科學方法顯性教育在單元教學設計中的實踐

劉暄 田成良

摘 要：科學方法是獲取知識和應用知識的重要手段，對其進行顯性教育是發(fā)展學生思維的有效途徑.單元教學有效地打破了單一知識點間的壁壘，使知識結構化，有利于學生用結構化的知識解決真實問題.以“氣體實驗定律”單元教學設計為例，對科學方法的顯化和應用過程進行了闡述.研究案例為推進科學方法顯性教育的可行性提供了實證支撐，也為提升學生認知層次和發(fā)展學科核心素養(yǎng)提供了實踐參考.

關鍵詞：科學方法;單元教學設計;認知層次;學習進階;顯性教育

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0027-04

基金項目：北京市教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度青年專項課題“基于‘物理高端備課理論促進青年教師形成專業(yè)學習共同體的實踐研究”（項目編號：CCFA18146）.

作者簡介：劉暄（1986-），女，北京人，本科，中學一級教師，研究方向：高中物理教學與實踐;

田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學特級教師，碩士生導師，物理教研員，研究方向：物理科學方法教育、物理過程教學.

1 問題緣起

隨著新一輪基礎課程改革的逐步深入，科學方法教育越來越受到關注.科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出來的確定的思維程序和行為方式，是人們認識和改造自然的有效工具[1].《普通高中物理課程標準（2017年版）》將科學方法與物理知識置于同等重要的地位，明確指出“‘科學思維是基于經(jīng)驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用”[2]，這也為我們旗幟鮮明地推行科學方法顯性教育奠定了堅實的基礎.物理科學方法教育主要包含思維方法、物理方法和科學方法觀三部分[3].其中，思維方法是指人腦直接參與加工和處理信息的方法，例如抽象、概括、分析、綜合、推理、演繹等，彰顯了邏輯的力量.物理方法又可按照知識獲得過程和知識應用過程分為兩類，如控制變量法、理想化模型法、正交分解法等，蘊含了物理學科的特點.科學方法觀重在強調人們對科學方法的認識，對于提升科學素養(yǎng)起著至關重要的作用.

單元教學設計是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要途徑[4]，在進行物理單元教學設計時應關注大觀念、大項目、大任務與大問題的設計[5].傳統(tǒng)的“知識中心”的教育理念過于關注科學知識在物理教學中的地位，然而，在學生機械記憶了大量的基礎知識后，能力的發(fā)展并沒有像預期的那般得以迅猛提升，碎片化的思維反而阻礙了學生的創(chuàng)造性活動.為了扭轉這一困局，我們倡導以科學方法的顯化和應用為主線貫穿整個單元教學設計，打破單一知識點間的壁壘，引領學生整體感知所學內容，使知識結構化，并利用結構化的知識解決真實問題.

有鑒于此，我們提出以“科學方法中心論”替換“科學知識中心論”，在進行單元教學設計時，把科學方法作為課程核心內容之一，明確其重點、難點、教學目標、操作步驟等，使學生在同化和順應知識的過程中有法可依，有跡可循，將科學方法的顯性教育作為發(fā)展學生思維的有效途徑.本文以“氣體實驗定律”單元為例，對科學方法的顯化過程進行了一些梳理，以期有所裨益.

2 單元設計教學實踐

2.1 設計篇

首先，將人教版中“氣體的等溫變化、等壓變化和等容變化”等相關章節(jié)分解為“氣體實驗定律”“氣體實驗定律的圖像及微觀解釋”“理想氣體狀態(tài)方程”三個課時作為一個教學單元.根據(jù)“獲得物理概念、規(guī)律的‘四步驟”進行了如下的課時安排（如圖1），其中前三步是知識（規(guī)律）的獲得過程，最后的規(guī)律應用則是學科核心素養(yǎng)發(fā)展的最終落腳點，每一節(jié)的教學設計均按照以下四步驟來進行.

獲得物理概念、規(guī)律的四步驟（主線）：

單元中涉及的6個學生活動任務以科學方法的顯化和應用串接起來.其中，前兩課時主要遵循了實驗歸納法的教學邏輯，第三課時則顯化了演繹推理法.這兩種方法是高中物理規(guī)律教學中常用的科學方法，均屬于強認知方法，可以通過傳授的方式幫助學生獲得.而隱藏在物理方法背后的“歸納”和“演繹”兩種思維方法，屬于弱認知方法，只能通過訓練的途徑讓學生感悟和體會.當然，為了順利完成學習任務，促使大量的科學知識在學生頭腦中形成一個層次清晰、邏輯嚴密的網(wǎng)絡體系，只采用一種科學方法是遠遠不夠的.一個完整的教學設計往往包含了多種科學方法的顯化過程，例如，在實驗歸納法進行到第二步，采用圖像法處理數(shù)據(jù)時，適時地選用化曲為直法、外推法和轉換法等，為物理規(guī)律（數(shù)學表達式）的得出提供了助力.由此可見，多種科學方法縱橫交錯、協(xié)同工作，確保了教學流程的順暢推進和課堂效率的穩(wěn)步提升.

