田春鳳

包頭師范學院物理科學與技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 040130

物理學科核心素養(yǎng)是立德樹人教育根本任務在物理課程中的集中體現(xiàn)，應在課程設計和實施中充分落實物理學科核心素養(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教學不利于學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，應重視單元教學的研究，特別是基于大概念、大思路、大情境和大問題的單元教學。

伴隨著物理學科核心素養(yǎng)的提出，科學本質(zhì)也以顯性的方式進入了高中物理課程與教學之中。從某種意義來講，物理教育的根本目標就在于提升學生的科學本質(zhì)認識，樹立正確的科學觀，從而形成良好的科學態(tài)度與社會責任感，落實立德樹人的根本任務。當前科學本質(zhì)教育已取得了相當豐富的研究成果，大多從科學知識的本質(zhì)、科學探究的本質(zhì)和科學事業(yè)的本質(zhì)三個維度闡釋科學本質(zhì)的含義，并提出了包括科學史和科學探究等很多切實可行的教學策略。

立足當代科學本質(zhì)觀，以三個維度為切入點，從知識的結(jié)構(gòu)、知識的建立途徑、知識的應用等幾個方面對單元內(nèi)容進行深入分析，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，以此整合教學內(nèi)容，整體設計單元教學思路，開發(fā)學生互動活動，實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)的課程目標。以高中物理選擇性必修一“光現(xiàn)象及其應用”為例，從科學本質(zhì)教育視角對單元教學進行探討，以期對物理單元教學及核心素養(yǎng)目標的落實提供有益的借鑒。

1 立足知識結(jié)構(gòu)，促進物理觀念的達成

1.1 教學內(nèi)容分析

科學首先就是科學的世界觀，當代科學本質(zhì)觀認為，科學是人們對自然界的描述和解釋，在尋求解釋的過程中，必須以觀察和實驗為基礎，并依賴于經(jīng)驗事實的檢驗，但是科學知識并非外在物質(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；科學知識具有穩(wěn)定性和持久性，但未來也可能改變，并不斷發(fā)展和進步［1］。

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

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）在“光現(xiàn)象及其應用”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，構(gòu)成了單元知識的明線。《標準》還在光的偏振中提出“知道光是橫波”的要求，并在教學提示中進一步明確要求：“通過光的干涉、衍射等現(xiàn)象來論證光具有波動性，增強學生的證據(jù)意識，提升科學論證能力……了解波動的特征，為深入學習和研究電磁波打好基礎。”［2］此外，在學業(yè)要求中也指出：“知道光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象及其應用，認識光的波動性，知道光是橫波。”因此，光本性的認識是本單元的重要內(nèi)容，構(gòu)成了單元知識的暗線。

1.2 光單元的知識結(jié)構(gòu)

基于以上分析，本單元的知識結(jié)構(gòu)如圖1所示，明暗兩線相互融合、相互促進。一方面，在初中幾何光學基礎上進一步拓展對光現(xiàn)象的認識，學習并認識光的折射定律和全反射現(xiàn)象；另一方面，以機械波知識為基礎，通過光的干涉和衍射現(xiàn)象認識光的波動性，再通過偏振現(xiàn)象知道光是橫波，從而建立起光的波動學基本觀念；而激光的安排，為后續(xù)拓展對光波動性的認識做好了鋪墊。光單元的知識結(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)了科學知識的若干本質(zhì)特征，如建構(gòu)性、實證性、暫定性、解釋與預測功能等。

圖1 光單元的知識結(jié)構(gòu)圖

1.3 問題串貫穿，促進深度學習

充分考慮物理學科的特點和學生的認知規(guī)律，以學生已有知識為基礎，將光本性的論證作為單元教學的主線，變暗為明，以光現(xiàn)象的認識為輔助，精心設計問題串，引導學生基于證據(jù)展開論證。不僅可以幫助他們認識光的折射、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)展他們對光本性的認識，認識光的波動性，知道光是橫波，提升他們的科學論證能力和邏輯思維能力。以此為基礎，最終實現(xiàn)他們關(guān)于運動和相互作用觀念、科學本質(zhì)認識和物理學科核心素養(yǎng)的全面提升。具體設計如圖2所示。

圖2 光單元的問題設計

2 豐富知識建立途徑，促進能力提升

2.1 知識建立途徑分析

科學探究是科學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，問題、證據(jù)、解釋、交流與評估構(gòu)成了科學探究的全過程，但并不存在標準的或固定的研究步驟或程序?？茖W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］。

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

《標準》和教材非常重視觀察、實驗和探究。《標準》明確提出，通過實驗認識光的折射定律和激光，通過觀察認識光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。教材也大多設計觀察、實驗和探究活動來形成光現(xiàn)象的認識和建立光學定律。此外，《標準》和教材都非常重視科學論證活動，例如，教材在波動光學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)進行解釋，從而引導學生逐步深化對光的波動性的認識，提升他們的科學論證能力。

2.2 過程與方法結(jié)構(gòu)

基于科學探究本質(zhì)的認識，以及對光單元知識建立途徑的分析，依據(jù)物理學的學科邏輯及學生的認知特點，光單元知識的建立，就是基于證據(jù)進行解釋的不斷嘗試的過程，開展論證式教學有利于實現(xiàn)理論與實驗的相互促進。因此，應以光本性的論證為主線，將學生對光現(xiàn)象的探究與對光本性的論證有機結(jié)合（圖3），二者相輔相成，豐富知識建立的途徑，不斷推進學生對光現(xiàn)象與光本性的認識，不斷提升學生的科學探究能力、科學論證能力。

