促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)路徑研究

摘 要：本輪新課程改革已將科學(xué)本質(zhì)納入高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)體系，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)已從理論層面上升到實(shí)踐層面。如何將科學(xué)本質(zhì)融入物理教學(xué)之中，是高中物理教師亟待探索的主題。從“輕重物體誰(shuí)下落得快”這一古老話題入手，將科學(xué)知識(shí)回歸于歷史長(zhǎng)河，顯化教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵，分析傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處，采用針對(duì)性的教學(xué)策略，讓學(xué)生經(jīng)歷不斷更新、不斷完善的建構(gòu)過(guò)程，探索促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)路徑。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)；課程改革；自由落體運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）8-0010-3

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版）》提出以核心素養(yǎng)為課程理念和目標(biāo)，將科學(xué)本質(zhì)作為“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”維度的第一要素，指出要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)［１］?？茖W(xué)本質(zhì)作為科學(xué)教育的重要目標(biāo)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，目前高中物理教師自身的科學(xué)本質(zhì)觀水平普遍不高，在科學(xué)本質(zhì)教學(xué)中缺乏行之有效的策略。本文以人教版（２０１９版）高中物理必修一第二章第４節(jié)“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例，從科學(xué)本質(zhì)視角審視教學(xué)內(nèi)容，綜合運(yùn)用多元教學(xué)策略，以期為科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的開(kāi)展提供參考。

１ 科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深化。目前，有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵仍有爭(zhēng)議，但學(xué)者在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域?qū)茖W(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)基本達(dá)成共識(shí)，廣受認(rèn)可的有萊德曼提出的科學(xué)本質(zhì)八個(gè)方面：科學(xué)知識(shí)的實(shí)證性、科學(xué)知識(shí)的主觀性、區(qū)分觀察和推理、理論與定律具有區(qū)別、科學(xué)方法的多樣性、科學(xué)知識(shí)的創(chuàng)造性、科學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性、科學(xué)受社會(huì)和文化的影響［２］。長(zhǎng)期以來(lái)，眾多學(xué)者一直主張將科學(xué)本質(zhì)融入物理教學(xué)之中。國(guó)際研究表明，科學(xué)本質(zhì)觀具有內(nèi)隱性、深層性等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)黃曉等教授認(rèn)為，促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)需要教師有意識(shí)地以科學(xué)本質(zhì)觀作為教學(xué)目標(biāo)，將其作為一種“認(rèn)知”方面的教學(xué)結(jié)果融入到教學(xué)過(guò)程中［３］。

２ 科學(xué)本質(zhì)視角下的“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)過(guò)程

“自由落體運(yùn)動(dòng)”是高中物理的經(jīng)典內(nèi)容，許多教師從不同角度對(duì)本課進(jìn)行了大量探索。下面從科學(xué)本質(zhì)視角重新審視教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)萊德曼提出的科學(xué)本質(zhì)八個(gè)方面，以“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)過(guò)程為載體，顯化各教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵，分析傳統(tǒng)教學(xué)的不足之處，采用針對(duì)性的教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

２．１ 科學(xué)源于問(wèn)題

２．１．１ 教學(xué)內(nèi)容：亞里士多德的觀點(diǎn)

科學(xué)的萌芽由來(lái)已久，最早可以追溯到古希臘時(shí)期。亞里士多德最早研究落體運(yùn)動(dòng)，他認(rèn)為人類知識(shí)的來(lái)源主要來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)，基于科學(xué)觀察得出觀點(diǎn)：“體積相等的兩個(gè)物體，較重的下落得較快”。

２．１．２ 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

從科學(xué)本質(zhì)視角審視教學(xué)內(nèi)容，亞里士多德的觀點(diǎn)是以反面結(jié)論的形式簡(jiǎn)單呈現(xiàn)在教材之中，加之后面學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)亞里士多德“物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，學(xué)生容易將亞里士多德視為反面典型，不利于形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀。

２．１．３ 教學(xué)策略：以物理學(xué)史為線索

以物理學(xué)史為線索，將亞里士多德的觀點(diǎn)回歸歷史長(zhǎng)河。誠(chéng)然，亞里士多德的理論存在錯(cuò)誤，并被后世偉大的科學(xué)家們進(jìn)行了修正。但是，他是在經(jīng)過(guò)了大量的觀察、細(xì)致的總結(jié)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎己?，提出了在他那個(gè)時(shí)代最能解釋人們?nèi)粘Ｉ钪杏^察到的現(xiàn)象的理論。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合當(dāng)時(shí)的歷史背景正確評(píng)價(jià)亞里士多德的貢獻(xiàn)，正是學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)具有主觀性、科學(xué)受社會(huì)和文化的影響等科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的大好時(shí)機(jī)。通過(guò)該課教學(xué)，應(yīng)該讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到：科學(xué)始于問(wèn)題，亞里士多德最早開(kāi)始對(duì)落體運(yùn)動(dòng)開(kāi)展研究；盡管亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，但他開(kāi)創(chuàng)了通過(guò)觀察認(rèn)識(shí)自然的科學(xué)方法；亞里士多德是古希臘最重要的哲學(xué)家之一，也是物理學(xué)的創(chuàng)始人之一。

