科學(xué)本質(zhì)視域下的大單元教學(xué)探討
——以高中“光現(xiàn)象及其應(yīng)用”為例

田春鳳

包頭師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 040130

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是立德樹人教育根本任務(wù)在物理課程中的集中體現(xiàn)，應(yīng)在課程設(shè)計(jì)和實(shí)施中充分落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，體現(xiàn)物理課程的育人功能。很多研究者指出碎片化的課時(shí)教學(xué)不利于學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，應(yīng)重視單元教學(xué)的研究，特別是基于大概念、大思路、大情境和大問題的單元教學(xué)。

伴隨著物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，科學(xué)本質(zhì)也以顯性的方式進(jìn)入了高中物理課程與教學(xué)之中。從某種意義來講，物理教育的根本目標(biāo)就在于提升學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)，樹立正確的科學(xué)觀，從而形成良好的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。當(dāng)前科學(xué)本質(zhì)教育已取得了相當(dāng)豐富的研究成果，大多從科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)、科學(xué)探究的本質(zhì)和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)三個(gè)維度闡釋科學(xué)本質(zhì)的含義，并提出了包括科學(xué)史和科學(xué)探究等很多切實(shí)可行的教學(xué)策略。

立足當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀，以三個(gè)維度為切入點(diǎn)，從知識(shí)的結(jié)構(gòu)、知識(shí)的建立途徑、知識(shí)的應(yīng)用等幾個(gè)方面對(duì)單元內(nèi)容進(jìn)行深入分析，把握內(nèi)容間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，找到便于單元整合的關(guān)鍵線索，以此整合教學(xué)內(nèi)容，整體設(shè)計(jì)單元教學(xué)思路，開發(fā)學(xué)生互動(dòng)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)。以高中物理選擇性必修一“光現(xiàn)象及其應(yīng)用”為例，從科學(xué)本質(zhì)教育視角對(duì)單元教學(xué)進(jìn)行探討，以期對(duì)物理單元教學(xué)及核心素養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí)提供有益的借鑒。

1 立足知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物理觀念的達(dá)成

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

科學(xué)首先就是科學(xué)的世界觀，當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀認(rèn)為，科學(xué)是人們對(duì)自然界的描述和解釋，在尋求解釋的過程中，必須以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并依賴于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的檢驗(yàn)，但是科學(xué)知識(shí)并非外在物質(zhì)世界的拷貝，它包含著人類豐富的想象力和創(chuàng)造力，是建構(gòu)出來的；科學(xué)知識(shí)具有穩(wěn)定性和持久性，但未來也可能改變，并不斷發(fā)展和進(jìn)步［1］。

光學(xué)既是一門古老的基礎(chǔ)科學(xué)，又是最活躍的前沿科學(xué)之一，具有強(qiáng)大的生命力和不可估量的發(fā)展前景?；仡櫣鈱W(xué)發(fā)展史發(fā)現(xiàn)，人們一方面通過對(duì)光現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了大量的光學(xué)定律，獲得了關(guān)于光現(xiàn)象的客觀、深入的描述；另一方面，為了解釋光學(xué)現(xiàn)象，開始了對(duì)光本性問題的思考，并逐步形成了光的微粒說與波動(dòng)說，最終確立了光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)。因此，光現(xiàn)象的研究和定律的發(fā)現(xiàn)與光本性的認(rèn)識(shí)發(fā)展相互作用，以科學(xué)論爭(zhēng)的方式貫穿于光學(xué)發(fā)展的始終，并將所有光學(xué)知識(shí)建構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，很好地體現(xiàn)了上述的科學(xué)本質(zhì)特征。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）在“光現(xiàn)象及其應(yīng)用”中主要圍繞光的折射定律、光的全反射、光的干涉、光的衍射、光的偏振和激光等提出要求?？梢?，高中物理是以光現(xiàn)象及其規(guī)律作為單元的重點(diǎn)，構(gòu)成了單元知識(shí)的明線?！稑?biāo)準(zhǔn)》還在光的偏振中提出“知道光是橫波”的要求，并在教學(xué)提示中進(jìn)一步明確要求：“通過光的干涉、衍射等現(xiàn)象來論證光具有波動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，提升科學(xué)論證能力……了解波動(dòng)的特征，為深入學(xué)習(xí)和研究電磁波打好基礎(chǔ)?！保?］此外，在學(xué)業(yè)要求中也指出：“知道光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象及其應(yīng)用，認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性，知道光是橫波。”因此，光本性的認(rèn)識(shí)是本單元的重要內(nèi)容，構(gòu)成了單元知識(shí)的暗線。

