莊浩麗 李 崢 梁志成 謝翠婷

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

科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解已成為全球科學(xué)教育改革的核心主張，2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)也首次明確了科學(xué)本質(zhì)的教育要求.［1］課標(biāo)中強(qiáng)調(diào)“引領(lǐng)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)”是高中物理課程的性質(zhì)和目標(biāo)之一，提出“通過(guò)物理學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)”的教學(xué)建議，注重“學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感方面的發(fā)展水平”的評(píng)價(jià).因此，如何在課堂中落實(shí)科學(xué)本質(zhì)教育，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，是新課程、新教材對(duì)物理教學(xué)的新要求.

但調(diào)查表明，近年來(lái)，師生的科學(xué)本質(zhì)觀發(fā)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(xué)本質(zhì)觀念本身較難直接內(nèi)化成學(xué)生意識(shí)形態(tài)的認(rèn)知困難，也有教師在進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)觀教育時(shí)的缺失.實(shí)證研究表明，培育學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀念是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的、且系統(tǒng)性的教學(xué)工程，并不僅僅體現(xiàn)在某一章節(jié)的某一課時(shí).［3］而這個(gè)過(guò)程又要求教師對(duì)科學(xué)本質(zhì)有著深刻的理解，需要教師能夠敏銳地深挖教材中的科學(xué)本質(zhì)素材，了解有效的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)策略，以及長(zhǎng)遠(yuǎn)地、合理地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容.

而筆者在關(guān)于高中物理教材的科學(xué)本質(zhì)表征研究中發(fā)現(xiàn)，教材中蘊(yùn)藏大量科學(xué)本質(zhì)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(xué)本質(zhì)教育教學(xué)內(nèi)容分布零散、線索不明晰，導(dǎo)致無(wú)法長(zhǎng)期有效地發(fā)展科學(xué)本質(zhì)觀念.

為此，深挖教材中的科學(xué)本質(zhì)素材，以“單元”為科學(xué)本質(zhì)教育的教學(xué)基元，規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)本質(zhì)的單元教學(xué)內(nèi)容，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，是落實(shí)新課程新教材理念的新嘗試，是提升學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀念的突破口.

1 科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

1.1 科學(xué)本質(zhì)

盡管哲學(xué)家、社會(huì)科學(xué)家、歷史學(xué)家以及科學(xué)教育家和科學(xué)家對(duì)科學(xué)本質(zhì)（Nature of Science，NOS）的內(nèi)涵仍持有不同的觀點(diǎn)，但大體而言，一類是以美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（AAAS）為代表的廣義的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵，全面地涵蓋了科學(xué)的本質(zhì)，即“科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)”“科學(xué)探究的本質(zhì)”和“科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)”.另一類是以Lederman、Abd-El-Khalick等人為代表的狹義科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵，主張科學(xué)作為一種認(rèn)識(shí)方式，是科學(xué)知識(shí)及其發(fā)展所固有的價(jià)值和信念，簡(jiǎn)而言之更注重科學(xué)知識(shí)本身是怎么來(lái)的.［3］通過(guò)文獻(xiàn)梳理，以下三大維度涉及科學(xué)本質(zhì)的11個(gè)方面，在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域已基本達(dá)成共識(shí)（如表1所示）.

表1 科學(xué)本質(zhì)具體內(nèi)涵

續(xù)表

1.2 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

目前，國(guó)際上廣為采用的科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)策略主要有隱性（implicit）教學(xué)法和明示—反思性（explicit-reflective）教學(xué)法.［3］隱性教學(xué)法認(rèn)為學(xué)生可以在一些科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)中自行領(lǐng)悟?qū)茖W(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，將提升科學(xué)本質(zhì)觀作為參與科學(xué)活動(dòng)的附帶效果.而明示—反思性教學(xué)法雖然也同樣會(huì)結(jié)合科學(xué)探究或融合物理學(xué)史來(lái)開(kāi)展科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)，但這是經(jīng)過(guò)教師有意設(shè)計(jì)的關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)活動(dòng)，并將提升科學(xué)本質(zhì)觀作為課程目標(biāo)，更重要的是在教學(xué)中會(huì)提供機(jī)會(huì)讓學(xué)生從不同的角度討論關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的不同方面.

