科學本質視域下的單元教學設計模式探索
——以“牛頓運動定律”單元為例

莊浩麗 李 崢 梁志成 謝翠婷

（1.廣州市執信中學，廣東 廣州 510003；2.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

科學本質是科學素養的重要組成部分，發展學生對科學本質的理解已成為全球科學教育改革的核心主張，2017年版高中物理課程標準也首次明確了科學本質的教育要求.［1］課標中強調“引領學生正確認識科學的本質”是高中物理課程的性質和目標之一，提出“通過物理學習認識科學本質”的教學建議，注重“學生在認識科學本質、形成科學態度和社會責任感方面的發展水平”的評價.因此，如何在課堂中落實科學本質教育，提升學生的科學素養，是新課程、新教材對物理教學的新要求.

但調查表明，近年來，師生的科學本質觀發展仍不平衡，許多方面都低于理性水平.［2］究其原因，既有科學本質觀念本身較難直接內化成學生意識形態的認知困難，也有教師在進行科學本質觀教育時的缺失.實證研究表明，培育學生的科學本質觀念是一項長期的、復雜的、且系統性的教學工程，并不僅僅體現在某一章節的某一課時.［3］而這個過程又要求教師對科學本質有著深刻的理解，需要教師能夠敏銳地深挖教材中的科學本質素材，了解有效的科學本質教學策略，以及長遠地、合理地規劃教學內容.

而筆者在關于高中物理教材的科學本質表征研究中發現，教材中蘊藏大量科學本質的不同方面，但在教材中分布不均衡，且表征方式以隱性為主.［4］這在一定程度上使得科學本質教育教學內容分布零散、線索不明晰，導致無法長期有效地發展科學本質觀念.

為此，深挖教材中的科學本質素材，以“單元”為科學本質教育的教學基元，規劃設計科學本質的單元教學內容，選擇恰當的教學策略，是落實新課程新教材理念的新嘗試，是提升學生科學本質觀念的突破口.

1 科學本質與科學本質教學

1.1 科學本質

盡管哲學家、社會科學家、歷史學家以及科學教育家和科學家對科學本質（Nature of Science，NOS）的內涵仍持有不同的觀點，但大體而言，一類是以美國科學促進協會（AAAS）為代表的廣義的科學本質內涵，全面地涵蓋了科學的本質，即“科學知識的本質”“科學探究的本質”和“科學事業的本質”.另一類是以Lederman、Abd-El-Khalick等人為代表的狹義科學本質內涵，主張科學作為一種認識方式，是科學知識及其發展所固有的價值和信念，簡而言之更注重科學知識本身是怎么來的.［3］通過文獻梳理，以下三大維度涉及科學本質的11個方面，在基礎教育領域已基本達成共識（如表1所示）.

表1 科學本質具體內涵

續表

1.2 科學本質教學

目前，國際上廣為采用的科學本質的教學策略主要有隱性（implicit）教學法和明示—反思性（explicit-reflective）教學法.［3］隱性教學法認為學生可以在一些科學學習活動中自行領悟對科學本質的認識，將提升科學本質觀作為參與科學活動的附帶效果.而明示—反思性教學法雖然也同樣會結合科學探究或融合物理學史來開展科學學習活動，但這是經過教師有意設計的關于科學本質的教學活動，并將提升科學本質觀作為課程目標，更重要的是在教學中會提供機會讓學生從不同的角度討論關于科學本質的不同方面.

大量實證研究表明，明示—反思性教學法通過“明示科學本質教學目標”，討論“反思科學本質相關問題”，從認知層面認識科學的本質，再反作用于科學探究活動中的行為層或正確認識科學史的發展歷程，從而能夠有效地提升師生的科學本質觀念.［2］因此，本文的科學本質教學策略如圖1所示，在隱性教學法的基礎上，結合明示—反思性教學法，是進行科學本質教學的有效策略.

