促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的初中科學(xué)教學(xué)

張成生 (浙江省金華市金東區(qū)光南中學(xué) 321015)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)將科學(xué)課程的性質(zhì)定為:義務(wù)教育科學(xué)課程是一門體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的綜合性基礎(chǔ)課程。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào),科學(xué)本質(zhì)既是科學(xué)概念的組成部分,也是態(tài)度責(zé)任的基礎(chǔ)。對于科學(xué)本質(zhì)的含義,目前科學(xué)教育界的詮釋并不完全一致。美國科學(xué)教育專家諾曼·萊德曼(Norman G.Lederman)團(tuán)隊認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)應(yīng)該具有七項要素:①科學(xué)知識具有實(shí)證性,是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的,基于對自然界的觀察;②科學(xué)理論不同于科學(xué)定律;③科學(xué)知識的創(chuàng)造性或想象本質(zhì);④科學(xué)理論的建構(gòu)是從觀察到推論的過程;⑤科學(xué)知識植根于社會文化;⑥科學(xué)知識具有主觀性;⑦科學(xué)知識的暫時性。這是目前認(rèn)同度較高的一種描述,可以作為確定科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)的參考。分析萊德曼團(tuán)隊科學(xué)本質(zhì)七項要素可知,科學(xué)本質(zhì)涵蓋了科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等科學(xué)課程核心素養(yǎng)的四個內(nèi)涵。由此可知,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)的理解有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展。

浙教版初中科學(xué)的“地球和宇宙”部分包含“地球在宇宙中的位置”和“人類生存的地球”兩個主題,與新課標(biāo)中“宇宙中的地球”和“地球系統(tǒng)”兩個核心概念相當(dāng)。這部分內(nèi)容宏觀,較少能進(jìn)行真實(shí)的探究或?qū)嶒灐闹R的角度看,學(xué)生對這兩個主題內(nèi)容或多或少知道一些,部分學(xué)生所知甚至超過教師。對這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的要求不高,學(xué)生通過閱讀基本能了解,可稱為科普性內(nèi)容,教學(xué)中容易淪為以識記為主。課堂教學(xué)大多緊扣教材,較為缺乏深度和廣度,無法體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì),較難促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解、提高學(xué)生的核心素養(yǎng)了。在教學(xué)中,“地球和宇宙”部分內(nèi)容已經(jīng)成為初中科學(xué)中科學(xué)性最為薄弱的“洼地”。

一、創(chuàng)設(shè)情境主線, 促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解

教材中的科學(xué)知識往往是目前所公認(rèn)的知識結(jié)果呈現(xiàn),鮮有過程。但對于科學(xué)的創(chuàng)造性、主觀性、暫時性和形成過程及與社會文化的關(guān)系等本質(zhì)內(nèi)容,必定需要一個知識形成過程作為基礎(chǔ)。如果沒有這一過程,要讓學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì),只能是紙上談兵。學(xué)生對于科學(xué)核心素養(yǎng)的提升,無論是從科學(xué)觀念層面,還是科學(xué)思維,以及態(tài)度責(zé)任等方面,都需要有一個過程作為主線。如何讓“地球和宇宙”部分內(nèi)容形成可行的過程主線,一般是采用兩種方式。

1.補(bǔ)充科學(xué)史實(shí)形成情境主線

每一點(diǎn)科學(xué)知識都有著鮮活的歷史,“地球和宇宙”內(nèi)容也是一樣,大部分都能尋找到對應(yīng)的科學(xué)史。科學(xué)知識的歷史,不僅能體現(xiàn)出科學(xué)知識的形成過程,還會透露出科學(xué)思維的過程,同時體現(xiàn)實(shí)證性、科學(xué)知識暫時性等科學(xué)本質(zhì)。

