)過，并在當時被認為是正確的。

（二）原型解釋：對比原型與模型

隨著學生交流，用形成的共識對照開始的假說，檢驗其是否成立，并在黑板上標示清楚。

預設：地球圍繞太陽公轉一圈出現(xiàn)一次晝夜，而公轉一圈的時間是一年。與實際情況不符合。

地球自轉一圈產(chǎn)生一次晝夜，自轉一圈的時間為24小時。符合實際情況。

對于不好判斷的假說，教師做出以下解釋，比如：

地球繞太陽轉與太陽繞地球轉，只是參照系不同。（結合玩旋轉木馬時周圍景物的運動方向解釋。）

出示太陽與地球的充氣模型，對比發(fā)現(xiàn)太陽與地球的質量與體積的差異，所以太陽圍繞地球轉不符合實際。

談話：科學認識是不斷發(fā)展并可以被推翻的。因此目前為止，我們可以認為晝夜交替現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是地球自轉。但是隨著人類對宇宙認識的增多，可能會出現(xiàn)更多的證據(jù)，今天的認識也有可能被推翻。

（三）小結

談話：梳理我們目前的發(fā)現(xiàn)，對于晝夜交替現(xiàn)象我們依次經(jīng)歷了“觀察與搜集自然現(xiàn)象—提出假說—構建模型—模擬實驗—與真實情況對比修正假說”這樣的過程。面對浩瀚的宇宙，這樣的研究方法會幫助我們收獲更多。

設計意圖：通過交流發(fā)現(xiàn)幾種產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的假說的共性：地球與太陽做相對圓周運動，并滲透科學史;在與原型（真實情況）做對比的過程中，利用更多的證據(jù)推翻不合理的假說;通過梳理研究過程，滲透地球科學的學習方法，即實體觀察—提出假說—構建模型—模型驗證。

四、拓展與應用

思考并交流：如果晝夜交替不是這樣有規(guī)律地出現(xiàn)，對地球上的生物有怎樣的影響？

設計意圖：感受到晝夜交替現(xiàn)象對生物的影響，感悟地球科學“天人合一”的思想。

學生記錄單

板書設計

從以上教學過程可以發(fā)現(xiàn)，本設計主要具備以下特點。

首先，聚焦小學科學核心素養(yǎng)，基于HPS科學教育理念，探索科學本質的學習。在晝夜交替現(xiàn)象的研究中滲透科學史，讓學生感受到自己提出的假說在人類認識地球運動的歷史上都曾經(jīng)存在過，而且非常重要，感受到對于一種現(xiàn)象可以有多種可能的解釋，但隨著依據(jù)的增多，總會出現(xiàn)更合理的解釋。同時，讓學生經(jīng)歷完整的地球科學的學習過程：原型觀察—提出假說—構建模型—模型驗證。這種模型建構的過程，幫助學生在學習單元首課時就建立穩(wěn)固的基礎以及更廣闊的地學觀念，方便培養(yǎng)學生的科學思維。

其次，基于大概念下的概念進階理念，幫助學生形成更廣的概念聯(lián)系。在單元教學分析時，我們對學生做了測查，發(fā)現(xiàn)學生對已有相關學習已經(jīng)掌握良好，大多能夠認識到地球內部的運動會影響到地表的形態(tài)、地球與生物間的關系等。而前測本身對學生也是一種學習培養(yǎng)，讓他們認識到對于復雜的地球系統(tǒng)，還有更多需要探尋的，而以往的研究都與其有所聯(lián)系。在本節(jié)課的設計中，我們特別安排環(huán)節(jié)讓學生思考：晝夜交替現(xiàn)象對地球上生命的影響，這又是一次強化。

以上嘗試，都是在幫助學生建立一種良好的地學思想積淀，感悟地學“天人合一”的思想，在每一次學習體驗中逐漸滲透更深的地學觀念?！?/p>