大量實(shí)證研究表明，明示—反思性教學(xué)法通過(guò)“明示科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)”，討論“反思科學(xué)本質(zhì)相關(guān)問(wèn)題”，從認(rèn)知層面認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，再反作用于科學(xué)探究活動(dòng)中的行為層或正確認(rèn)識(shí)科學(xué)史的發(fā)展歷程，從而能夠有效地提升師生的科學(xué)本質(zhì)觀念.［2］因此，本文的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)策略如圖1所示，在隱性教學(xué)法的基礎(chǔ)上，結(jié)合明示—反思性教學(xué)法，是進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的有效策略.

圖1 提升NOS觀念的有效策略——顯隱性教學(xué)法

2 科學(xué)本質(zhì)視域下的單元教學(xué)設(shè)計(jì)

從目前的研究成果來(lái)看，并不缺乏針對(duì)某一具體章節(jié)內(nèi)容來(lái)設(shè)計(jì)關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)，［5，6］但是缺乏系統(tǒng)地、長(zhǎng)遠(yuǎn)地進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教育教學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì).如何從整體化有序地設(shè)計(jì)關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的單元教學(xué)？馬蘭教授提出的“整體化有序設(shè)計(jì)單元教學(xué)”為我們提供了重要思路，其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)5年的探索，提出了整體化有序設(shè)計(jì)單元教學(xué)的5個(gè)步驟，［7］如圖2所示.

圖2 整體化有序設(shè)計(jì)單元教學(xué)基本步驟

結(jié)合目前關(guān)于科學(xué)本質(zhì)教學(xué)與單元教學(xué)設(shè)計(jì)的研究成果，面對(duì)需要長(zhǎng)期滲透培育的科學(xué)本質(zhì)觀念，單元教學(xué)也應(yīng)是系統(tǒng)地、持續(xù)地培育學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的基本教學(xué)單位.從科學(xué)本質(zhì)視域下進(jìn)行整體化有序的單元教學(xué)設(shè)計(jì)的基本模式如圖3所示.

圖3 科學(xué)本質(zhì)視域下的單元教學(xué)設(shè)計(jì)模式

首先，鉆研課標(biāo)，從科學(xué)本質(zhì)的三大維度11個(gè)方面，深入地對(duì)教材的某一單元進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)表征分析.基于內(nèi)容與學(xué)情，初定各章節(jié)內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)，并為構(gòu)思關(guān)于不同科學(xué)本質(zhì)方面的明示—反思性問(wèn)題做準(zhǔn)備.緊接著，從單元的角度來(lái)整合規(guī)劃不同章節(jié)的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)，關(guān)注章節(jié)之間的聯(lián)系，有所側(cè)重.然后，圍繞單元的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合具體章節(jié)的內(nèi)容與特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的顯隱性結(jié)合的教學(xué)策略，例如挖掘物理學(xué)史或設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動(dòng)，并重點(diǎn)思考設(shè)計(jì)科學(xué)本質(zhì)的明示—反思性問(wèn)題.最后，從單元教學(xué)設(shè)計(jì)的視角，設(shè)計(jì)單元的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)安排，并具體細(xì)化每課時(shí)的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)環(huán)節(jié).

2.1 依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)分析教材的科學(xué)本質(zhì)表征

教材是課程標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐的中間媒介，反映了課程標(biāo)準(zhǔn)的理念和教學(xué)的核心內(nèi)容，是教師教和學(xué)生學(xué)的主要資源.因此，分析教材中某一單元的科學(xué)本質(zhì)表征是開(kāi)展科學(xué)本質(zhì)單元教學(xué)的基礎(chǔ).在分析教材的科學(xué)本質(zhì)表征情況時(shí)，可從“具體維度”“表征的明確性”和“表征的準(zhǔn)確性”3個(gè)方面入手.“具體維度”是指針對(duì)教材中的某部分內(nèi)容，歸類到科學(xué)本質(zhì)的11個(gè)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(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的論述，或提出關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的相關(guān)問(wèn)題，讓學(xué)生通過(guò)反思討論來(lái)形成對(duì)科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生與發(fā)展的正確理解；而隱性表征則將科學(xué)本質(zhì)隱含在文本材料中，需要學(xué)生自己推敲或教師加以引導(dǎo)才能理解.“表征的準(zhǔn)確性”可分為正確且完整、正確但不完整以及質(zhì)樸這3個(gè)水平.其中，正確且完整的表征傳達(dá)了與科學(xué)本質(zhì)觀完全一致的信息，正確且不完整則傳達(dá)了理性的但不全面的科學(xué)本質(zhì)觀念內(nèi)容，而質(zhì)樸則表征出與科學(xué)本質(zhì)觀念相矛盾的信息.

