構(gòu)建以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)模式

摘 要：科學(xué)本質(zhì)教學(xué)對于深化學(xué)生對科學(xué)概念的理解至關(guān)重要，能夠培養(yǎng)他們的批判性思維與創(chuàng)新能力。為此，研究細(xì)化孟克-奧斯本融合模式，創(chuàng)建了“融合模式”課堂流程模型，利用思維邏輯圖與史料探索時間線的繪制，通過教學(xué)實踐落實學(xué)科核心素養(yǎng)。以“牛頓第一定律”為例，通過實際教學(xué)問題的思考，結(jié)合該模型進(jìn)行基于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)探索。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)本質(zhì)；融合模式；牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0028-6

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：劉可可（1997-），女，中小學(xué)二級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。

“牛頓第一定律”是高中學(xué)生理解“理想實驗法”的必經(jīng)之路，但實際教學(xué)效果并不完全令人滿意。當(dāng)被問及“理想斜面實驗中伽利略是如何解決摩擦力問題的”，學(xué)生回答：“增大斜面傾角”。可見，學(xué)生并不理解伽利略的思想與物理定律背后的思辨過程。

這些問題引發(fā)了一系列對科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的思考。教學(xué)中如何更好地落實學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任？科學(xué)態(tài)度與責(zé)任又包括了科學(xué)本質(zhì)要素。由此，如何促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，達(dá)成學(xué)科素養(yǎng)培育目標(biāo)，是切實存在的問題。

1 科學(xué)本質(zhì)概念：學(xué)業(yè)水平劃分與范疇

科學(xué)本質(zhì)是指科學(xué)所具有的基本特征，是人們對科學(xué)本質(zhì)屬性的正確認(rèn)識。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中強調(diào)，科學(xué)本質(zhì)是“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的要素之一，其學(xué)業(yè)水平劃分為5個等級：水平1，認(rèn)識到物理學(xué)是對自然現(xiàn)象的描述與解釋；水平2，認(rèn)識到物理學(xué)是基于人類有意識的探究而形成的對自然現(xiàn)象的描述與解釋；水平3，認(rèn)識到物理研究是建立在觀察和實驗基礎(chǔ)上的一項創(chuàng)造性工作；水平4，認(rèn)識到物理研究是一種對自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性的工作；水平5，認(rèn)識到物理學(xué)是人類認(rèn)識自然的方式之一，是不斷發(fā)展的，具有相對持久性和普適性，但同時也存在局限性［1］。可見，學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解水平是可以通過教學(xué)提高的。

關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的范疇，采用袁維新對科學(xué)本質(zhì)范疇進(jìn)行的三個維度劃分：科學(xué)知識、科學(xué)探究、科學(xué)事業(yè)，并給出了具體的指標(biāo)（表1）［2］。

2 “融合模式”課堂流程模型

孟克-奧斯本融合模式由孟克與奧斯本提出，是一個將科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)（History and Phi-losophy of Science）融合到科學(xué)教育中的六階段教學(xué)模型（圖1）［3］。第一階段，教師演示實驗或用實際現(xiàn)象提出問題，激發(fā)學(xué)生的好奇心；第二階段，教師可使用任何有效方法引導(dǎo)學(xué)生解釋現(xiàn)象，并解釋他們的思考過程；第三階段，教師結(jié)合歷史背景引入科學(xué)家們對該現(xiàn)象的不同解釋，可整理簡短時間線；第四階段，學(xué)生思考這些觀點的正確性，設(shè)計實驗來證實或證偽；第五階段，教師講授教科書上的正確理論解釋；第六階段，教師引導(dǎo)學(xué)生思考正確解釋的發(fā)展過程，梳理正確科學(xué)概念的產(chǎn)生過程。

將該模式細(xì)化，設(shè)計出“融合模式”課堂流程模型（圖2）。

3 教學(xué)案例：牛頓第一定律

應(yīng)用“融合模式”課堂流程模型，進(jìn)行牛頓第一定律的教學(xué)探索。試圖在課堂上重現(xiàn)歷史思辨過程，讓學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，還原科學(xué)家們的思維進(jìn)程。

3.1 以“融合模式”課堂流程模型為基礎(chǔ)的教學(xué)流程圖

以“融合模式”課堂流程模型為基礎(chǔ)，設(shè)計教學(xué)流程圖（圖3）。

3.2 主要教學(xué)過程

按照以上教學(xué)流程圖邏輯，進(jìn)行主要教學(xué)過程闡述。

3.2.1 情境引入

教師演示：上下兩小車之間用木板疊放，細(xì)繩拉動下面的小車。

教師：同學(xué)們在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過牛頓第一定律，但知識是隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程螺旋上升的。你能解釋小車的運動，但觀察生活中不同物體的運動，如煙霧曲線上升、汽車沿公路轉(zhuǎn)彎、蒲公英隨風(fēng)飄動、水花迸濺而出……這么多的運動，你又是否能夠用統(tǒng)一的原理全部解釋？