圖1 提升NOS觀念的有效策略——顯隱性教學法

2 科學本質視域下的單元教學設計

從目前的研究成果來看，并不缺乏針對某一具體章節內容來設計關于科學本質的教學，［5，6］但是缺乏系統地、長遠地進行科學本質教育教學的規劃設計.如何從整體化有序地設計關于科學本質的單元教學？馬蘭教授提出的“整體化有序設計單元教學”為我們提供了重要思路，其團隊經過5年的探索，提出了整體化有序設計單元教學的5個步驟，［7］如圖2所示.

圖2 整體化有序設計單元教學基本步驟

結合目前關于科學本質教學與單元教學設計的研究成果，面對需要長期滲透培育的科學本質觀念，單元教學也應是系統地、持續地培育學生科學本質觀的基本教學單位.從科學本質視域下進行整體化有序的單元教學設計的基本模式如圖3所示.

圖3 科學本質視域下的單元教學設計模式

首先，鉆研課標，從科學本質的三大維度11個方面，深入地對教材的某一單元進行科學本質表征分析.基于內容與學情，初定各章節內容的科學本質教學目標，并為構思關于不同科學本質方面的明示—反思性問題做準備.緊接著，從單元的角度來整合規劃不同章節的科學本質教學目標，關注章節之間的聯系，有所側重.然后，圍繞單元的科學本質教學目標，結合具體章節的內容與特點，選擇相應的顯隱性結合的教學策略，例如挖掘物理學史或設計科學探究活動，并重點思考設計科學本質的明示—反思性問題.最后，從單元教學設計的視角，設計單元的科學本質教學安排，并具體細化每課時的科學本質教學環節.

2.1 依據課程標準分析教材的科學本質表征

教材是課程標準落實到教學實踐的中間媒介，反映了課程標準的理念和教學的核心內容，是教師教和學生學的主要資源.因此，分析教材中某一單元的科學本質表征是開展科學本質單元教學的基礎.在分析教材的科學本質表征情況時，可從“具體維度”“表征的明確性”和“表征的準確性”3個方面入手.“具體維度”是指針對教材中的某部分內容，歸類到科學本質的11個維度中的具體方面.“表征的明確性”分為顯性表征和隱性表征.顯性表征即教材直接呈現了科學本質的論述，或提出關于科學本質的相關問題，讓學生通過反思討論來形成對科學知識產生與發展的正確理解；而隱性表征則將科學本質隱含在文本材料中，需要學生自己推敲或教師加以引導才能理解.“表征的準確性”可分為正確且完整、正確但不完整以及質樸這3個水平.其中，正確且完整的表征傳達了與科學本質觀完全一致的信息，正確且不完整則傳達了理性的但不全面的科學本質觀念內容，而質樸則表征出與科學本質觀念相矛盾的信息.

下面以粵教版必修一的“牛頓運動定律”單元的“牛頓第一定律”為例，如表2所示.

表2 教材科學本質表征分析示例

2.2 以素養為本制訂恰當的顯隱性教學策略

在分析教材的科學本質表征情況的過程中，教師對每章節內容有了更全面的了解.這為具體到每一章節內容是選擇科學探究的方式或是融合物理學史來展開教學，以及設計哪些與之相關的科學本質方面的反思性問題做了鋪墊.

例如“牛頓第一定律”的發展蘊含了豐富的物理學史，應選擇以物理學史為主線，并在合適的教學環節融入相應的科學本質問題，如表3所示.為了讓學生理解“觀察與推理的區別”，可以展示亞里士多德與伽利略這兩個歷史人物在研究力與運動關系時的“觀察與推理”，也可以教師現場演示符合他們不同觀點的實驗，讓學生親歷“觀察”與“推理”，最終再討論小結二者的特點與區別.

