以科學(xué)史為載體滲透科學(xué)本質(zhì)的地理教學(xué)實(shí)踐*
——以浙教版“大氣層”為例

王樂(lè)楷

（浙江省杭州高新實(shí)驗(yàn)學(xué)校, 浙江 杭州 310051）

一、科學(xué)本質(zhì)在教學(xué)中的內(nèi)涵價(jià)值

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：“初中科學(xué)課程是以對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)、以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨的綜合課程?！盵1]科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)教育的主要目的之一，對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解已經(jīng)成為科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。美國(guó)學(xué)者萊德曼教授認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵包含：科學(xué)知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)性、暫定性和確定性，科學(xué)定律和理論的區(qū)別與聯(lián)系，科學(xué)知識(shí)的社會(huì)和文化嵌入性及科學(xué)方法的多樣性。落實(shí)科學(xué)本質(zhì)的教育不僅能夠幫助學(xué)生形成正確的科學(xué)觀，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，領(lǐng)會(huì)科學(xué)精神。[2]

大量研究表明，融入科學(xué)史的教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。以科學(xué)史為載體的教學(xué)方式可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生置身于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的情境中，跟隨科學(xué)家一起經(jīng)歷知識(shí)的動(dòng)態(tài)生成過(guò)程，了解科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程及其在社會(huì)發(fā)展進(jìn)步中的意義。這個(gè)過(guò)程有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

二、以科學(xué)史為載體滲透科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略

1.還原基于科學(xué)史實(shí)的真實(shí)情境

在“大氣層”傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師常呈現(xiàn)大氣溫度的趨勢(shì)圖，讓學(xué)生填表歸納，完成對(duì)大氣分層內(nèi)容的教學(xué)。這樣的設(shè)計(jì)使科學(xué)知識(shí)缺乏情境性，在教學(xué)中顯得枯燥乏味。

本節(jié)課通過(guò)搜索整理關(guān)于人類探索大氣層的歷史資料，呈現(xiàn)了科學(xué)史上格萊舍、波爾特等科學(xué)家利用氣球探索大氣的真實(shí)情境，挖掘了科學(xué)家們?cè)谘芯看髿鈱訒r(shí)面臨的難題，如平流層的逆溫現(xiàn)象等。此外，本課也融入了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類探索之旅的重要意義。

2.創(chuàng)設(shè)基于科學(xué)建模的探究活動(dòng)

建模是科學(xué)研究的基本方法之一?？茖W(xué)建模不僅能加深學(xué)生對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)理解，也能幫助學(xué)生體驗(yàn)“像科學(xué)家一樣探究”的歷程。[3]

在科學(xué)史上，大氣分層本身就是一個(gè)科學(xué)模型，科學(xué)家對(duì)大氣層的探究就是一個(gè)對(duì)模型認(rèn)識(shí)不斷深入的過(guò)程。從建模視角解讀大氣分層有助于加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。從教學(xué)內(nèi)容上看，對(duì)流運(yùn)動(dòng)是“大氣層”一節(jié)內(nèi)容的重難點(diǎn)。本課在探究對(duì)流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)比平流層和對(duì)流層的現(xiàn)象，概括對(duì)流運(yùn)動(dòng)的模型，以此幫助學(xué)生理解對(duì)流規(guī)律。

三、融入科學(xué)史的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

基于以上融入科學(xué)史滲透科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略，筆者設(shè)計(jì)“大氣層”一節(jié)的教學(xué)活動(dòng)并開(kāi)展實(shí)踐。

1.設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課在設(shè)計(jì)上采用“歷史線”“探究線”“知識(shí)線”三線并行開(kāi)展教學(xué)（見(jiàn)圖1）。本設(shè)計(jì)以“探索大氣”為主題情境，將科學(xué)家對(duì)大氣層的探索歷程（歷史線）作為主線，利用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，從科學(xué)史實(shí)中提煉問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生在思考的基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究（探究線），理解科學(xué)規(guī)律（知識(shí)線），最終體會(huì)科學(xué)史實(shí)中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）科學(xué)觀念：了解大氣溫度垂直分布規(guī)律；掌握對(duì)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（2）探究實(shí)踐：通過(guò)小組合作，實(shí)驗(yàn)探究對(duì)流運(yùn)動(dòng)，歸納對(duì)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（3）科學(xué)思維：通過(guò)科學(xué)建模認(rèn)識(shí)大氣分層模型和對(duì)流運(yùn)動(dòng)模型；運(yùn)用對(duì)流運(yùn)動(dòng)的知識(shí)對(duì)生活中的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)解釋。

（4）態(tài)度責(zé)任：通過(guò)了解科學(xué)家大氣探險(xiǎn)科學(xué)史，激發(fā)科學(xué)探索精神，認(rèn)識(shí)科學(xué)事業(yè)進(jìn)步需要大膽的實(shí)踐。