1.2 光單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)

基于以上分析，本單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，明暗兩線相互融合、相互促進(jìn)。一方面，在初中幾何光學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展對(duì)光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)并認(rèn)識(shí)光的折射定律和全反射現(xiàn)象；另一方面，以機(jī)械波知識(shí)為基礎(chǔ)，通過光的干涉和衍射現(xiàn)象認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性，再通過偏振現(xiàn)象知道光是橫波，從而建立起光的波動(dòng)學(xué)基本觀念；而激光的安排，為后續(xù)拓展對(duì)光波動(dòng)性的認(rèn)識(shí)做好了鋪墊。光單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了人類描述和解釋自然的各種嘗試，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)的若干本質(zhì)特征，如建構(gòu)性、實(shí)證性、暫定性、解釋與預(yù)測(cè)功能等。

圖1 光單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

1.3 問題串貫穿，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

充分考慮物理學(xué)科的特點(diǎn)和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，以學(xué)生已有知識(shí)為基礎(chǔ)，將光本性的論證作為單元教學(xué)的主線，變暗為明，以光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)為輔助，精心設(shè)計(jì)問題串，引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)展開論證。不僅可以幫助他們認(rèn)識(shí)光的折射、全反射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，提升他們的觀察能力、探究能力和分析概括能力，而且可以發(fā)展他們對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)光的波動(dòng)性，知道光是橫波，提升他們的科學(xué)論證能力和邏輯思維能力。以此為基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)他們關(guān)于運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念、科學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的全面提升。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 光單元的問題設(shè)計(jì)

2 豐富知識(shí)建立途徑，促進(jìn)能力提升

2.1 知識(shí)建立途徑分析

科學(xué)探究是科學(xué)家描述和解釋自然的一種基本方式，它源于人類的好奇心和探索欲，具有建構(gòu)性、創(chuàng)造性和主觀性的特點(diǎn)，問題、證據(jù)、解釋、交流與評(píng)估構(gòu)成了科學(xué)探究的全過程，但并不存在標(biāo)準(zhǔn)的或固定的研究步驟或程序?？茖W(xué)家工作的重要方面就是不斷地提出問題和尋求答案，之后引發(fā)新的問題［3］。

基于前面對(duì)光單元知識(shí)結(jié)構(gòu)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，從幾何光學(xué)到波動(dòng)光學(xué)的發(fā)展很好地體現(xiàn)了科學(xué)探究的上述特點(diǎn)：從初中已有知識(shí)出發(fā)，不斷提出問題、解決問題，又發(fā)現(xiàn)和提出新的問題，最終形成對(duì)高中光學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。在這一過程中，人們運(yùn)用了多種研究方法，既包括對(duì)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)，也包括對(duì)規(guī)律的探究，還包括基于證據(jù)的論證。此外，光學(xué)知識(shí)的建立過程中不僅包括著證據(jù)和邏輯，而且也蘊(yùn)含著主觀性和創(chuàng)造性。

《標(biāo)準(zhǔn)》和教材非常重視觀察、實(shí)驗(yàn)和探究?！稑?biāo)準(zhǔn)》明確提出，通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)光的折射定律和激光，通過觀察認(rèn)識(shí)光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。教材也大多設(shè)計(jì)觀察、實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng)來形成光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和建立光學(xué)定律。此外，《標(biāo)準(zhǔn)》和教材都非常重視科學(xué)論證活動(dòng)，例如，教材在波動(dòng)光學(xué)部分的編排往往是按照問題提出—呈現(xiàn)證據(jù)—基于證據(jù)進(jìn)行解釋，從而引導(dǎo)學(xué)生逐步深化對(duì)光的波動(dòng)性的認(rèn)識(shí)，提升他們的科學(xué)論證能力。