２．２ 科學(xué)倚重思維

２．２．１ 教學(xué)內(nèi)容：伽利略的質(zhì)疑和研究

１６世紀(jì)末，伽利略對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，他從邏輯的角度駁斥了亞里士多德的觀點(diǎn)，認(rèn)為“輕、重物體下落一樣快”。伽利略大膽猜想，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推演、沖淡重力、合理外推、完美修正，進(jìn)一步探明了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

２．２．２ 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

從科學(xué)本質(zhì)視角審視教學(xué)內(nèi)容，教材敘述了伽利略通過(guò)邏輯推理的質(zhì)疑過(guò)程，讓學(xué)生充分感受了邏輯的力量，使學(xué)生能更好地理解“區(qū)分觀察和推理”科學(xué)本質(zhì)?？上У氖牵百だ詫?duì)自由落體的研究”內(nèi)容在教材中通過(guò)“科學(xué)漫步”形式呈現(xiàn)，由于老師們更注重教材中正文內(nèi)容的教學(xué)，寄希望通過(guò)學(xué)生自主學(xué)習(xí)領(lǐng)悟其中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)顯然比較困難。

２．２．３ 教學(xué)策略：以思維活動(dòng)為中心

以思維活動(dòng)為中心，重演知識(shí)的發(fā)生過(guò)程。還原伽利略的研究過(guò)程（圖１），展現(xiàn)其科學(xué)方法及巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋找證據(jù)支撐理論的觀點(diǎn)，解釋證據(jù)的有效性、局限性。通過(guò)該課教學(xué)，應(yīng)該讓學(xué)生明白：伽利略不僅得到了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，還開(kāi)辟了一種新的科學(xué)方法——假說(shuō)演繹法，理解科學(xué)方法的多樣性；體會(huì)伽利略的創(chuàng)新、靈感和想象，理解科學(xué)知識(shí)的創(chuàng)造性。

２．３ 科學(xué)貴在探究

２．３．１ 教學(xué)內(nèi)容：自由落體實(shí)驗(yàn)

雖然伽利略意識(shí)到了空氣阻力對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的影響，但由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，直到發(fā)明了抽氣機(jī)，才由“錢羽管實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了驗(yàn)證。１９７１年，大衛(wèi)·斯哥特在月球上做了著名實(shí)驗(yàn)，他一手拿鷹羽，一手拿鋁合金，同時(shí)放手，鷹羽與鋁合金同時(shí)落地，演示了伽利略的猜想。

２．３．２ 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

從科學(xué)本質(zhì)視角審視教學(xué)內(nèi)容，教材中將“錢羽管實(shí)驗(yàn)”作為演示實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)的實(shí)證性。遺憾的是，該實(shí)驗(yàn)隱蔽性強(qiáng)，操作困難且成功率不高。雖然韓伯林等老師就實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)［４］，但視覺(jué)效果依然欠佳。播放的“月球落體實(shí)驗(yàn)”視頻由于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制畫(huà)質(zhì)模糊，同樣無(wú)法取得滿意的教學(xué)效果。

２．３．３ 教學(xué)策略：以實(shí)驗(yàn)變式為手段

以實(shí)驗(yàn)變式為手段，拓展實(shí)驗(yàn)的探索性。建構(gòu)主義認(rèn)為，科學(xué)的本質(zhì)即科學(xué)探究。盡可能為學(xué)生提供一種探究的情境，引導(dǎo)他們通過(guò)不同的角度和方法去認(rèn)識(shí)物理，有助于學(xué)生正確領(lǐng)悟科學(xué)的真諦，提升他們的科學(xué)素養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)探究：碟片與紙片誰(shuí)下落得快？

提供器材：碟片、紙片等材料。

實(shí)驗(yàn)：首先，學(xué)生把碟片和紙片并排放置，碟片自然比紙片下落得快（圖2甲）。

變式１：接著，把碟片壓在紙片上方但不粘牢，碟片和紙片下落得一樣快（圖2乙）。

變式２：然后，將碟片放在紙片下方再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果居然還是下落得一樣快（圖2丙） 。