3.教學(xué)過(guò)程

(1)創(chuàng)設(shè)情境，新課導(dǎo)入

【引入】播放電影《熱氣球探險(xiǎn)家》片段。從古至今人們對(duì)于天空、云端充滿了無(wú)限的向往。1862年，為了探索大氣，英國(guó)氣象學(xué)家詹姆斯·格萊舍乘坐熱氣球開(kāi)始了一場(chǎng)穿破云端的冒險(xiǎn)。

【提問(wèn)】影片中科學(xué)家乘坐熱氣球不斷上升，面臨著缺氧、寒冷等困難，他們的探索精神值得我們欽佩。隨著大氣高度的上升，大氣的溫度會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

【設(shè)計(jì)意圖】視頻中科學(xué)家乘坐熱氣球飛向高空探索的片段，能夠給學(xué)生帶來(lái)深刻且震撼的感受。以科學(xué)史導(dǎo)入能夠激發(fā)學(xué)生的興趣。學(xué)生自然誤認(rèn)為大氣高度越高溫度越低，從而引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

(2)激發(fā)興趣，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

【引導(dǎo)】科學(xué)家們經(jīng)過(guò)對(duì)地球大氣的不斷探索，發(fā)現(xiàn)大氣溫度并不是隨著高度的升高一直降低。閱讀科學(xué)史資料，完成任務(wù)一。

材料一：1862年，英國(guó)氣象學(xué)家格萊舍乘熱氣球升至8.8千米的高空，發(fā)現(xiàn)氣球高度越高，感覺(jué)越寒冷。

材料二：19世紀(jì)末，法國(guó)氣象學(xué)家波爾特利用攜帶氣壓計(jì)、溫度計(jì)等的氣象氣球飛上更高的大氣。他發(fā)現(xiàn)，達(dá)到約11千米的高度后，空氣停止變冷且溫度隨著氣球的上升而升高。

材料三：20世紀(jì)20年代，英國(guó)兩位氣象學(xué)家多布森和林德曼通過(guò)對(duì)流星尾跡的研究發(fā)現(xiàn)，距離地面55千米的大氣溫度會(huì)降低。

材料四：現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，在大氣的最邊緣85千米之上，來(lái)自太陽(yáng)的輻射最先被外側(cè)的大氣吸收而增溫。

【任務(wù)一】閱讀資料，根據(jù)數(shù)據(jù)信息繪制大氣溫度隨高度變化的圖像（見(jiàn)圖2）。

圖2 大氣溫度隨高度垂直變化圖像繪制

高度0～12km，溫度隨高度的增加而降低，其熱量來(lái)自地面輻射。

高度12～55km，溫度隨高度的增加而增加，臭氧層吸收輻射。

高度55～85km，溫度隨高度的增加而降低。

高度85km以上，溫度隨高度的增加而增加，其熱量來(lái)自太陽(yáng)輻射。

【引導(dǎo)】根據(jù)科學(xué)家的研究數(shù)據(jù)，我們得到了大氣溫度垂直分布的模型，這個(gè)模型可以作為大氣分層的重要依據(jù)，請(qǐng)根據(jù)圖像信息完成任務(wù)二。

【任務(wù)二】閱讀課本，根據(jù)大氣溫度垂直分布模型對(duì)大氣進(jìn)行分層（見(jiàn)表1）。

表1 大氣溫度垂直分布表

【設(shè)計(jì)意圖】本環(huán)節(jié)以大氣探索的教學(xué)主題引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式組織教學(xué)內(nèi)容，以科學(xué)建模的思路幫助學(xué)生建立大氣分層概念。學(xué)生通過(guò)閱讀幾則史料，轉(zhuǎn)變前概念，對(duì)大氣溫度的垂直變化產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)；通過(guò)數(shù)據(jù)處理和圖像繪制，形成對(duì)大氣分層的理性認(rèn)識(shí)；通過(guò)了解科學(xué)史，認(rèn)識(shí)到人類對(duì)某一科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展變化的，理解科學(xué)知識(shí)累積性和暫定性特點(diǎn)。

(3)探究對(duì)流，總結(jié)規(guī)律

【思考】科學(xué)家在進(jìn)入平流層以后，發(fā)現(xiàn)平流層的空氣幾乎不存在垂直流動(dòng)的現(xiàn)象，這是否和平流層的逆溫有關(guān)？進(jìn)一步思考，對(duì)流層中對(duì)流運(yùn)動(dòng)和溫度分布之間存在什么規(guī)律？

【探究一】水的對(duì)流實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 水的對(duì)流實(shí)驗(yàn)

步驟一：在裝滿水的對(duì)流管中滴加一滴紅墨水，紅墨水向下擴(kuò)散。

步驟二：迅速用酒精燈加熱對(duì)流管A點(diǎn)位置，紅墨水順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