以“地球表面的板塊”為例。教材中已經(jīng)有魏格納的大陸漂移等部分科學(xué)史實(shí),在教學(xué)中可補(bǔ)充資料,從“坤輿萬國圖”與歐洲通用世界地圖出發(fā),直接帶領(lǐng)學(xué)生對社會文化對科學(xué)發(fā)現(xiàn)之間關(guān)系的思考,然后是英國哲學(xué)家培根的發(fā)現(xiàn)、達(dá)頓的地殼均衡原理、魏格納尋找證據(jù)及其學(xué)說的提出和沉寂過程、海底探測新發(fā)現(xiàn)、赫斯的海底擴(kuò)張理論、威爾遜“板塊”一詞的提出、勒比雄六大板塊的主張等,形成一條科學(xué)歷史主線完成教學(xué)。補(bǔ)充科學(xué)史,豐富內(nèi)容可使過程主線更豐滿、更清晰,并且其中培根和魏格納的比較、新發(fā)現(xiàn)帶來的新理論的提出,體現(xiàn)了需要實(shí)證的科學(xué)本質(zhì)觀教育。同時,魏格納學(xué)說的提出與被否決、新的觀測發(fā)現(xiàn)帶來的學(xué)說重現(xiàn)與提升完善,體現(xiàn)逐漸發(fā)展、逐漸完善的這一科學(xué)本質(zhì),達(dá)成科學(xué)本質(zhì)的教育。而魏格納等人在堅持自己學(xué)說中所采取的行動,更是一種態(tài)度責(zé)任學(xué)習(xí)的榜樣,利于學(xué)生在精神上的熏陶和影響,更有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

采用沿著科學(xué)知識形成的歷史順序進(jìn)行,以發(fā)現(xiàn)過程為主線,將科學(xué)史按序融入教學(xué)的過程中,能讓學(xué)生看到前人走過的路,以及沿途的風(fēng)景,對于學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的形成是大有裨益的。“人類對宇宙的認(rèn)識”等許多科學(xué)史材料豐富的內(nèi)容都可以采用此種方式進(jìn)行。

除按照歷史順序作為主線外,也可以將科學(xué)史內(nèi)容進(jìn)行倒敘,讓學(xué)生隨歷史逆流而上,在減除背景中顯化科學(xué)發(fā)展與條件之間的科學(xué)本質(zhì)。

以“地球的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)”為例。對于地球是一個球體的事實(shí),對于七年級的學(xué)生來說已經(jīng)成為一個常識。本節(jié)課的教學(xué)可以采用倒敘的形式,先讓學(xué)生講述所知道的地球形狀→他們獲得這些知識的依據(jù)→減少所依據(jù)條件回到更早的認(rèn)識→可能判斷的形狀→再將依據(jù)往前推→再作判斷,以至得到類似于古代各民族所認(rèn)為的地球形狀,進(jìn)而得知,遠(yuǎn)古人類對于大地形狀的種種認(rèn)識實(shí)際上是因為局限于他們能夠觀察到范圍。在教學(xué)中,當(dāng)我們在逐漸減去我們所擁有的依據(jù)時,如航天技術(shù)、環(huán)球航行等,慢慢就會形成人們對自然事物的認(rèn)識會局限于視野范圍、對于客觀事物的認(rèn)識發(fā)展受到技術(shù)發(fā)展的限制等。也就是說科學(xué)的發(fā)展是具有一定的局限性。當(dāng)最后呈現(xiàn)各個民族所擁有的不同的大地觀,結(jié)合各民族所生活的環(huán)境以及他們的信仰時,亦可得出,科學(xué)知識是植根于社會文化的。

2.聯(lián)系生活實(shí)際創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都有詳盡的科學(xué)史,許多內(nèi)容沒法利用科學(xué)史來串成教學(xué)的過程線。但實(shí)際上,我們還有許多路徑去創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)過程。如利用學(xué)生的生活經(jīng)驗創(chuàng)設(shè)具有生活化的教學(xué)過程或具有趣味性的過程、利用實(shí)物、模型等手段創(chuàng)設(shè)具有可觸性的教學(xué)過程作為教學(xué)的主線素材。

例如,在“太陽和月球”第一課時“太陽”中,可將寫“尋太陽啟事”作為主線來進(jìn)行教學(xué)。以學(xué)生對太陽的認(rèn)識為基礎(chǔ)寫“啟事”,再根據(jù)所寫情況,進(jìn)行補(bǔ)充和完善“啟事”中完成這一課時的教學(xué)。學(xué)生剛開始寫的“啟事”,一般也都只涉及大小、溫度、距離等表層的內(nèi)容,只有更深入地學(xué)習(xí),才能得到太陽的結(jié)構(gòu)以及活動等更深層次的內(nèi)容。通過寫“啟事”這一情境任務(wù),能很好地由淺入深串好教學(xué)的主線。