通過學(xué)習(xí)牛頓運動定律，我們就能找到答案。

說明：從演示小車的運動擴展至世間萬物的運動，創(chuàng)設(shè)情境，引出課題——世間萬物的運動遵循著一個統(tǒng)一的原理。激發(fā)學(xué)生的求知欲，為后續(xù)教學(xué)作鋪墊。

3.2.2 新課教學(xué)

過程1：亞里士多德所處的時代背景、觀察法與運動觀。

教師：人類很早就嘗試統(tǒng)一解釋萬物的運動。從古希臘到牛頓力學(xué)建立的過程中，最早留下思想痕跡的是亞里士多德。他是如何解釋物體運動的？

學(xué)生：力是維持物體運動的原因。

教師：是的，但歷史的發(fā)展并沒有這么直接。

教師：亞里士多德生活在古希臘時期，這是一個哲學(xué)、科學(xué)和藝術(shù)高度發(fā)展的時期。這個時代，人們對于自然界的好奇心和探索精神十分強烈，這促使了包括物理學(xué)在內(nèi)的多個學(xué)科的發(fā)展。宗教和神話仍然在社會生活中占據(jù)重要地位，柏拉圖的理想主義哲學(xué)自然也影響了亞里士多德對自然現(xiàn)象的解釋。

在這些因素影響之下，亞里士多德把運動分為兩大類：自然運動和強制運動（圖4）。

自然運動是指每種元素都有其自然的、靜止的狀態(tài)和位置。例如，土元素的自然狀態(tài)是靜止于宇宙中心，而火元素自然上升。世間萬物的元素屬性不同，所以它們的運動不同。強制運動是指當(dāng)物體被迫以不同于其自然狀態(tài)的方式移動時，需要一個外部的力來維持這種運動。一旦外力停止作用，物體就會返回其自然狀態(tài)。

亞里士多德認(rèn)為物體的最初狀態(tài)是靜止的，力是維持物體運動的原因。當(dāng)時亞歷山大大帝的征服活動擴大了希臘文化的影響范圍，也為亞里士多德的學(xué)說提供了更廣泛的傳播空間。因此，他的思想延續(xù)了兩千多年，被奉為真理。為什么亞里士多德會這樣認(rèn)為？

學(xué)生：靠生活經(jīng)驗。這和人們觀察到的現(xiàn)象相符。

說明：學(xué)生理解亞里士多德的歷史背景與思想來源，有助于更好地扭轉(zhuǎn)前概念——物體總是由靜止開始運動的。

過程2：亞里士多德的謬誤。

教師演示：手推書本，不推不動，手推書動。因此，亞里士多德認(rèn)為物體運動需要力來維持。請舉實例或用實驗反駁。

學(xué)生：手快速用力推書本，手離開后書本依然運動。物體運動不需要力來維持。

教師：對此，亞里士多德是這樣解釋的：自然界厭惡真空，書走過的地方變成了真空，需要空氣來填補。因此，是空氣給書一個力，推著書繼續(xù)運動。請反駁亞里士多德。

學(xué)生：是什么推著空氣動的？

教師：亞里士多德無法解釋空氣的運動原因，他的思想內(nèi)部是相悖的。

說明：以兩個實驗中同一物體的運動卻有不同結(jié)論的認(rèn)知沖突，引出伽利略的思想與實驗。

過程3：伽利略所處的時代背景。

教師：伽利略是17世紀(jì)初的意大利科學(xué)家，17世紀(jì)是科學(xué)革命的開始，是文藝復(fù)興時期，也是一個哲學(xué)、科學(xué)和藝術(shù)高度發(fā)展的時期。人文主義思潮鼓勵了對古典文獻(xiàn)的研究，伽利略受到了古希臘哲學(xué)家的啟發(fā)，特別是對亞里士多德物理學(xué)的批判。意大利城邦的經(jīng)濟繁榮為藝術(shù)和科學(xué)的發(fā)展提供了資金支持，同時技術(shù)上的進(jìn)步（如望遠(yuǎn)鏡）以及比薩和帕多瓦大學(xué)的教育改革等因素，都對伽利略的研究產(chǎn)生了影響。

教師：可見，是時代造就了這些物理史上璀璨星光般的科學(xué)家。

過程4：伽利略的理想實驗法與運動觀。

教師：人們開始重視實證觀察和個人創(chuàng)造力。伽利略看出了亞里士多德思想的矛盾，設(shè)法重新解釋力與運動的關(guān)系。他通過實驗嘗試推翻兩千多年的權(quán)威思想，這是需要勇氣的。

