構建“主線浸潤”教學模式 培養科學本質和態度核心素養*

黃國龍

(寧波市鎮海中學 浙江 寧波 315200)

1 “主線浸潤”教學模式構建

科學本質和科學態度是物理核心素養重要組成部分，在內容上呈現人文化和觀念化.傳統教學中，教師常通過講述的方式滲透科學本質和態度的內容，缺乏根據科學本質和態度內容及物理課程資源特點構建實施針對性的教學模式，從而使科學本質和科學態度教學碎片化、淺表化.筆者認為，可以通過構建實施“主線浸潤”教學模式來系統、深度培養科學本質和態度核心素養[1].

“主線浸潤”教學模式教學流程框圖如圖1所示，其特點是以人文教育思想為指導，在精選物理探究典型課程資源基礎上，梳理構建物理科學探究過程主線脈絡，系統滲透科學本質和態度核心素養內容，讓學生“浸潤”在科學探究過程之中，通過教師的分析講解和學生的思考討論、提練總結，學生像“海棉”一樣吸收科學探究過程中科學本質和態度內容，從而實現系統、深度培養科學本質和態度核心素養的目標.

圖1 “主線浸潤”教學模式教學流程框圖

2 “主線浸潤”教學模式實施策略分析

2.1 精選物理探究典型課程資源

可以精選教材中滲透豐富科學本質和態度核心素養內容的課例資源(例如，伽利略對自由落體運動研究、行星運動、經典力學適用范圍、劃時代發現等)，也可以通過拓展方式精選一些物理學重大發現的課程資源(例如，電磁理論的提出和發展、能量守恒定律建立等)，充分利用這些典型課程資源來豐富“主線浸潤”教學資源.

2.2 梳理構建物理科學探究過程主線脈絡

教材課程資源中包含科學本質和態度內容往往以離散和隱性的方式呈現，教師應遵循科學探究邏輯和歷史相統一原則，梳理構建課程資源中科學探究過程主線脈絡，從而會聚和濃縮科學本質和態度內容，提高學生浸潤吸收探究主線上科學本質和態度的效率.科學探究主線脈絡一般是某一物理規律探究過程的模式，往往由發現提出問題、提出科學猜想、科學論證(包括實驗驗證和理論論證)、總結規律和推廣完善等多個重要環節以不同變式組成.

2.3 精選和分析探究主線環節課程資源 滲透培養科學本質和態度核心素養

精選探究主線環節課程資源既要尊重科學探究的邏輯與歷史，同時也要考慮到學生認知水平和當前的教學實際，拋棄一些次要的、難度較大的資源，突出一些重要的資源；既要展示歷史上科學探究過程，也要運用當今科技和教學技術，增強學生的感性認識；既要展示科學家探究過程，也要考慮教師和學生的探究參與過程，增強學生的體驗活動.要通過具體案例分析滲透具體科學本質和態度核心素養內容，做到核心素養培養有效實施，落地生根.

2.4 分析整合 總結提煉科學本質和態度核心素養

通過科學探究主線各個環節科學本質和態度的浸潤滲透，具體科學本質和態度核心素養得到有效浸潤式培養.在此基礎上，根據科學本質和態度一般性內容結合各環節具體分化體現，引導學生思考討論和進行分析整合，以列表方式顯性總結提煉科學本質和態度核心素養，從而實現科學本質和態度核心素養培養目標.

3 “主線浸潤”教學模式實施案例分析

3.1 精選“行星運動”科學探究課程資源

“行星運動”不僅反映了人類探索自然的一種革命式的認知發現模式，而且包含了豐富的科學本質和態度物理核心素養內容.因而，選擇教材中“行星運動”作為科學探究案例資源來實施“主線浸潤”教學模式，能有效地培養科學本質和態度核心素養.

3.2 梳理構建 “行星運動”科學探究主線脈絡

根據行星運動規律探究歷史結合物理教學實際，突出重大探究環節，梳理構建如圖2所示科學探究主線脈絡.