下面以粵教版必修一的“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”單元的“牛頓第一定律”為例，如表2所示.

表2 教材科學(xué)本質(zhì)表征分析示例

2.2 以素養(yǎng)為本制訂恰當(dāng)?shù)娘@隱性教學(xué)策略

在分析教材的科學(xué)本質(zhì)表征情況的過(guò)程中，教師對(duì)每章節(jié)內(nèi)容有了更全面的了解.這為具體到每一章節(jié)內(nèi)容是選擇科學(xué)探究的方式或是融合物理學(xué)史來(lái)展開(kāi)教學(xué)，以及設(shè)計(jì)哪些與之相關(guān)的科學(xué)本質(zhì)方面的反思性問(wèn)題做了鋪墊.

例如“牛頓第一定律”的發(fā)展蘊(yùn)含了豐富的物理學(xué)史，應(yīng)選擇以物理學(xué)史為主線，并在合適的教學(xué)環(huán)節(jié)融入相應(yīng)的科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題，如表3所示.為了讓學(xué)生理解“觀察與推理的區(qū)別”，可以展示亞里士多德與伽利略這兩個(gè)歷史人物在研究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)的“觀察與推理”，也可以教師現(xiàn)場(chǎng)演示符合他們不同觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親歷“觀察”與“推理”，最終再討論小結(jié)二者的特點(diǎn)與區(qū)別.

表3 針對(duì)具體章節(jié)設(shè)計(jì)顯隱性教學(xué)策略示例

而在“加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系”這節(jié)中，則適合采用實(shí)驗(yàn)探究的方式，從提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、制訂實(shí)驗(yàn)方案、收集數(shù)據(jù)、分析論證、評(píng)估交流等角度滲透科學(xué)本質(zhì)的“實(shí)證性”“科學(xué)方法的多樣性”和“科學(xué)的社會(huì)性”等特征.例如先列舉生活實(shí)例猜想力與加速度間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證猜想的有效手段是用實(shí)驗(yàn)證實(shí).然后設(shè)計(jì)進(jìn)階任務(wù)，簡(jiǎn)化模型，從恒力作用質(zhì)量不變的物體入手，討論設(shè)計(jì)多種定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案；再進(jìn)一步思考如何改變條件，使得加速度發(fā)生變化，并試圖找到其中的等量關(guān)系.通過(guò)這一探究任務(wù)，聯(lián)系上一節(jié)牛頓第一定律的研究過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生更深入認(rèn)識(shí)科學(xué)研究方法的多樣性.

2.3 有序構(gòu)思關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的單元教學(xué)安排

科學(xué)本質(zhì)作為核心素養(yǎng)的重要組成部分，鐘啟泉教授認(rèn)為“核心素養(yǎng)—課程標(biāo)準(zhǔn)—單元設(shè)計(jì)—課時(shí)計(jì)劃”是落實(shí)素養(yǎng)環(huán)環(huán)相扣的基本環(huán)節(jié).以往的備課通常是從課標(biāo)直接指向課時(shí)計(jì)劃，忽略了課時(shí)之間的聯(lián)系，不利于學(xué)生形成大概念.新一輪課程改革倡導(dǎo)在課時(shí)計(jì)劃前，進(jìn)行單元設(shè)計(jì)能更好地整合學(xué)科內(nèi)的關(guān)系，更有利于核心概念、規(guī)律、能力、方法、思想的形成與長(zhǎng)期發(fā)展.因此，在教學(xué)實(shí)踐中融入科學(xué)本質(zhì)教育，尤其需要教師從單元設(shè)計(jì)出發(fā)整體規(guī)劃教學(xué)，不能片面地將內(nèi)容硬塞到每節(jié)課時(shí)中，而是應(yīng)當(dāng)有所權(quán)衡、系統(tǒng)地分配到每節(jié)課堂當(dāng)中.