2.2 過程與方法結(jié)構(gòu)

基于科學(xué)探究本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)光單元知識(shí)建立途徑的分析，依據(jù)物理學(xué)的學(xué)科邏輯及學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，光單元知識(shí)的建立，就是基于證據(jù)進(jìn)行解釋的不斷嘗試的過程，開展論證式教學(xué)有利于實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的相互促進(jìn)。因此，應(yīng)以光本性的論證為主線，將學(xué)生對(duì)光現(xiàn)象的探究與對(duì)光本性的論證有機(jī)結(jié)合（圖3），二者相輔相成，豐富知識(shí)建立的途徑，不斷推進(jìn)學(xué)生對(duì)光現(xiàn)象與光本性的認(rèn)識(shí)，不斷提升學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)論證能力。

圖3 光單元過程與方法結(jié)構(gòu)

2.3 多樣化的教學(xué)，全面提升能力

以論證為主線創(chuàng)設(shè)情境，以觀察和實(shí)驗(yàn)作為證據(jù)支撐，不斷深化對(duì)光現(xiàn)象及其本性的認(rèn)識(shí)，從而完成光學(xué)知識(shí)的建構(gòu)。在教學(xué)中，應(yīng)注重開發(fā)和設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)方式，體現(xiàn)不同的知識(shí)建立途徑及研究中的主觀性和創(chuàng)造性，更好地幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，提升能力，拓展對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

首先，基于知識(shí)間的內(nèi)在邏輯提出問題，借助觀察和實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)探究逐步深入（圖2）。例如，光的全反射教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生觀察光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，隨著入射角不斷增大，反射光線和折射光線的變化，發(fā)現(xiàn)并提出新的問題，從而提高學(xué)生的觀察能力和發(fā)現(xiàn)與提出問題的能力；而問題的解決，則可以讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究與理論探究兩種途徑發(fā)現(xiàn)并理解全反射的條件。又如，在學(xué)生學(xué)完光的干涉后，可以提出問題：波能繞過障礙物發(fā)生衍射，既然光是波，那為什么在日常生活中我們觀察不到光的衍射呢？ 從而體現(xiàn)學(xué)生對(duì)光波動(dòng)性的進(jìn)一步確認(rèn)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考不容易觀察到光的衍射現(xiàn)象的原因，并猜想其產(chǎn)生的條件，最后通過實(shí)驗(yàn)演示認(rèn)識(shí)光的衍射現(xiàn)象。

其次，豐富探究的教學(xué)模式，適當(dāng)開展融合歷史的探究、體現(xiàn)論證的探究等多種形式。例如，對(duì)于光的折射定律的教學(xué)，在已有的光的折射現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生深入探究折射角與入射角的定量關(guān)系，但由于規(guī)律隱秘，學(xué)生很難猜想出或者根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩角度之間的定量關(guān)系，此時(shí)可以介紹歷史上托勒密、開普勒、笛卡爾、斯涅耳等人的研究過程，將歷史探究與學(xué)生探究結(jié)合進(jìn)行，體現(xiàn)研究方法的多樣性。又如，對(duì)于光的干涉教學(xué)，可以創(chuàng)設(shè)歷史情境，提出光是粒子還是波的問題；進(jìn)而猜想光是一種波，并提出如何觀察光的干涉現(xiàn)象的核心問題；引導(dǎo)學(xué)生在已有的機(jī)械波基礎(chǔ)上，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在遇到困難時(shí)給出托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，才能讓學(xué)生更好地體會(huì)該實(shí)驗(yàn)的巧妙之處，感悟物理學(xué)實(shí)驗(yàn)之美和科學(xué)研究的創(chuàng)造性；最后，演示光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，獲得光的干涉圖樣，并進(jìn)一步分析光的干涉的產(chǎn)生條件及其特征。

