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        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

        2024-11-08 00:00:00劉可可張敏玥
        物理教學(xué)探討 2024年10期

        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”??梢姡瑢W(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(qiáng)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(yùn)動,但觀察生活中不同物體的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動定律,我們就能找到答案。

        說明:從演示小車的運(yùn)動擴(kuò)展至世間萬物的運(yùn)動,創(chuàng)設(shè)情境,引出課題——世間萬物的運(yùn)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(yùn)動觀。

        教師:人類很早就嘗試統(tǒng)一解釋萬物的運(yùn)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(yùn)動的?

        學(xué)生:力是維持物體運(yùn)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(qiáng)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(yùn)動分為兩大類:自然運(yùn)動和強(qiáng)制運(yùn)動(圖4)。

        自然運(yùn)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(yùn)動不同。強(qiáng)制運(yùn)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(yùn)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(yùn)動的原因。當(dāng)時亞歷山大大帝的征服活動擴(kuò)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動。物體運(yùn)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(bǔ)。因此,是空氣給書一個力,推著書繼續(xù)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動,速度不變。但是,實際上水平運(yùn)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(yùn)動下去”。當(dāng)時他已經(jīng)利用斜面研究過勻加速運(yùn)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??梢栽鯓釉O(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(yùn)動情況。由此合理推測小球在水平面上的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動。

        教師:相較于亞里士多德,伽利略的進(jìn)步之處是對于運(yùn)動的基本假設(shè)。他開始考慮物體初始的狀態(tài)是運(yùn)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(yùn)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(yùn)動方向上進(jìn)行了完善:物體處在運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動,不會發(fā)生變化。

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

        教師:何時物體的運(yùn)動狀態(tài)不得不變化?

        學(xué)生:物體受力時才會改變運(yùn)動狀態(tài)。力是改變物體運(yùn)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(yùn)動定律。

        過程7:學(xué)生畫出對力與運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(qiáng)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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        (欄目編輯 劉 榮)

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