2.2 實施篇

有了整體的教學設計規(guī)劃，在分課時的設計中可以采用問題鏈的形式推進科學方法的顯化過程.以第一課時為例，利用抽氣罐完成情境創(chuàng)設后，設置6個核心問題引導學生深度思考.

問題1：若想研究三個狀態(tài)參量（p、V、T）中任意兩個物理量之間的關系，我們應該采用什么樣的科學方法？（控制變量法，同時建立三個理想化的過程模型——理想化模型法）

問題2：通過對3組數(shù)據(jù)的分析，我們能夠得到什么樣的定性結論？（利用傳感器采集多組更精確的數(shù)據(jù)，進行定量研究）

問題3：我們用什么方法來處理多組數(shù)據(jù)？（計算法或圖像法）

問題4：這看上去像是一個什么函數(shù)圖像？追問：這一定說明p與V成反比嗎？會不會是p與V2成反比？或者是p與V成反比？

問題5：我們如何證明p與V成反比？（化曲為直法）

問題6：這是一條直線，但它是正比例函數(shù)圖像嗎？問題出在了哪里？（誤差分析）

就這樣，活動任務（1）用環(huán)環(huán)相扣的問題鏈將“實驗歸納法”的操作步驟及多種科學方法清晰地展現(xiàn)在眼前，使學生在處理后續(xù)物理問題時有章可循.

俗話說“授人以魚，不如授人以漁”，傳授物理科學方法的精髓在于腳踏實地，講練結合，即教師在顯化了某一科學方法后，還要帶著學生進行實操演練.在接下來的活動任務（2）中，學生們進行分組實驗，同樣按照“收集數(shù)據(jù)—圖像法（處理數(shù)據(jù)）—數(shù)學表達式”的“三步走”步驟親身體驗實驗歸納法的操作流程.當然，在學生利用圖像法處理數(shù)據(jù)遇到困難時，教師應適時地顯化“外推法”和“轉換法”，幫助學生順利完成“由攝氏溫度轉變?yōu)闊崃W溫度”的難點突破.在得到等容變化和等壓變化對應的物理規(guī)律后，還要對科學方法的使用條件和所得結論的適用范圍做必要的詮釋說明，即“氣體實驗定律的研究對象是壓強不太大、溫度不太低時的一定質量氣體，為了保證氣體的性質，在橫軸0K附近的數(shù)據(jù)是無法取得的，用虛線表示”.所以，這里的“外推”并不表示查理定律的適用范圍的拓展，只是為了引入新的溫標.

科學方法顯性教育絕非一朝一夕之功，需要教師根據(jù)學生的特點制定一個長期的計劃，在教學過程中分層傳授、反復訓練.基于此，第二課時伊始，仍然側重實驗歸納法和控制變量法的綜合應用，通過挖掘圖像隱含的狀態(tài)與過程信息，鍛煉學生的逆向思維能力.而三種圖像（p-V圖、p-T圖、V-T圖）之間的相互轉換，意在啟發(fā)學生從多個角度審視檢驗結論，進而發(fā)展思維的靈活性.在學生熟練掌握兩種科學方法后，再將研究視角逐步從宏觀引入到微觀，帶領學生體會理想化模型法不僅能夠建立過程模型，也能建構對象模型，同時運用“分析、推理、抽象、概括”等思維方法解決實際問題.這樣的設計促進了學生的認知過程從“記憶”層級邁向“理解”和“應用”層級.

鑒于高二學生的認知水平大多處于具體運算階段，選用“數(shù)據(jù)驅動”的認知路徑較為相宜，故前兩課時的重點聚焦在以分析數(shù)據(jù)、概括規(guī)律為主的實驗歸納法上.隨著學生認知水平的不斷提升，知識難度的逐級遞增，相應科學方法的選取也要有所調整.第三課時是單元教學的拓展升華課時，重在引導學生體會從一般到個別的邏輯推理過程，這恰恰與演繹推理法的教學邏輯相契合.演繹推理法是高中階段建立物理規(guī)律、拓展知識應用時常用的科學方法之一，適宜遵循“概念驅動”的認知路徑，與較高級的形式運算階段認知水平相匹配.學生在“大前提—小前提—結論”三段教學邏輯的指引下，恰當?shù)剡\用控制變量法便可獨立地從氣體實驗定律推導出理想氣體狀態(tài)方程，再加上一些數(shù)學技巧的應用，就會得出新的適用范圍廣、操作更簡潔的物理規(guī)律.理想氣體系統(tǒng)狀態(tài)方程[6]就是這樣應運而生的，經(jīng)過嚴密的數(shù)學推導，在原有的理想氣體狀態(tài)方程前加上求和符號“Σ”，其適用范圍便由單一系統(tǒng)拓展到多態(tài)系統(tǒng)，這樣的推廣使學生在面臨諸如“He-Ne激光管的制造原理”“潛水艇的上浮原理”“輸液瓶（兩瓶）的工作原理”等問題時豁然開朗，即使遇到難度較大的競賽試題（如圖2，解釋兩瓶相連的輸液瓶的工作原理）也能迎刃而解.由此可見，一個簡單“Σ”的引入不僅成為了第三課時的點睛之筆，更促使學生打破了原有的思維定勢，閃現(xiàn)出“創(chuàng)造”的智慧火花，完成了單元教學的科學思維進階任務.

