促進科學本質理解的教學路徑研究

摘 要：本輪新課程改革已將科學本質納入高中物理學科核心素養體系，標志著我國對科學本質的認識已從理論層面上升到實踐層面。如何將科學本質融入物理教學之中，是高中物理教師亟待探索的主題。從“輕重物體誰下落得快”這一古老話題入手，將科學知識回歸于歷史長河，顯化教學內容的科學本質內涵，分析傳統教學的不足之處，采用針對性的教學策略，讓學生經歷不斷更新、不斷完善的建構過程，探索促進學生科學本質理解的教學路徑。

關鍵詞：科學本質；課程改革；自由落體運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0010-3

《普通高中物理課程標準（２０１７年版）》提出以核心素養為課程理念和目標，將科學本質作為“科學態度與責任”維度的第一要素，指出要引導學生認識科學的本質［１］。科學本質作為科學教育的重要目標，受到越來越多的關注。然而，目前高中物理教師自身的科學本質觀水平普遍不高，在科學本質教學中缺乏行之有效的策略。本文以人教版（２０１９版）高中物理必修一第二章第４節“自由落體運動”為例，從科學本質視角審視教學內容，綜合運用多元教學策略，以期為科學本質教學的開展提供參考。

１ 科學本質與科學本質教學

隨著科學的發展，人們對科學本質的認識不斷深化。目前，有關科學本質的內涵仍有爭議，但學者在基礎教育領域對科學本質的認識基本達成共識，廣受認可的有萊德曼提出的科學本質八個方面：科學知識的實證性、科學知識的主觀性、區分觀察和推理、理論與定律具有區別、科學方法的多樣性、科學知識的創造性、科學知識的暫時性、科學受社會和文化的影響［２］。長期以來，眾多學者一直主張將科學本質融入物理教學之中。國際研究表明，科學本質觀具有內隱性、深層性等特點。國內黃曉等教授認為，促進科學本質理解的教學需要教師有意識地以科學本質觀作為教學目標，將其作為一種“認知”方面的教學結果融入到教學過程中［３］。

２ 科學本質視角下的“自由落體運動”教學過程

“自由落體運動”是高中物理的經典內容，許多教師從不同角度對本課進行了大量探索。下面從科學本質視角重新審視教學內容，依據萊德曼提出的科學本質八個方面，以“自由落體運動”的教學過程為載體，顯化各教學內容的科學本質內涵，分析傳統教學的不足之處，采用針對性的教學策略，促進學生對科學本質的理解。

２．１ 科學源于問題

２．１．１ 教學內容：亞里士多德的觀點

科學的萌芽由來已久，最早可以追溯到古希臘時期。亞里士多德最早研究落體運動，他認為人類知識的來源主要來自于經驗，基于科學觀察得出觀點：“體積相等的兩個物體，較重的下落得較快”。

２．１．２ 傳統教學的不足

從科學本質視角審視教學內容，亞里士多德的觀點是以反面結論的形式簡單呈現在教材之中，加之后面學習牛頓運動定律時亞里士多德“物體的運動需要力來維持”的錯誤觀點，學生容易將亞里士多德視為反面典型，不利于形成正確的科學本質觀。

２．１．３ 教學策略：以物理學史為線索

以物理學史為線索，將亞里士多德的觀點回歸歷史長河。誠然，亞里士多德的理論存在錯誤，并被后世偉大的科學家們進行了修正。但是，他是在經過了大量的觀察、細致的總結、嚴謹的思考后，提出了在他那個時代最能解釋人們日常生活中觀察到的現象的理論。引導學生結合當時的歷史背景正確評價亞里士多德的貢獻，正是學生理解科學知識具有主觀性、科學受社會和文化的影響等科學本質內涵的大好時機。通過該課教學，應該讓學生認識到：科學始于問題，亞里士多德最早開始對落體運動開展研究；盡管亞里士多德的觀點是錯誤的，但他開創了通過觀察認識自然的科學方法；亞里士多德是古希臘最重要的哲學家之一，也是物理學的創始人之一。

２．２ 科學倚重思維

２．２．１ 教學內容：伽利略的質疑和研究

１６世紀末，伽利略對亞里士多德的觀點提出質疑，他從邏輯的角度駁斥了亞里士多德的觀點，認為“輕、重物體下落一樣快”。伽利略大膽猜想，通過實驗、數學推演、沖淡重力、合理外推、完美修正，進一步探明了自由落體運動的規律。

２．２．２ 傳統教學的不足

從科學本質視角審視教學內容，教材敘述了伽利略通過邏輯推理的質疑過程，讓學生充分感受了邏輯的力量，使學生能更好地理解“區分觀察和推理”科學本質。可惜的是，“伽利略對自由落體的研究”內容在教材中通過“科學漫步”形式呈現，由于老師們更注重教材中正文內容的教學，寄希望通過學生自主學習領悟其中蘊含的科學本質顯然比較困難。

２．２．３ 教學策略：以思維活動為中心

以思維活動為中心，重演知識的發生過程。還原伽利略的研究過程（圖１），展現其科學方法及巧妙的實驗設計，尋找證據支撐理論的觀點，解釋證據的有效性、局限性。通過該課教學，應該讓學生明白：伽利略不僅得到了自由落體運動的規律，還開辟了一種新的科學方法——假說演繹法，理解科學方法的多樣性；體會伽利略的創新、靈感和想象，理解科學知識的創造性。