而第二課時的“月球”部分則以完成到月球旅游的“旅月攻略”為主,以“奔月神話”“探月現(xiàn)實(shí)”“旅月攻略”“登月意義”為線索來完成月球知識的學(xué)習(xí)。這一線索較好地結(jié)合了學(xué)生的生活經(jīng)驗,在各小組的討論、匯報及闡述攻略依據(jù)的過程中順利達(dá)成“月球”這一內(nèi)容的學(xué)習(xí),既有趣味也有拓展。

二、增補(bǔ)模擬實(shí)驗, 助力科學(xué)本質(zhì)理解

科學(xué)是人類在研究自然現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的基礎(chǔ)上形成的知識系統(tǒng),以及獲得這些知識系統(tǒng)的認(rèn)識過程和在此過程中所利用的方法。從知識系統(tǒng)角度看,科學(xué)的本質(zhì)是對自然現(xiàn)象和自然規(guī)律的描述和解釋,描述和解釋需要有對自然的觀察為基礎(chǔ);從過程方法角度看,科學(xué)的本質(zhì)是一種感知和發(fā)現(xiàn)宇宙秩序的能力,這種能力的形成,也需要觀察、實(shí)驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)行突破常識的想象。對于“地球和宇宙”這部分內(nèi)容來說,學(xué)生能夠直接進(jìn)行的探究和實(shí)驗確實(shí)太少。而如果沒有實(shí)驗觀察的支撐,不僅不利于科學(xué)概念建構(gòu),也不利于科學(xué)本質(zhì)的理解。在教學(xué)中,根據(jù)實(shí)際需要去創(chuàng)設(shè)一些模擬實(shí)驗或模擬觀察,在原理、成因、過程和縮放等方面幫助學(xué)生的理解。同時,創(chuàng)造的模型或?qū)嶒炓彩菍茖W(xué)本質(zhì)中的創(chuàng)造性、主觀性的一種很好的補(bǔ)充。

1.利用模擬實(shí)驗促進(jìn)科學(xué)推論性的理解

科學(xué)知識具有實(shí)證性,是以經(jīng)驗和觀察為基礎(chǔ)的,在此基礎(chǔ)上再通過推論才能建構(gòu)成科學(xué)理論。在無法進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗的情況下,利用模擬實(shí)驗,進(jìn)行類推得到知識系統(tǒng)的理解,也是一種不錯的選擇。同時,在類推的過程中,可以讓學(xué)生體驗科學(xué)所具有的本質(zhì)——科學(xué)具有推論性。

例如,在“太陽”這一內(nèi)容的教學(xué)中,學(xué)生對于太陽黑子的理解是一個難點(diǎn)。在教學(xué)中,在燒紅的鐵片上滴上幾滴水,這時所觀察到的便是較黑的點(diǎn)塊,然后用火柴靠近,卻可見這“黑點(diǎn)”也是能點(diǎn)燃火柴,以此實(shí)驗,便可讓學(xué)生理解太陽黑子雖“黑”,但溫度依然是很高的這一事實(shí)。在“人類對宇宙的認(rèn)識”中,所有星系都遠(yuǎn)離我們而去來理解宇宙膨脹,也是學(xué)生的一個認(rèn)識難點(diǎn),利用氣球膨脹模擬宇宙膨脹來觀察氣球表面各點(diǎn)的距離的變化,對于理解膨脹的宇宙就簡單多了。

類似的還有地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的模擬、月相形成的模擬等。

2.利用模擬觀察加強(qiáng)科學(xué)創(chuàng)造性的感受

科學(xué)知識的形成具有想象本質(zhì),這想象需要基于自然界的觀察。但在“地球和宇宙”這部分內(nèi)容中,學(xué)生進(jìn)行直接觀察并不現(xiàn)實(shí),而通過科普視頻,在一定程度上能擴(kuò)大觀察的范圍和深度,但學(xué)生的體驗感并不強(qiáng)。學(xué)生的生活經(jīng)歷和科學(xué)課堂并不能完全滿足學(xué)生觀察“地球和宇宙”內(nèi)容的需要。如果我們能夠創(chuàng)造條件,增加學(xué)生模擬觀測的機(jī)會,則在一定程度上彌補(bǔ)上述的不足,同時可以在教學(xué)過程中滲透科學(xué)研究創(chuàng)造性的本質(zhì)。