圖2 “行星運動”科學探究主線脈絡

3.3 精選主線環節課程資源 滲透培養科學本質和態度核心素養

教師對教材和相關物理學史材料進行分析處理，精選“行星運動”科學探究主線各環節課程資源，運用多種教學策略在探究主線環節中滲透培養具體科學本質和態度核心素養.

(1) 在質疑批判地心說環節中滲透培養科學思想和科學精神核心素養

1)揭示地心說與天文觀察矛盾，滲透求實的科學精神.哥白尼與老師第谷通過天文觀察以及文獻閱讀，發現托勒密地心說不能精準測定回歸年(即太陽連續兩次經過黃道的春分點所經歷時間)和地球的緯度以及黃道的傾角.哥白尼針對地心說與天文觀察矛盾，深刻認識到這一矛盾決定了地心說終究要被新的天文學理論代替，這是科學的求實精神的具體體現.進一步向學生滲透：求實精神是科學精神價值最基本的構成要素，一切稱為科學的東西，都必須接受實踐的嚴格檢驗，都必須接受理性的無情審查.

2)展示地心說的繁復性，滲透多種科學思想.地心說在解釋行星不規則運動(如圖3所示)遇到的困難，提出了如圖4所示的本輪、均輪、偏心輪三位一體的均勻圓周運動模型，但這種模型比較復雜.哥白尼在和諧、簡潔、統一、對稱和實在科學思想指導下，認為行星重復運動不能用本輪、均輪、偏心輪這種強制性外因來解析，它們應該是自然界本身統一、和諧、整體運動結果，并把揭示隱藏在行星不規則運動背后的原因作為一個重大探究課題，體現了科學思想指導著哥白尼進行天文學革命.

圖3 地心說

圖4 本輪、均輪、偏心輪三位一體的均勻圓周運動模型

3)介紹文藝復興思想，滲透懷疑和創新的科學精神.文藝復興時期，以文藝復興為標志的資產階級思想解放運動方興未艾，宗教神學、經院哲學開始受到嚴厲批判.這些思想解放的社會背景直接影響了天文學研究的思想解放，增強了哥白尼的探究勇氣，使他的懷疑和創新精神得到極大增益，提升了他與地心說決裂的決心，充分發揮了懷疑和創新精神對科學革命的重要作用，也是科學拒絕權威、科學講究證據這一科學探究本質的具體體現.

(2) 在提出日心說模型環節中，滲透培養科學本質和態度核心素養

在提出日心說環節中，滲透多種科學方法、科學理性精神、探究動機、探究意志等核心素養.

1)運用類比和歸納方法揭示視運動與實際運動區別.哥白尼受到地面上直線視運動與實際運動不同(例如，當船離港運動時，船上人感覺陸地和城市后退運動了，實際上是船相對陸地運動)啟發，運用歸納方法得出物體視運動與實際運動的區別.再運用類比方法，把天體圓周運動與地面上直線相對運動進行類比，認識到地球繞日運動與太陽繞地運動在視運動上的等效性，只是相對運動方向相反，邁出日心說關鍵一步，突破了提出日心說的難點，突顯出類比科學方法在科學創新中的重要作用.

2)運用試探法構建日心說模型.哥白尼的目標是要建立一個和諧、簡單、統一的宇宙體系，尋求最為和諧的球體幾何學.在這一科學探究動機支配下，雖然探究日心說模型過程中遇到很多困難，但強烈的探究熱情、頑強的探究意志驅使著哥白尼運用試探方法，嘗試不同的天體中心，最后在1515年建立太陽中心宇宙模型，通過發現地球繞日運動旁證行星的繞日運動，使天文學理論框架發生根本變化，充分體現了科學探究動機和頑強意志品質的重要作用.

3)運用類比和悖論方法反駁批判地心說謬論.日心說解釋太陽東升西落原因是地球的自轉.地心說支持者對地球自轉進行如下質疑：假若地球自轉做圓周運動，則從地球表面豎直向上跳起人落地時將偏離原來位置；假若地球自轉，則將產生抵消內聚力的離心力，地球上物體將被拋散，以致把九重天毀掉，這些都表明地球是靜止的.針對地心說上述質疑，哥白尼運用類比和悖論方法反駁批判地心說的上述謬論.