3 踐行STEM理念，項(xiàng)目化設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用

3.1 知識(shí)應(yīng)用分析

科學(xué)是社會(huì)及文化傳統(tǒng)的一部分，科學(xué)既是科學(xué)家的一項(xiàng)事業(yè)，也是全社會(huì)的一項(xiàng)事業(yè)，與人類社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)，科學(xué)與社會(huì)的作用是相互的，科學(xué)利用技術(shù)造福社會(huì)，但盲目或不當(dāng)運(yùn)用科學(xué)也會(huì)產(chǎn)生不良后果，科學(xué)與技術(shù)存在差異，二者具有相互作用。因此，認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互關(guān)系是科學(xué)事業(yè)本質(zhì)的重要方面，知識(shí)的應(yīng)用教學(xué)是認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜關(guān)系的重要途徑和方式。

光現(xiàn)象與人的生活息息相關(guān)，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光現(xiàn)象的應(yīng)用提出了明確的要求，具體包括：會(huì)測(cè)量材料的折射率；初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用；知道其（光的干涉、衍射和偏振）在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。會(huì)用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)量光的波長；能舉例說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用?？梢姡獾膽?yīng)用范圍廣，類型豐富，能很好地體現(xiàn)科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會(huì)、科學(xué)與工程的聯(lián)系，使學(xué)生了解物理知識(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，體會(huì)物理學(xué)的價(jià)值，從而更好地認(rèn)識(shí)科學(xué)事業(yè)的諸多本質(zhì)特點(diǎn)。

3.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

知識(shí)應(yīng)用的教學(xué)（或稱問題解決教學(xué)）不僅可以深化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，提升物理觀念，而且可以提高他們分析和解決問題的能力，鍛煉科學(xué)思維，促進(jìn)良好的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感的養(yǎng)成，從而全面提升他們的學(xué)科核心素養(yǎng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，光現(xiàn)象的應(yīng)用教學(xué)不能一味地?cái)⑹鍪浇榻B與講解，而應(yīng)以問題解決教學(xué)、STS教育或STEM教育等理論為指導(dǎo)整體設(shè)計(jì)單元知識(shí)應(yīng)用，開發(fā)能促進(jìn)學(xué)生深度思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)。據(jù)此，可設(shè)計(jì)如表1所示的STEM項(xiàng)目。

表1 光現(xiàn)象及應(yīng)用的項(xiàng)目化設(shè)計(jì)

4 總結(jié)與反思

單元教學(xué)的核心素養(yǎng)教育價(jià)值備受物理教育研究者和一線教師的重視，但物理單元教學(xué)的現(xiàn)狀卻不容樂觀，存在著很多問題與不足。針對(duì)“光現(xiàn)象及其應(yīng)用”單元，站在科學(xué)觀的高度，以科學(xué)本質(zhì)的三個(gè)維度為切入點(diǎn)，從知識(shí)的結(jié)構(gòu)、知識(shí)的建立途徑和知識(shí)的應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)行全方位分析，挖掘其物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教育價(jià)值，進(jìn)而考慮物理學(xué)科特點(diǎn)與學(xué)生的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，以HPS教育、STS教育和STEM教育等理論為指導(dǎo)，從光本性的認(rèn)識(shí)、光學(xué)規(guī)律的探究、光現(xiàn)象的應(yīng)用，即知識(shí)線、探究線和應(yīng)用線三條線索設(shè)計(jì)單元教學(xué)思路，開發(fā)和設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的互動(dòng)活動(dòng)，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

綜上所述，以當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀為指導(dǎo)，結(jié)合單元內(nèi)容特點(diǎn)，從多維度、全方位進(jìn)行分析，確定單元教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)單元的線索，開發(fā)有意義的學(xué)習(xí)活動(dòng)，將物理現(xiàn)象的探究、物理觀念的建構(gòu)有機(jī)融合，更好地實(shí)現(xiàn)單元教學(xué)的核心素養(yǎng)教育價(jià)值。