安排一個(gè)單元的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)前需解構(gòu)章節(jié)之間的聯(lián)系，再結(jié)合前面的分析，制訂單元教學(xué)目標(biāo)與課時(shí)安排，以“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”單元為例，如圖4所示.“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”這一單元是學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，從理論到實(shí)踐應(yīng)用的學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程.每節(jié)內(nèi)容蘊(yùn)藏的科學(xué)本質(zhì)方面雖有重疊，但各有側(cè)重，互相聯(lián)系.例如前3節(jié)內(nèi)容幾乎都包含了“實(shí)證性”與“科學(xué)方法的多樣性”，因此，可以在橫向上進(jìn)行單元聯(lián)結(jié)，在“牛頓第二定律”這節(jié)實(shí)驗(yàn)探究后，再?gòu)?qiáng)化“實(shí)證性”與“科學(xué)方法的多樣性”（具體操作可見(jiàn)上表3的示例），從而從整體上凸顯研究不同問(wèn)題的有效手段是實(shí)驗(yàn)，但具體的科學(xué)方法卻不唯一.而在每節(jié)課時(shí)中，則有所側(cè)重地從縱向的角度突出本課時(shí)較獨(dú)立的科學(xué)本質(zhì)方面.例如“牛頓第一定律”的歷史發(fā)展歷程，通過(guò)不同的科學(xué)家的觀察，推理出了不同的運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，很好地表現(xiàn)了“觀察與推理”這一科學(xué)本質(zhì).

圖4 單元的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)與課時(shí)安排示例

2.4 擬定融入科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的最佳教學(xué)設(shè)計(jì)

在詳盡的教材分析與單元設(shè)計(jì)后，把科學(xué)本質(zhì)融入到每節(jié)課時(shí)的具體教學(xué)設(shè)計(jì)將是水到渠成的過(guò)程.基于前面的準(zhǔn)備工作， 根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，收集教學(xué)資源，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)，梳理邏輯清晰的問(wèn)題鏈，融入適當(dāng)?shù)目茖W(xué)本質(zhì)反思性問(wèn)題，是進(jìn)一步細(xì)化每節(jié)課科學(xué)本質(zhì)教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.教學(xué)示例如表4所示.

表4 牛頓第一定律的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)示例

3 結(jié)語(yǔ)

目前，關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀念的教學(xué)設(shè)計(jì)案例越來(lái)越多，但都是零散地針對(duì)某一章節(jié)，這與需要長(zhǎng)期培育滲透的科學(xué)本質(zhì)觀念教育不適配.因此，應(yīng)考慮以單元為教學(xué)基元，系統(tǒng)地、長(zhǎng)遠(yuǎn)地設(shè)計(jì)關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的單元教學(xué).

科學(xué)本質(zhì)視域下的單元教學(xué)設(shè)計(jì)，從教材的科學(xué)本質(zhì)表征分析開(kāi)始，再到整體單元的思考與規(guī)劃，最后又細(xì)化到每一章節(jié)的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)設(shè)計(jì).這種從“點(diǎn)”到“面”再回到“點(diǎn)”的單元教學(xué)設(shè)計(jì)模式，是在如今倡導(dǎo)的單元教學(xué)模式下的拓展與創(chuàng)新.這也意味著科學(xué)本質(zhì)視域下的單元教學(xué)，要求教師對(duì)科學(xué)本質(zhì)有著深刻的理解，才能有效地進(jìn)行設(shè)計(jì).

簡(jiǎn)而言之，這一單元設(shè)計(jì)模式既契合國(guó)家基礎(chǔ)教育課程改革的理念，又適應(yīng)科學(xué)本質(zhì)觀念并非一蹴而就的發(fā)展特點(diǎn)，是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效探索.