運用類比方法反駁：運動船上的人相對船豎直向上起跳，還會落到船上原來起跳位置.在轉動的地球表面上的人豎直起跳時也應和運動船上的人相似，下落時會回到地面上原來位置.

運用悖論方法反駁：假若由于轉動產生離心力使地球上物體拋離，則按地心說行星和太陽圍繞地球做圓周運動，將產生更大離心力，從而使行星和太陽遠離地球，行星和太陽圍繞地球轉動速度更大，由此循環往復推出天穹大小和速度變成無限大的錯誤結論.

(3)在解釋行星不規則運動環節中滲透培養科學方法和科學探究核心素養

向學生指出新的理論不僅要解釋舊理論能解釋的現象，而且也要解釋舊理論不能解釋的現象.為了檢驗日心說假設的正確性，哥白尼以嶄新的日心說為初始原理，運用假設演繹法結合數學方法(幾何分析方法)，通過演繹推理來論證日心說假設.向學生指出假設演繹法是自然科學發現的有力武器，常用于研究物質運動規律，是一種重要的科學方法，從而滲透和培養科學方法核心素養.

如圖5所示，哥白尼運用幾何分析法把復雜的行星視運動等效為地球和行星繞日圓周運動組合，解釋行星的不規則運動現象.充分發揮了數學幾何方法在檢驗假設、增加假設正確性中的重要作用，體現了科學是邏輯和想象力結合這一科學探究本質.

圖5 哥白尼幾何方法解釋行星的不規則運動示意圖

(4)構建日心說宇宙模型環節中滲透培養科學方法和科學精神核心素養

在用日心說解釋行星不規則運動基礎上，哥白尼在理性的科學精神(科學理論都必須接受理性無情的審查和批判，理性方法保證了科學的合理性，有助于破除迷信)，自覺運用模型方法，進一步綜合日心說假設和觀察事實，按照自然界的物理實在建立關于天體位置序列的宇宙模型，用理性來解釋天文現象.

1)科學簡潔確定行星位置.在觀察行星繞日運動與地球會合周期的基礎上，哥白尼根據日心說結合行星繞日周期與軌道半徑單調性關系，通過邏輯推理確定了各行星和太陽之間的距離，構建了和諧、簡潔、對稱、相互制約的太陽系模型.它反映了人對自然認識的一次飛躍，是人類科學思想史上的一次偉大革命.

2)簡潔確定地球內軌道行星位置.地心說解釋一些奇特天文現象時需要附加一些繁復約束條件，完善后的太陽系模型在解釋一些奇特天文現象時可以從模型本身直接簡潔得出.

(5) 質疑批判哥白尼宇宙模型環節中滲透培養科學態度和科學精神核心素養

雖然哥白尼宇宙模型獲得一定成功，但是面對一些復雜的天體現象和精準的天文觀察數據，還存在一些問題，遇到一些困難，從而引起開普勒等天文學家的質疑和批判.應充分挖掘這個探究環節中科學家的科學智慧，來滲透培養科學本質和態度核心素養.

1)哥白尼宇宙模型與新天文觀察數據矛盾.首先，介紹行星繞日勻速圓周運動模型無法解釋觀察到太陽冬天在黃道帶上速度比例增加以及位置的偏差(即行星離太陽近時速度大，離太陽遠時速度小).其次，介紹第谷20多年內曠日持久辛勤觀察積累天文學豐富而翔實的資料，對行星角位置的測量中誤差竟沒有超過半分.從中滲透第谷對科學執著追求的探究動力和嚴謹細致的科學態度.指出開普勒發現第谷觀察數據與運用勻速圓周運動模型計算火星軌道有8′差異.

2)質疑批判哥白尼宇宙模型，提出新的探究課題.開普勒沒有放棄理論計算與觀察結果相差8′這一差異，堅信第谷觀察數據的正確性，充分尊重觀察事實，對勻速圓周運動模型提出質疑，并把創新哥白尼宇宙模型作為新的探究課題，從而走上了改革天文學道路.體現了開普勒對自然規律存在深摯的信仰，這也使其產生強大的科學探究動力和嚴謹的科學態度，也體現了求實的科學精神和創新精神.