【探究二】空氣對(duì)流實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4 空氣對(duì)流實(shí)驗(yàn)

步驟一：在U形管A處點(diǎn)燃一根線香，發(fā)現(xiàn)煙從U形管右側(cè)向上冒出。

步驟二：點(diǎn)燃的線香仍放在A處，同時(shí)在B處用酒精燈加熱，發(fā)現(xiàn)煙從U形管左側(cè)向上冒出。

【歸納】總結(jié)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的現(xiàn)象，得出對(duì)流運(yùn)動(dòng)的模型——熱的物質(zhì)（水、空氣）向上運(yùn)動(dòng)，冷的物質(zhì)（水、空氣）向下運(yùn)動(dòng)，從而得到對(duì)流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

【解釋】根據(jù)對(duì)流規(guī)律進(jìn)一步解釋平流層空氣幾乎不存在垂直流動(dòng)的現(xiàn)象。平流層存在逆溫現(xiàn)象，難以發(fā)生對(duì)流。聯(lián)系生活，解釋與對(duì)流運(yùn)動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)象，如家中壁掛式制冷空調(diào)和暖氣片的安裝位置。

【設(shè)計(jì)意圖】本環(huán)節(jié)由科學(xué)家面臨的難題——平流層空氣運(yùn)動(dòng)和逆溫關(guān)系，引出對(duì)流規(guī)律的探究，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)現(xiàn)象出發(fā)思考背后的科學(xué)規(guī)律。水和空氣對(duì)流實(shí)驗(yàn)探究中利用轉(zhuǎn)換思想，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。教師根據(jù)水和空氣對(duì)流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，歸納總結(jié)，幫助學(xué)生建構(gòu)對(duì)流運(yùn)動(dòng)的模型，進(jìn)而應(yīng)用模型解釋平流層無(wú)對(duì)流的現(xiàn)象，并運(yùn)用對(duì)流概念遷移解釋生活中的有關(guān)現(xiàn)象。

(4)追溯歷史，暢想未來(lái)

【總結(jié)】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用熱氣球?qū)Υ髿獾奶剿鞔嬖陲w行高度的極限問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步，人類目前已經(jīng)擁有氣象衛(wèi)星、航天載具等新的手段探索大氣。人類探索大氣的時(shí)間軸如下（見(jiàn)圖5）。雖然研究方法、工具在不斷發(fā)生變化，但是人類對(duì)未知自然的好奇心始終沒(méi)有改變，對(duì)廣闊云端的探索腳步從未停歇。

圖5 大氣探索時(shí)間軸

【設(shè)計(jì)意圖】本環(huán)節(jié)站在大氣探索的時(shí)間軸上，總結(jié)人類探索大氣之旅，幫助學(xué)生感受科學(xué)研究與科技發(fā)展的密切關(guān)系；提煉科學(xué)家的探險(xiǎn)行動(dòng)背后的對(duì)自然的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

四、滲透科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)史教學(xué)實(shí)踐思考

1.聚焦關(guān)鍵事件：科學(xué)史教學(xué)不等于故事敘述

科學(xué)史從時(shí)間維度概述科學(xué)發(fā)展的歷史進(jìn)程，但科學(xué)史教學(xué)不能在時(shí)間線索上平均地堆疊科學(xué)家的故事。在教學(xué)過(guò)程中，教師需要意識(shí)到科學(xué)史中蘊(yùn)含的科學(xué)思維和科學(xué)方法，抓住主要矛盾、聚焦關(guān)鍵事件設(shè)計(jì)教學(xué)情境。

本節(jié)課設(shè)計(jì)的“探索大氣”情境，主要圍繞大氣層中平流層和對(duì)流層的溫度分布研究開(kāi)展，對(duì)其他方面的大氣分層研究歷史進(jìn)行簡(jiǎn)略化的處理。這樣的科學(xué)史融入有效拓展了課堂教學(xué)的寬度，讓學(xué)生切實(shí)感受科學(xué)精神及科學(xué)探索的魅力，也促進(jìn)了學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

2.發(fā)展核心素養(yǎng)：科學(xué)史教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)

發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)是課堂教學(xué)的目標(biāo)指向，所以科學(xué)史教學(xué)必須以落實(shí)核心素養(yǎng)作為教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。這就需要讓科學(xué)思維與科學(xué)史的情境有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

本節(jié)課在大氣分層和對(duì)流運(yùn)動(dòng)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)中，將科學(xué)史和科學(xué)建模思維進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，注重科學(xué)方法的引導(dǎo)，以建模的思維幫助學(xué)生在頭腦中完善相關(guān)概念，培養(yǎng)學(xué)生“以懷疑作審視的出發(fā)點(diǎn)，以邏輯作論辯的武器，以實(shí)證為判斷尺度”的科學(xué)態(tài)度，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。