就這樣，6個活動任務按照科學方法的教學脈絡，一步步地完成了從教師主導到學生主體，從實驗驗證到實驗探究，從單一系統(tǒng)到多態(tài)系統(tǒng)的科學方法進階.值得注意的是，學生沿著科學方法的認知路徑拾級而上，在獲取知識的過程中并未產(chǎn)生“難以望其項背”之感，反而激發(fā)出更多的學習熱情，并開始主動關注和解釋身邊的熱學現(xiàn)象.例如，圖3是在大型購物中心的景觀池里拍攝的照片，學生運用抽氣罐的工作原理開發(fā)了小實驗，并對其成因給出了合理的解釋.暑假中，學生還針對自選的課題進行研究，以小論文的形式呈現(xiàn)交流.這些鮮活的實例，充分說明科學方法顯性教育獲得了良好的教學效果.

3 啟示和展望

3.1 方法顯化——統(tǒng)領單元教學

從科學教育的實踐來看，獲取科學知識的過程可以表示為：科學現(xiàn)象—科學方法—科學知識;應用科學知識的過程可以表示為：科學知識—科學方法—延伸與應用[7].由此可見，科學方法是聯(lián)結現(xiàn)象、知識和規(guī)律應用的紐帶，處于核心地位.在進行單元教學設計時，應按照科學方法的邏輯安排教學進程，并結合學生的認知特點，選擇合適的認識路徑.在設計實施的過程中，不斷訓練、強化思維方法，反復傳授、實踐物理方法，使學生有意識地運用科學方法獲取科學知識，從而真正領略知識規(guī)律的內涵和外延.

3.2 問題引導——提升科學思維

以學生的現(xiàn)有認知水平作為教學起點，采用問題鏈形式引領整個單元設計，以問題代陳述，以主動思考替代被動接受，既可以為學生思維發(fā)展的可視化提供支持，促發(fā)學生深度學習，又可以推動學生的認知結構向更高階的形式運算階段邁進，為創(chuàng)新思維萌芽的產(chǎn)生奠定基礎.

3.3 學以致用——檢驗教學成果

單元教學設計中適時地引入原始物理問題，有助于激發(fā)學生的學習興趣，也可測查學生應用科學方法解決實際問題的能力.因為科學方法的掌握，離不開探索和發(fā)現(xiàn)，只有在教學過程中不斷地將原始物理問題拋給學生，讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的經(jīng)驗，形成把情境與知識相關聯(lián)的意識和能力，才能完成從經(jīng)驗性常識向物理概念、物理規(guī)律的轉變，進而樹立正確的科學態(tài)度與責任，發(fā)展學科核心素養(yǎng).

對于“科學的本質是什么”這一問題，諾貝爾物理學獎獲得者費恩曼教授曾直抒己見，“科學是一種方法，它教導人們：一些事物是如何被了解的，不了解的還有些什么，對于了解的，現(xiàn)在又了解到什么程度，如何對待疑問和不確定性，依據(jù)的法則是什么，如何思考問題并作出判斷”[8].由此可見，要想培養(yǎng)學生像科學家一樣思考，樹立正確的科學方法觀，就要勇于打破科學知識中心論的桎梏，努力提升科學方法在教學中的主導地位.當然，雖然推動科學方法顯性教育迫在眉睫，但教育理念的轉變并非一蹴而就，需要廣大教師不斷實踐、修正，以豐碩的研究成果來豐富和拓展這一理論，讓科學方法的顯性教育成為引領教師成長的“新常態(tài)”.

參考文獻：

[1]邢紅軍，陳清梅.從知識中心到方法中心：科學教育理論的重要轉變[J].首都師范大學學報（自然科學版），2011，32（06）：20-26.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]李正福，李春密，邢紅軍.從隱性到顯性：物理科學方法教育方式的重要變革[J].課程·教材·教法，2010，30（12）：71-74.

[4]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統(tǒng)領物理單元教學設計[J].中學物理，2020，38（05）：2-7.

[5]崔允漷.學科核心素養(yǎng)呼喚大單元教學設計[J].上海教育科研，2019（04） ： 1.

[6]邢紅軍.論理想氣體狀態(tài)方程的教學[J].中學物理教學參考，1999，28（07）：5-8.

[7]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學技術出版社，2014.

[8]約翰·格里賓，瑪麗·格里賓著.江向東譯.迷人的科學風采——費恩曼傳[M].上海：上海科技教育出版社，1999.

（收稿日期：2021-08-10）