如《探索宇宙》這節(jié)中的星座內(nèi)容,理論上可以讓學(xué)生在夜晚觀察星空,但在目前光污染的情況下,城鎮(zhèn)學(xué)生在夜晚能觀測到的星星實(shí)在少得可憐。再加上,四季星空各有不同,如果要觀察到星空的四季變化,需要學(xué)生長時間的堅持,幾乎沒法讓學(xué)生辦到。但如果我們用不同顏色的激光筆,在教室天花板上照射出模擬的星空,則能讓學(xué)生有模擬觀察的體驗。如在天花板中間點(diǎn)模擬北極星,邊上固定好北斗七星的大致位置,再讓學(xué)生繞著“北極星”,也就是沿著教室轉(zhuǎn)動觀察,則能清楚北斗中的斗柄在一年中的變化。

通過這樣的模擬觀察,能讓學(xué)生充分體驗人類認(rèn)知自然過程中的創(chuàng)造性思維和想象能力,不亞于一種超級精神震撼。這些模擬實(shí)驗,也可以來自于學(xué)生的創(chuàng)造,即使不是學(xué)生的創(chuàng)造,也能讓學(xué)生在創(chuàng)造性的教學(xué)內(nèi)容中長大,對于學(xué)生理解科學(xué)的創(chuàng)造性本質(zhì),會有著更為切身的體驗。

三、加強(qiáng)思維拓展提升科學(xué)本質(zhì)理解

我們還可以將科學(xué)理解為一種視角,一種批判地看待世界的能力。科學(xué)教學(xué)的目的,是提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng),是讓學(xué)生對科學(xué)有更深的認(rèn)識。深刻的認(rèn)識源于反思,需要批判性思維和質(zhì)疑能力的培養(yǎng)。“地球和宇宙”部分的內(nèi)容教學(xué),也是需要加強(qiáng)反思的教學(xué),來讓學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)、更新科學(xué)觀念、形成批判性思維。

1.在反思史實(shí)中理解科學(xué)本質(zhì)

作為科普性的內(nèi)容,如果停留在知識系統(tǒng)的層次,本身非常簡單,但從科學(xué)本質(zhì)的維度來看,則蘊(yùn)藏著豐富的內(nèi)涵,如果能夠充分利用,對學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的提高大有裨益。

如“地球的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這一內(nèi)容,如果按照教材,從“天圓地方”等古代人類的認(rèn)識開始,雖然體現(xiàn)了“科學(xué)知識的正確形成往往需要一定時間積累”的發(fā)展性,但對于“科學(xué)知識是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的,基于對自然界的觀察”“科學(xué)知識植根于社會文化”“科學(xué)理論的建構(gòu)是從觀察到推論的過程”等科學(xué)本質(zhì)的理解就不會那么透徹。而加上人類對地球形狀認(rèn)識逐漸逼近真實(shí)的過程的反思,就是給學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會知道科學(xué)的發(fā)展是離不開技術(shù)工具的發(fā)展,而對于古代各民族對于地球形狀的猜測,如果沒有進(jìn)一步的反思,是不可能得出人類的科學(xué)認(rèn)識是以觀察為基礎(chǔ)的,而觀念的形成,更離不開社會文化的基礎(chǔ)。

又如,“人類對宇宙的認(rèn)識”的教學(xué)中,在提供充足的科學(xué)史資料的基礎(chǔ)上,按照歷史的進(jìn)程和各種科學(xué)假說形成的過程,通過不斷追問,促進(jìn)學(xué)生的反思,提升學(xué)生的思考能力。在這樣的學(xué)習(xí)和反思中,逐漸讓學(xué)生知道科學(xué)源于觀察,而觀察有其局限性,所以所得出的結(jié)論往往還帶有其文化的特征、科學(xué)具有主觀性和創(chuàng)造性;并且科學(xué)是不斷發(fā)展的,具有累積性、暫時性;科學(xué)是基于觀察和技術(shù)的發(fā)展,具有實(shí)證性等科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容。