教師：首先，請同學(xué)們和伽利略一樣，觀察物體在不同斜面上的運動。

學(xué)生：球沿斜面向下滾動，速度變大；沿斜面向上滾動，速度減小?？梢院侠硗茰y出球沿水平面運動，速度不變。但是，實際上水平運動的球因為摩擦力作用還是會靜止。

教師：于是，伽利略大膽假設(shè)“光滑水平面上，不受力的物體會一直勻速運動下去”。當(dāng)時他已經(jīng)利用斜面研究過勻加速運動，于是他選擇繼續(xù)用斜面來設(shè)計實驗證明自己的假設(shè)。他的經(jīng)典實驗——理想斜面實驗開始了。

教師：他把兩個斜面對接，發(fā)現(xiàn)小球沿左邊斜面滾下，一定會滾上右邊斜面。但首先他得想辦法解決摩擦力的問題。實際中摩擦無法完全消失，于是他通過觀察摩擦逐漸減小的實驗現(xiàn)象，來合理推測沒有摩擦力的理想情況。可以怎樣設(shè)計實驗？

學(xué)生設(shè)計并進(jìn)行實驗：把兩個斜面對接，在斜面鋪上不同材料，觀察小球從左邊斜面同一位置滾下，到達(dá)右邊斜面的高度情況。

學(xué)生：斜面越光滑，小球到達(dá)的高度越高，越接近釋放的初始高度。合理推理，如果斜面完全光滑，小球就會到達(dá)原高度。

教師：你們也開始像伽利略一樣合理推測了。伽利略成功解決了摩擦力的問題后，他逐漸減小右邊斜面的傾角，使斜面逐步接近水平面，觀察小球的運動情況。由此合理推測小球在水平面上的運動情況。同學(xué)們重復(fù)伽利略的實驗步驟，有什么現(xiàn)象？

學(xué)生：斜面傾角減小，球必須走更遠(yuǎn)的距離才能回到原高度。

教師：于是，伽利略提出“如果有一個無限長的光滑斜面，可以無限減小傾角，球要滾多遠(yuǎn)才會到達(dá)原來的高度”。

學(xué)生：小球需要回到原高度才會停止，但它永遠(yuǎn)到不了原高度。推理得出“沒有外力作用下，水平面上的小球會保持原速度一直勻速運動”。

教師：此時，伽利略已經(jīng)初步有了慣性的觀念。請同學(xué)們分組討論，嘗試畫出伽利略的思維邏輯流程圖。

學(xué)生討論后畫圖（圖5）。

教師：伽利略所處的時代條件不夠，無法實際驗證推理結(jié)果，但現(xiàn)在我們可以做到了。

教師演示：滑塊放在裝有光電門的已調(diào)平通氣氣墊導(dǎo)軌上，給滑塊一個初速度，滑塊近似做勻速直線運動。

教師：相較于亞里士多德，伽利略的進(jìn)步之處是對于運動的基本假設(shè)。他開始考慮物體初始的狀態(tài)是運動著的，而非必須由靜止開始。他通過什么手段逐步推翻亞里士多德的思想？

學(xué)生：觀察、實驗、邏輯推理。

教師：伽利略很偉大，他把實驗帶進(jìn)了物理研究。完全光滑只是理想情況，實際生活中是不存在的。亞里士多德沒有慣性思想，因為他想象不到?jīng)]有摩擦的世界——他所有的思想都是來自生活經(jīng)驗。一個“摩擦力”阻礙了物理學(xué)發(fā)展近2000年，直到伽利略時代到來。伽利略的思想開辟了后人觀察宇宙的新視野。所以，我們在生活與科研中都不能只看表面現(xiàn)象下結(jié)論。

教師：伽利略的理想斜面實驗是一個典型的理想實驗。理想實驗是一種經(jīng)典的物理研究方法，以可靠事實為基礎(chǔ)，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維來揭示自然規(guī)律。它是人們合理外推，實際上無法做到的實驗。但它并不是脫離實際的主觀臆想，而是以真實的科學(xué)實踐為基礎(chǔ)，作出更深入的抽象分析。

教師：伽利略的理想斜面實驗，基于的可靠事實是什么？忽略的次要因素是什么？

學(xué)生（思考討論交流）：可靠事實是：①小球沿左邊斜面滾下，一定會滾上右邊斜面；②斜面越光滑，小球從左邊斜面同一位置滾下，在右邊斜面上升的高度越接近原高度。忽略的次要因素是摩擦力，即小球由靜止釋放后，將在右邊斜面上升到初始高度。

