基于科學(xué)本質(zhì)教育的物理科學(xué)史教學(xué)

尤飛鵬

摘 ? 要：本文以“單擺”這節(jié)的科學(xué)史教學(xué)為例，探索科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)策略，指出科學(xué)史教學(xué)是滲透科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的重要素材，實(shí)現(xiàn)核心素教學(xué)落地的重要途徑。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)教育 ?科學(xué)史教學(xué) ?教學(xué)策略

1 ?科學(xué)本質(zhì)教育的內(nèi)涵

“如何在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解？”是科學(xué)教育界關(guān)注的核心問題。科學(xué)教育應(yīng)努力體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)已成為國(guó)際科學(xué)課程改革的趨勢(shì)。美國(guó)的《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)“科學(xué)的歷史和科學(xué)本質(zhì)”的教育提出了明確要求，并指出科學(xué)是格物致知的一個(gè)重要途徑。美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)發(fā)表的《面向全體美國(guó)人的科學(xué)》則從科學(xué)所看到的世界、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè) 3 個(gè)領(lǐng)域?qū)茖W(xué)的本質(zhì)進(jìn)行了闡述：科學(xué)是一個(gè)開放的知識(shí)體系，不是絕對(duì)的真理;科學(xué)重視探究，以實(shí)證為判斷準(zhǔn)繩;科學(xué)是一系列思維方式，需要合乎邏輯的推理;科學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)活動(dòng)，與技術(shù)與社會(huì)相互作用[ 1 ]。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)課程改革的不斷深化，“提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”作為科學(xué)課程的核心理念正被廣泛教育者所接受。理解科學(xué)本質(zhì)已成為提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容，《普通高中物理學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）指出：高中物理課程是自然科學(xué)領(lǐng)域的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程不僅要學(xué)會(huì)用物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然，獲得諸如力學(xué)、熱學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等物理學(xué)知識(shí)，還要通過物理學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)以及重視科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境（STSE）的聯(lián)系[ 2 ]。因此，在高中物理教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)教育是一線教師進(jìn)行教學(xué)改革的新課題。

現(xiàn)教科書中“單擺的計(jì)算公式”是荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出來的，這公式的提出離不開幾十年幾代科學(xué)家的不斷探索。其間，有基于自然觀察的邏輯與想象，有基于技術(shù)運(yùn)用的科學(xué)觀察與推斷，有基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的審辨與建?！，F(xiàn)以“單擺”一節(jié)為例，談?wù)勅绾卧诟咧形锢砜茖W(xué)史教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)教育。

2 ?基于科學(xué)本質(zhì)教育的科學(xué)史教學(xué)案例分析

2.1 ?通過觀察事實(shí)，抽象科學(xué)模型

科學(xué)揉合了邏輯與想象，但教材中碎片式的科學(xué)史事實(shí)無法幫助學(xué)生獲取準(zhǔn)確信息，形成嚴(yán)密的邏輯思維和科學(xué)體系。教師需要圍繞“單擺模型”構(gòu)建的核心問題，梳理相關(guān)科學(xué)史中的科學(xué)事實(shí)。核心問題是單擺的構(gòu)造和特點(diǎn)、單擺振動(dòng)特征（單擺振動(dòng)是不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？）并引導(dǎo)學(xué)生利用已有的事實(shí)進(jìn)行抽象歸納單擺的科學(xué)模型。

針對(duì)“單擺的構(gòu)造和特點(diǎn)”，教師選擇了“意大利著名的物理學(xué)家伽利略在教堂觀察燈的擺動(dòng)并沉浸在思索中的情況、1600年伽利略做了單擺的相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)及1602年伽利略做了弦定律的相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)并提出了著名的弦定律”的史實(shí)資料。在這過程，引導(dǎo)學(xué)生觀察單擺的理想模型，推論模型的構(gòu)造和特點(diǎn)，并解釋推論的理由。學(xué)生在觀察事實(shí)，抽象科學(xué)模型的過程中，理解和認(rèn)同了“科學(xué)知識(shí)依賴于觀察與證據(jù)”“科學(xué)知識(shí)不僅僅靠推論，還需要對(duì)推論進(jìn)行解釋”“解釋自然現(xiàn)象有著多種的探究方法”。

針對(duì)“單擺振動(dòng)特征（單擺振動(dòng)是不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？）”，教師首先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生基于事實(shí)提出猜想。學(xué)生提出“實(shí)驗(yàn)所繪制的圖象為正弦函數(shù)圖象”，可判斷“單擺的振動(dòng)屬于簡(jiǎn)諧振動(dòng)”。學(xué)生認(rèn)為只有現(xiàn)象不足以說明問題，還應(yīng)從理論去推導(dǎo)“單擺的回復(fù)力是否滿足F=-ks？”當(dāng)θ≤5°時(shí)，單擺的振動(dòng)可近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)單擺振動(dòng)。教師提供了“傅科在巴黎的萬神殿用長(zhǎng)67米的單擺演示周期超過16s”的史實(shí)資料。學(xué)生從中理解單擺振動(dòng)特征會(huì)受到擺長(zhǎng)等因素的影響。學(xué)生認(rèn)識(shí)到“科學(xué)知識(shí)并不是一成不變的”“科學(xué)是隨著人們認(rèn)識(shí)程度的深化而不斷修正”“不同科學(xué)家由于自身生活經(jīng)驗(yàn)的不同，利用的實(shí)驗(yàn)工具不同，對(duì)同一問題有著不同的觀點(diǎn)”。