(6)探究行星第一、第二運動規律環節中滲透培養科學本質和科學態度核心素養

1)充分發揮科學精神，放棄圓周運動模型.開普勒正視哥白尼圓周運動模型與新的天文觀察的矛盾，發揮求實和質疑創新的科學精神， 放棄了勻速圓周運動模型，探索行星新的實際運動軌道.

2)對自然規律存在的深摯信仰，激發強大探究創新動力.促使開普勒產生強大探究動力的因素是他對自然規律存在的深摯信仰(自然界是神秘的，也是和諧的、有規律的，自然界物質運動規律是可以認識的，理論能夠把握它們)，充分體現了開普勒對科學本質的高度認知和具有自覺的理性精神.

3)執著的追求、科學方法的靈活運用，得出行星運動第一、二定律.探究新的行星運動模型是艱辛和曲折的，遇到的困難也是難以想象的.但開普勒對新的行星運動規律的執著追求，使他具有頑強的探究意志，靈活運用科學方法.首先嘗試猜測行星運動數學模型，然后運用“試錯推理法”對運動模型進行試驗性推理，最后根據經驗事實排除錯誤，一直找到正確為止.堅持運用19次偏心圓進行試驗猜測和試錯探究失敗后，直到1609年嘗試運用橢圓數學模型才獲得成功.強大的科學探究動機和頑強的意志品格以及對科學方法的正確運用，體現了開普勒具備優秀科學家應有的良好的科學本質和科學態度核心素養.

(7)探究行星運動第三定律環節中滲透培養科學方法和科學態度核心素養

探究第三定律要比第一和第二定律更為艱難，要向學生展示探究背后隱含的科學思想、科學方法、科學精神.

1)介紹開普勒對自然規律存在的信仰，滲透培養理性的科學精神.開普勒時代，人們沒有確信自然界受規律支配的、規律可以被人們認知發現的.在第谷觀察行星軌道半徑和運動周期的基礎上，開普勒確信行星運動半徑和周期存在某種內在聯系，具有規律性.繼續進行不懈的探索，充分發揮了理性精神的重大作用.

(8)探究主線其他科學本質和態度核心素養滲透及培養

1)滲透培養合作分享的科學態度和繼承與創新的精神.行星運動規律經歷托勒密→哥白尼→第谷→開普勒等幾代天文學家不懈的探究，集中了不同時期科學家集體的智慧.第谷和開普勒師徒的合作(第谷是一位卓越的天文觀察家，開普勒是一位偉大的數理天才)是科學史優勢互補、珠聯璧合合作共享科學態度的典范.哥白尼繼承了托勒密體系圓周運動合理內容，否定了地心說模型；開普勒繼承了哥白尼行星繞日運動模型，否定圓周軌道，創新提出橢圓軌道.這是科學創新意識和創新精神表現.

2)滲透培養科學價值核心素養.滲透精神價值：哥白尼創立日心宇宙模型的影響是極為深遠的，它是人類認識宇宙的一個劃時代的里程碑，第一次把理性的科學之光帶給人類，使自然科學從神學統治中解放出來，揭開了近代科學革命的序幕，從此以后產生一系列的偉大的科學革命.滲透文化價值：開普勒天體運動三大定律提供了太陽系極為簡單的秩序井然的圖景，為哥白尼宇宙體系奠定了堅實的基礎，并帶來萬有引力定律發現和天體力學的產生和發展.滲透方法價值：從理性角度，運用類比方法突破揭示天體視運動與實際運動區別；把假設演繹和數學方法結合起來運用定量方法探究行星運動.運用模型方法整體把握天體運動，建立簡潔和諧的宇宙體系.

3.4 總結提煉探究主線科學本質和態度核心素養

根據科學本質和態度的一般性，分析整合探究主線各中環節科學本質和態度具體內容，總結提煉如表1所示科學本質和態度核心素養內容，使科學本質和科學態度核心素養得到顯性的滲透培養.

表1 科學本質和態度核心素養內容