２．３ 科學貴在探究

２．３．１ 教學內容：自由落體實驗

雖然伽利略意識到了空氣阻力對落體運動的影響，但由于實驗手段的限制，直到發明了抽氣機，才由“錢羽管實驗”進行了驗證。１９７１年，大衛·斯哥特在月球上做了著名實驗，他一手拿鷹羽，一手拿鋁合金，同時放手，鷹羽與鋁合金同時落地，演示了伽利略的猜想。

２．３．２ 傳統教學的不足

從科學本質視角審視教學內容，教材中將“錢羽管實驗”作為演示實驗呈現，體現了科學知識的實證性。遺憾的是，該實驗隱蔽性強，操作困難且成功率不高。雖然韓伯林等老師就實驗進行了改進［４］，但視覺效果依然欠佳。播放的“月球落體實驗”視頻由于當時技術限制畫質模糊，同樣無法取得滿意的教學效果。

２．３．３ 教學策略：以實驗變式為手段

以實驗變式為手段，拓展實驗的探索性。建構主義認為，科學的本質即科學探究。盡可能為學生提供一種探究的情境，引導他們通過不同的角度和方法去認識物理，有助于學生正確領悟科學的真諦，提升他們的科學素養。

實驗探究：碟片與紙片誰下落得快？

提供器材：碟片、紙片等材料。

實驗：首先，學生把碟片和紙片并排放置，碟片自然比紙片下落得快（圖2甲）。

變式１：接著，把碟片壓在紙片上方但不粘牢，碟片和紙片下落得一樣快（圖2乙）。

變式２：然后，將碟片放在紙片下方再次進行實驗，結果居然還是下落得一樣快（圖2丙） 。

變式３：最后，把紙片揉成一團，紙團竟然比碟片下落還快（圖2丁）。

結論：找到造成“重的物體比輕的下落快”假象的真兇——空氣阻力。

問題：如果沒有空氣阻力誰下落得快？

２．４ 科學有待發展

２．４．１ 教學內容：現代版“比薩斜塔”實驗

教材中關于“自由落體運動”的內容以ＳＴＳＥ“從伽利略的一生看科學與社會”作為結尾，然而人類的研究卻從未停止。１９９９年，諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文領導的科研小組，通過墜落原子精確測算出單個原子所受重力加速度，發現其與宏觀物體所受重力加速度相同［５］。

２．４．２ 傳統教學的不足

現代版“比薩斜塔”實驗說明，隨著新觀察、新思考的深入和技術的進步，科學知識不斷被補充或修正，體現了科學知識的暫時性。至此，“自由落體運動”的教學過程看似已近“圓滿”。然而，從科學本質視角審視教學內容，上述教學過程仍有缺憾。現代科學本質觀認為，科學知識不過是科學家為解決科學問題而提出的嘗試性、探索性的理論假設，通過歸納和證實方式獲得的科學知識是不可靠的，是可錯的［６］。

２．４．３ 教學策略：以教學留白為藝術

以教學留白為藝術，巧妙運用“空白效應”。給學生留好“接口”，為后續學習埋下伏筆；給學生開好“窗口”，幫助他們拓寬視野。通過介紹費希巴赫科研小組的研究成果，讓學生意識到：科學的過程是證偽的過程，是在尋找錯誤的過程中，不斷逼近真理的過程，科學永遠面臨挑戰。只有讓學生真正理解了這一點，才能幫助學生樹立正確的科學本質觀。

新的挑戰：費希巴赫科研小組的研究。

費希巴赫科研小組通過實驗發現，實際上不同物體在真空中的加速度并不相同。推測其原因，可能是在物體下落時受到了一種尚不為人知的力所致，許多科學家在進行各種實驗時也找到了相應的證據。科學家們認為，可能很快將掀起一個以現代先進技術重新證明伽利略論斷和牛頓定律的高潮。

３ 教學啟示

回顧整個教學過程，并沒能將“理論與定律具有區別”科學本質融入教學之中，科學本質觀的形成是一個漫長的過程，不能期望在一節課中涵蓋全部科學本質內涵并加以體現；梳理每個教學環節，只是著重選取科學本質部分方面進行凸顯，科學本質的內涵實際上并不是孤立的，而是相互交融的，教師要有意識地挖掘，并將科學本質作為教學目標；分析所用教學策略，正如科學沒有唯一方法，體現科學本質的教學同樣沒有固定策略，教師要不斷豐富教學方法并能靈活運用。希望通過本文的實踐研究，引發更多教師的關注，共同探索科學本質教學路徑。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７ 年版）［S］．北京：人民教育出版社，２０１８：１－５.

［２］楊杰，郭玉英．高中物理課程標準中的科學本質教育研究［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１９，３９（７）：１１３－１１９.

［３］黃曉．促進科學本質理解的多元教學路徑——科學本質教學的國際視角與啟示［Ｊ］．教育科學研究，２０２３（９）：５２－５９．

［４］韓柏林．錢毛管實驗的改進方案［Ｊ］．物理教師，２００８，29（６）：２３－２４．

［５］朱棣文完成現代版“比薩斜塔實驗”［Ｊ］．物理通報，２０００（２）：１５．

［６］袁維新．科學本質理論：基本觀點與范疇［Ｊ］．科學學研究，２０１０，２８（６）：８０９－８１５．

（欄目編輯 趙保鋼）