2.2 ?通過探究實(shí)驗(yàn)，理解科學(xué)規(guī)律

在教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究問題與解決方案，體驗(yàn)“像科學(xué)家一樣探究”的過程，在活動(dòng)中去理解科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵。探究活動(dòng)過程，教師應(yīng)該提供必要的知識(shí)與方法的支持，但更多是留給學(xué)生足夠的時(shí)間和空間，引導(dǎo)學(xué)生合作學(xué)習(xí)，大膽質(zhì)疑。

本節(jié)課設(shè)計(jì)了1個(gè)實(shí)驗(yàn)探究。“單擺周期與擺長(zhǎng)之間有什么樣的定量關(guān)系呢？”

教師提首先供“惠更斯”的史實(shí)資料，讓學(xué)生了解單擺周期的發(fā)現(xiàn)過程。教師演示“教材P15圖11.4-4”相關(guān)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生猜想“單擺的振幅、質(zhì)量、擺長(zhǎng)對(duì)周期各有什么影響？”學(xué)生通過觀察并比較兩個(gè)單擺在不同的條件下的周期大小，從而理解“單擺振動(dòng)的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，在振幅較小時(shí)與振幅無關(guān)，但與擺長(zhǎng)有關(guān)，擺長(zhǎng)越長(zhǎng)，周期也越長(zhǎng)?！?/p>

引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教材15頁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量探究“不同擺長(zhǎng)的單擺的周期”，測(cè)量一定的擺長(zhǎng)下單擺的周期，記錄擺長(zhǎng)與周期的數(shù)據(jù)，改變擺長(zhǎng)，測(cè)定周期，重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn)得到幾組數(shù)據(jù)，填入設(shè)計(jì)的表格中。引導(dǎo)學(xué)生利用“幾何畫板”描點(diǎn)制成曲線。將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，將圖調(diào)成函數(shù)，可得出周期T與擺長(zhǎng)L的開方圖象完全擬合，即T∝■。

學(xué)生通過探究，理解了科學(xué)規(guī)律“單擺的周期T與擺長(zhǎng)的L的二次方根成正比，與重力加速度g，的二次方根成反比，而與振幅、擺球質(zhì)量無關(guān)。同時(shí)感悟到“科學(xué)需要多學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備，科學(xué)研究需要多元的科學(xué)方法”“科學(xué)重視證據(jù)”“科學(xué)是需要進(jìn)行解釋并預(yù)測(cè)的”“科學(xué)是隨著人們認(rèn)識(shí)程度的深化而不斷修正”等科學(xué)本質(zhì)。

2.3 ?通過遷移情境，實(shí)現(xiàn)科學(xué)解釋

科學(xué)本質(zhì)的教育要關(guān)注學(xué)生的價(jià)值判斷，應(yīng)在教學(xué)中借助更多的情境材料分析，讓學(xué)生將掌握的科學(xué)規(guī)律，用于解釋社會(huì)生活現(xiàn)象[ 3 ]。在新的情境中應(yīng)用科學(xué)規(guī)律，可以幫助學(xué)生更多地理解規(guī)律。教師在引導(dǎo)學(xué)生歸納單擺的周期公式，還設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)“怎樣利用單擺測(cè)出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?？?/p>

學(xué)生制單擺、測(cè)擺長(zhǎng)、測(cè)周期，將數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算重力加速度。更換擺長(zhǎng)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后求重力加速度的平均值。

實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，深刻理解單擺周期公式。

3 ?基于科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)啟示

3.1 ?科學(xué)史是滲透科學(xué)本質(zhì)教育的重要素材

物理科學(xué)史是科學(xué)家探索自然的歷程，是一個(gè)在繼承中不斷驗(yàn)證，修正和完善發(fā)展的過程。對(duì)于物理科學(xué)而言，任何一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和概念的形成，都離不開一個(gè)個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，離不開合乎邏輯的推斷，離不批判質(zhì)疑的科學(xué)精神。例如，經(jīng)典力學(xué)的局限、靜電現(xiàn)象的解釋、單擺。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識(shí)的相關(guān)科學(xué)史時(shí)，必然形成了“科學(xué)研究依賴于技術(shù)的進(jìn)步”“科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風(fēng)順的，往往在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗(yàn)證，修正和完善發(fā)展的”“科學(xué)學(xué)說不是一成不變的”等科學(xué)本質(zhì)的知識(shí)。

3.2 ?科學(xué)本質(zhì)教育是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑

學(xué)生在學(xué)習(xí)行星的運(yùn)動(dòng)、經(jīng)典力學(xué)的局限及單擺的相關(guān)科學(xué)史過程，能多維度認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的同時(shí)，也逐步形成了物質(zhì)觀念、能量觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。當(dāng)學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡，體驗(yàn)建構(gòu)模型“天體運(yùn)行的軌跡是橢圓”、探究單擺中“引力常量的實(shí)驗(yàn)”、“探究不同單擺的周期特性”時(shí)，提升了科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，也學(xué)會(huì)了基于問題、證據(jù)、解釋、交流等的探究方法。這此過程，學(xué)生還學(xué)習(xí)了科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為人類社會(huì)作貢獻(xiàn)的理想信念。

綜上所述，科學(xué)史教學(xué)滲透著科學(xué)本質(zhì)教育，教會(huì)學(xué)生“以懷疑作審視的出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)證為判斷尺度，以邏輯作論辯的武器”的科學(xué)觀點(diǎn)，是落實(shí)物理學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的必然選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì).面向全體美國(guó)人科學(xué)[M]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)譯. 北京：科學(xué)普及出版社，2001.

[2]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，2017.

[3]黃曉.“歷史—探究—反思”——談“單擺”的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（43）：40-45.