圖3 光單元過程與方法結(jié)構(gòu)

2.3 多樣化的教學，全面提升能力

以論證為主線創(chuàng)設情境，以觀察和實驗作為證據(jù)支撐，不斷深化對光現(xiàn)象及其本性的認識，從而完成光學知識的建構(gòu)。在教學中，應注重開發(fā)和設計多樣化的教學方式，體現(xiàn)不同的知識建立途徑及研究中的主觀性和創(chuàng)造性，更好地幫助學生建構(gòu)知識，提升能力，拓展對科學本質(zhì)的認識。

首先，基于知識間的內(nèi)在邏輯提出問題，借助觀察和實驗，引導探究逐步深入（圖2）。例如，光的全反射教學中，引導學生觀察光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，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，則可以讓學生通過實驗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，在學生學完光的干涉后，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)學生對光波動性的進一步確認，進而引導學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，最后通過實驗演示認識光的衍射現(xiàn)象。

其次，豐富探究的教學模式，適當開展融合歷史的探究、體現(xiàn)論證的探究等多種形式。例如，對于光的折射定律的教學，在已有的光的折射現(xiàn)象的基礎上，引導學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，將歷史探究與學生探究結(jié)合進行，體現(xiàn)研究方法的多樣性。又如，對于光的干涉教學，可以創(chuàng)設歷史情境，提出光是粒子還是波的問題；進而猜想光是一種波，并提出如何觀察光的干涉現(xiàn)象的核心問題；引導學生在已有的機械波基礎上，自主進行實驗設計，在遇到困難時給出托馬斯·楊的雙縫干涉實驗，才能讓學生更好地體會該實驗的巧妙之處，感悟物理學實驗之美和科學研究的創(chuàng)造性；最后，演示光的雙縫干涉實驗，獲得光的干涉圖樣，并進一步分析光的干涉的產(chǎn)生條件及其特征。

3 踐行STEM理念，項目化設計知識的應用

3.1 知識應用分析

科學是社會及文化傳統(tǒng)的一部分，科學既是科學家的一項事業(yè)，也是全社會的一項事業(yè)，與人類社會的發(fā)展密切相關(guān)，科學與社會的作用是相互的，科學利用技術(shù)造福社會，但盲目或不當運用科學也會產(chǎn)生不良后果，科學與技術(shù)存在差異，二者具有相互作用。因此，認識科學、技術(shù)、社會、環(huán)境的相互關(guān)系是科學事業(yè)本質(zhì)的重要方面，知識的應用教學是認識這一復雜關(guān)系的重要途徑和方式。

光現(xiàn)象與人的生活息息相關(guān)，在實際生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用。課程標準對光現(xiàn)象的應用提出了明確的要求，具體包括：會測量材料的折射率；初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應用；知道其（光的干涉、衍射和偏振）在生產(chǎn)生活中的應用。會用雙縫干涉實驗測量光的波長；能舉例說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應用?？梢姡獾膽梅秶鷱V，類型豐富，能很好地體現(xiàn)科學與技術(shù)、科學與社會、科學與工程的聯(lián)系，使學生了解物理知識在生產(chǎn)生活中的應用，體會物理學的價值，從而更好地認識科學事業(yè)的諸多本質(zhì)特點。

3.2 項目驅(qū)動，形成科學態(tài)度與責任

知識應用的教學（或稱問題解決教學）不僅可以深化學生對物理知識的理解，提升物理觀念，而且可以提高他們分析和解決問題的能力，鍛煉科學思維，促進良好的科學態(tài)度和社會責任感的養(yǎng)成，從而全面提升他們的學科核心素養(yǎng)。為了實現(xiàn)上述目標，光現(xiàn)象的應用教學不能一味地敘述式介紹與講解，而應以問題解決教學、STS教育或STEM教育等理論為指導整體設計單元知識應用，開發(fā)能促進學生深度思維的學習活動。據(jù)此，可設計如表1所示的STEM項目。

表1 光現(xiàn)象及應用的項目化設計

4 總結(jié)與反思

單元教學的核心素養(yǎng)教育價值備受物理教育研究者和一線教師的重視，但物理單元教學的現(xiàn)狀卻不容樂觀，存在著很多問題與不足。針對“光現(xiàn)象及其應用”單元，站在科學觀的高度，以科學本質(zhì)的三個維度為切入點，從知識的結(jié)構(gòu)、知識的建立途徑和知識的應用等幾個方面進行全方位分析，挖掘其物理學科核心素養(yǎng)的教育價值，進而考慮物理學科特點與學生的知識與經(jīng)驗基礎，以HPS教育、STS教育和STEM教育等理論為指導，從光本性的認識、光學規(guī)律的探究、光現(xiàn)象的應用，即知識線、探究線和應用線三條線索設計單元教學思路，開發(fā)和設計促進學生深度學習的互動活動，落實學科核心素養(yǎng)的目標。

綜上所述，以當代科學本質(zhì)觀為指導，結(jié)合單元內(nèi)容特點，從多維度、全方位進行分析，確定單元教學目標，設計貫穿整個單元的線索，開發(fā)有意義的學習活動，將物理現(xiàn)象的探究、物理觀念的建構(gòu)有機融合，更好地實現(xiàn)單元教學的核心素養(yǎng)教育價值。