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

        2023-02-19 01:36:26田春鳳
        物理教學探討 2023年1期
        關(guān)鍵詞:物理科學素養(yǎng)

        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。

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