變式３：最后，把紙片揉成一團(tuán)，紙團(tuán)竟然比碟片下落還快（圖2?。?。

結(jié)論：找到造成“重的物體比輕的下落快”假象的真兇——空氣阻力。

問(wèn)題：如果沒(méi)有空氣阻力誰(shuí)下落得快？

２．４ 科學(xué)有待發(fā)展

２．４．１ 教學(xué)內(nèi)容：現(xiàn)代版“比薩斜塔”實(shí)驗(yàn)

教材中關(guān)于“自由落體運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容以ＳＴＳＥ“從伽利略的一生看科學(xué)與社會(huì)”作為結(jié)尾，然而人類的研究卻從未停止。１９９９年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者朱棣文領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，通過(guò)墜落原子精確測(cè)算出單個(gè)原子所受重力加速度，發(fā)現(xiàn)其與宏觀物體所受重力加速度相同［５］。

２．４．２ 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

現(xiàn)代版“比薩斜塔”實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，隨著新觀察、新思考的深入和技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)知識(shí)不斷被補(bǔ)充或修正，體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性。至此，“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)過(guò)程看似已近“圓滿”。然而，從科學(xué)本質(zhì)視角審視教學(xué)內(nèi)容，上述教學(xué)過(guò)程仍有缺憾?，F(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀認(rèn)為，科學(xué)知識(shí)不過(guò)是科學(xué)家為解決科學(xué)問(wèn)題而提出的嘗試性、探索性的理論假設(shè)，通過(guò)歸納和證實(shí)方式獲得的科學(xué)知識(shí)是不可靠的，是可錯(cuò)的［６］。

２．４．３ 教學(xué)策略：以教學(xué)留白為藝術(shù)

以教學(xué)留白為藝術(shù)，巧妙運(yùn)用“空白效應(yīng)”。給學(xué)生留好“接口”，為后續(xù)學(xué)習(xí)埋下伏筆；給學(xué)生開(kāi)好“窗口”，幫助他們拓寬視野。通過(guò)介紹費(fèi)希巴赫科研小組的研究成果，讓學(xué)生意識(shí)到：科學(xué)的過(guò)程是證偽的過(guò)程，是在尋找錯(cuò)誤的過(guò)程中，不斷逼近真理的過(guò)程，科學(xué)永遠(yuǎn)面臨挑戰(zhàn)。只有讓學(xué)生真正理解了這一點(diǎn)，才能幫助學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)本質(zhì)觀。

新的挑戰(zhàn)：費(fèi)希巴赫科研小組的研究。

費(fèi)希巴赫科研小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上不同物體在真空中的加速度并不相同。推測(cè)其原因，可能是在物體下落時(shí)受到了一種尚不為人知的力所致，許多科學(xué)家在進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)時(shí)也找到了相應(yīng)的證據(jù)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，可能很快將掀起一個(gè)以現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)重新證明伽利略論斷和牛頓定律的高潮。

３ 教學(xué)啟示

回顧整個(gè)教學(xué)過(guò)程，并沒(méi)能將“理論與定律具有區(qū)別”科學(xué)本質(zhì)融入教學(xué)之中，科學(xué)本質(zhì)觀的形成是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，不能期望在一節(jié)課中涵蓋全部科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵并加以體現(xiàn)；梳理每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，只是著重選取科學(xué)本質(zhì)部分方面進(jìn)行凸顯，科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵實(shí)際上并不是孤立的，而是相互交融的，教師要有意識(shí)地挖掘，并將科學(xué)本質(zhì)作為教學(xué)目標(biāo)；分析所用教學(xué)策略，正如科學(xué)沒(méi)有唯一方法，體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)同樣沒(méi)有固定策略，教師要不斷豐富教學(xué)方法并能靈活運(yùn)用。希望通過(guò)本文的實(shí)踐研究，引發(fā)更多教師的關(guān)注，共同探索科學(xué)本質(zhì)教學(xué)路徑。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版）［S］．北京：人民教育出版社，２０１８：１－５.

［２］楊杰，郭玉英．高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的科學(xué)本質(zhì)教育研究［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１９，３９（７）：１１３－１１９.

［３］黃曉．促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解的多元教學(xué)路徑——科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的國(guó)際視角與啟示［Ｊ］．教育科學(xué)研究，２０２３（９）：５２－５９．

［４］韓柏林．錢毛管實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案［Ｊ］．物理教師，２００８，29（６）：２３－２４．

［５］朱棣文完成現(xiàn)代版“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”［Ｊ］．物理通報(bào)，２０００（２）：１５．

［６］袁維新．科學(xué)本質(zhì)理論：基本觀點(diǎn)與范疇［Ｊ］．科學(xué)學(xué)研究，２０１０，２８（６）：８０９－８１５．

（欄目編輯 趙保鋼）