表3 針對具體章節設計顯隱性教學策略示例

而在“加速度與力、質量之間的關系”這節中，則適合采用實驗探究的方式，從提出問題、猜想假設、制訂實驗方案、收集數據、分析論證、評估交流等角度滲透科學本質的“實證性”“科學方法的多樣性”和“科學的社會性”等特征.例如先列舉生活實例猜想力與加速度間的關系，引導學生驗證猜想的有效手段是用實驗證實.然后設計進階任務，簡化模型，從恒力作用質量不變的物體入手，討論設計多種定量測量的實驗方案；再進一步思考如何改變條件，使得加速度發生變化，并試圖找到其中的等量關系.通過這一探究任務，聯系上一節牛頓第一定律的研究過程，引導學生更深入認識科學研究方法的多樣性.

2.3 有序構思關于科學本質的單元教學安排

科學本質作為核心素養的重要組成部分，鐘啟泉教授認為“核心素養—課程標準—單元設計—課時計劃”是落實素養環環相扣的基本環節.以往的備課通常是從課標直接指向課時計劃，忽略了課時之間的聯系，不利于學生形成大概念.新一輪課程改革倡導在課時計劃前，進行單元設計能更好地整合學科內的關系，更有利于核心概念、規律、能力、方法、思想的形成與長期發展.因此，在教學實踐中融入科學本質教育，尤其需要教師從單元設計出發整體規劃教學，不能片面地將內容硬塞到每節課時中，而是應當有所權衡、系統地分配到每節課堂當中.

安排一個單元的科學本質教學前需解構章節之間的聯系，再結合前面的分析，制訂單元教學目標與課時安排，以“牛頓運動定律”單元為例，如圖4所示.“牛頓運動定律”這一單元是學生形成運動與相互作用觀念的核心單元.從牛頓第一定律到牛頓第三定律，是從定性到定量認識力與運動間的關系，從理論到實踐應用的學習進階過程.每節內容蘊藏的科學本質方面雖有重疊，但各有側重，互相聯系.例如前3節內容幾乎都包含了“實證性”與“科學方法的多樣性”，因此，可以在橫向上進行單元聯結，在“牛頓第二定律”這節實驗探究后，再強化“實證性”與“科學方法的多樣性”（具體操作可見上表3的示例），從而從整體上凸顯研究不同問題的有效手段是實驗，但具體的科學方法卻不唯一.而在每節課時中，則有所側重地從縱向的角度突出本課時較獨立的科學本質方面.例如“牛頓第一定律”的歷史發展歷程，通過不同的科學家的觀察，推理出了不同的運動與力的關系的認識，很好地表現了“觀察與推理”這一科學本質.

圖4 單元的科學本質教學目標與課時安排示例

2.4 擬定融入科學本質內涵的最佳教學設計

在詳盡的教材分析與單元設計后，把科學本質融入到每節課時的具體教學設計將是水到渠成的過程.基于前面的準備工作， 根據具體的教學內容，收集教學資源，設計恰當的教學環節，梳理邏輯清晰的問題鏈，融入適當的科學本質反思性問題，是進一步細化每節課科學本質教學設計的關鍵.教學示例如表4所示.

表4 牛頓第一定律的科學本質教學示例

3 結語

目前，關于培養學生科學本質觀念的教學設計案例越來越多，但都是零散地針對某一章節，這與需要長期培育滲透的科學本質觀念教育不適配.因此，應考慮以單元為教學基元，系統地、長遠地設計關于科學本質的單元教學.

科學本質視域下的單元教學設計，從教材的科學本質表征分析開始，再到整體單元的思考與規劃，最后又細化到每一章節的科學本質教學設計.這種從“點”到“面”再回到“點”的單元教學設計模式，是在如今倡導的單元教學模式下的拓展與創新.這也意味著科學本質視域下的單元教學，要求教師對科學本質有著深刻的理解，才能有效地進行設計.

簡而言之，這一單元設計模式既契合國家基礎教育課程改革的理念，又適應科學本質觀念并非一蹴而就的發展特點，是提升學生科學素養的有效探索.