說明：以物理學(xué)史開展新課，讓學(xué)生梳理理想實驗思維邏輯流程圖，重走伽利略的思想過程。通過不斷進(jìn)階的實驗逐漸跨步到思想層面的合理外推。給學(xué)生進(jìn)行理想實驗的思想滲透，培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析能力、物理思維能力和科學(xué)研究的態(tài)度。

過程5：伽利略的謬誤與笛卡爾的修正。

教師：沒有人是完美的，伽利略也犯了錯誤。他認(rèn)為圓周運動也是物體慣性使然。笛卡爾糾正了這一點，將慣性作為一種理論提了出來，在運動方向上進(jìn)行了完善：物體處在運動之中，如無其他力作用，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運動。

說明：講述科學(xué)不斷被修正進(jìn)步的過程。

過程6：笛卡爾的謬誤與牛頓的歸納總結(jié)——牛頓第一定律。

教師：但笛卡爾把一切歸因于上帝的安排，沒能用統(tǒng)一的原理來解釋力和運動。直到牛頓歸納總結(jié)前人思想，構(gòu)建了完備統(tǒng)一的力學(xué)體系。他在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中明確了慣性概念，提出牛頓第一定律，又稱慣性定律，表述為“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”。

教師：牛頓第一定律的內(nèi)涵是在說明物體不受力時，會保持原有的方向和速度大小繼續(xù)運動，不會發(fā)生變化。

學(xué)生：物體具有慣性，有保持原有運動狀態(tài)的性質(zhì)。

教師：何時物體的運動狀態(tài)不得不變化？

學(xué)生：物體受力時才會改變運動狀態(tài)。力是改變物體運動狀態(tài)的原因。

教師：牛頓第一定律其實是推理得出的結(jié)果。為什么這么說？

學(xué)生：不受力的物體是不存在的。但所受合力為零的物體存在，與不受力的物體具有同樣的受力效果。

說明：學(xué)生理解牛頓第一定律的內(nèi)涵與外延，明確牛頓的進(jìn)步之處是在前人的理論基礎(chǔ)上構(gòu)建了完備統(tǒng)一的力學(xué)體系，通過歸納總結(jié)提出了宏觀的運動定律。

過程7：學(xué)生畫出對力與運動關(guān)系探索的發(fā)展時間線。

教師：同學(xué)們了解了牛頓第一定律提出的物理學(xué)史。請分組討論，畫出對力與運動關(guān)系探索的發(fā)展時間線。

學(xué)生討論后畫圖（圖6）。

過程8：深入思考慣性概念與實際問題解決。

教師：書放桌上靜止。手推書，書動，撤去力，書又慢慢停下來。這個過程中書在哪些時候具有慣性？

學(xué)生：一直都具有，慣性是物體的性質(zhì)。

教師：請深入思考。書的運動狀態(tài)在改變，沒有維持原來的速度。憑什么說書具有慣性？這個問題我們留作課后思考題。提示同學(xué)們，書的速度可以突變嗎？從這個點切入，深入思考慣性概念。

教師：請用牛頓第一定律來解釋不同物體的運動。煙霧曲線上升、汽車沿公路轉(zhuǎn)彎、蒲公英隨風(fēng)飄動、水花迸濺而出……物體為什么會有這些運動？

學(xué)生：煙霧顆粒受到重力和空氣對它的力，汽車受到發(fā)動機的動力與地面摩擦力，蒲公英受到風(fēng)力作用，水滴受到彈力與重力……所以它們在改變運動狀態(tài)。

說明：幫助學(xué)生加深對慣性的理解，將理論應(yīng)用于實際。

4 結(jié) 論

在物理教學(xué)領(lǐng)域，“融合模式”課堂流程模型對深化科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)具有顯著的促進(jìn)作用。該模型強調(diào)對科學(xué)家思維過程的重視，以及科學(xué)知識不斷演進(jìn)和修正的動態(tài)特性。通過繪制精心設(shè)計的邏輯圖和時間圖，不僅向?qū)W生傳授科學(xué)知識，更在思維層面進(jìn)行滲透，引導(dǎo)學(xué)生深入探討科學(xué)本質(zhì)，包括科學(xué)與社會的互動與科學(xué)知識的多維屬性：認(rèn)識性、局限性、主觀性和創(chuàng)造性等。這種教學(xué)策略為學(xué)生提供了一個全面而深入的科學(xué)理解框架，是實現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)教育目標(biāo)的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

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［4］胡軒閣，王云霞.從“元素的地球”到“預(yù)設(shè)的地球”——試論哥白尼對亞里士多德地球理論的革新［J］.自然辯證法研究，2022，38（3）：89-94.

（欄目編輯 劉 榮）