2.在開闊思維中更新科學(xué)觀念

發(fā)展學(xué)生的思維,也是科學(xué)所必須具有的典型特征。“地球和宇宙”的內(nèi)容,也有許多地方值得去挖掘?qū)W生思維的起點(diǎn),開拓學(xué)生的思維,更新學(xué)生的科學(xué)觀念,進(jìn)而提升學(xué)生的素養(yǎng)。

如在“太陽黑子”的教學(xué)中,很多時候我們會讓學(xué)生關(guān)注黑子變化的規(guī)律,而這變化,也僅僅是關(guān)注了黑子多少的變化規(guī)律。由此,學(xué)生也僅僅知道黑子的變化是數(shù)目的變化。但事實(shí)上,黑子的變化規(guī)律,除了數(shù)目,還有大小、位置變動和極性變化等等的規(guī)律。這些變化是相聯(lián)系的。當(dāng)然,我們不一定要去和學(xué)生講“卡林頓太陽活動周”“斯波勒定律”“海爾周期”等,但我們在教學(xué)必須給學(xué)生介紹一下這一些相關(guān)的變化。這些內(nèi)容似乎與教學(xué)的目標(biāo)沒有關(guān)系,然而對于開闊學(xué)生的思維與視野的同時,也能加深學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

在“地球表面的板塊”這一內(nèi)容教學(xué)的導(dǎo)入中,教師可展示我國明末清初時期的“坤輿萬國圖”,一方面是與現(xiàn)在學(xué)生熟悉的世界地圖對比,來對比陸地位置變化的情況。另一方面,與歐洲通用的世界地圖去比較,讓學(xué)生思考為什么歐洲會有這么多人去猜想大西洋兩岸曾在一起,而鮮有中國人的參與,進(jìn)而拓展科學(xué)的發(fā)展與社會文化基礎(chǔ)的關(guān)系來拓展學(xué)生的思維。

3.在質(zhì)疑成見中體驗科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)核心素養(yǎng)是科學(xué)能力和價值觀念融合而形成,而批判性思維是其中一項最為重要的能力和價值觀,也是體驗科學(xué)知識的創(chuàng)造性這一科學(xué)本質(zhì)的路徑。作為科學(xué)課程重要內(nèi)容的“地球和宇宙”部分,必不可少的需要進(jìn)行批判性思維的培養(yǎng)。而有依據(jù)地質(zhì)疑成見,培養(yǎng)學(xué)生批判性思維,進(jìn)而體悟科學(xué)本質(zhì)。

在“地球的自轉(zhuǎn)”這節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中,往往會將晝夜交替現(xiàn)象當(dāng)成地球自轉(zhuǎn)的一個重要的證據(jù)。晝夜交替現(xiàn)象確實(shí)是由于地球自轉(zhuǎn)所形成。當(dāng)我們知道這一前提,將這一現(xiàn)象確實(shí)可以作為證據(jù)。在這一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中,教師通過晝夜現(xiàn)象,然后是晝夜交替現(xiàn)象,再到地球自轉(zhuǎn)進(jìn)行的。而在晝夜交替現(xiàn)象的產(chǎn)生中,通過學(xué)生的模擬實(shí)驗,往往會得出無論是地球自轉(zhuǎn)還是日月星辰繞地球轉(zhuǎn),都是可以產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的。

促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué),其途徑一般可歸納成兩種。一種是通過科學(xué)探究、實(shí)驗活動、做中學(xué)等方式,將科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容嵌入教學(xué)中,以間接的方式讓學(xué)生體會科學(xué)本質(zhì)。另一種方式是從科學(xué)史哲等視角去詮釋科學(xué)本質(zhì),并通過課堂教學(xué)活動直接明示科學(xué)本質(zhì)。以通過創(chuàng)設(shè)過程線為主,適當(dāng)增加實(shí)驗為基礎(chǔ),以培養(yǎng)學(xué)生思維為中心,才能使“地球和宇宙”的內(nèi)容走向“科學(xué)”的道路,才有利于促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解,進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提高。