科學技術史教育的一種范式——以“牛頓第一定律”教學為例談科學技術史教育

韓耀強

(海鹽縣教研室,浙江 海鹽 314300)

觀察實際課堂不難發(fā)現(xiàn),教師們比較重視知識和技能的教學,尤其是結(jié)論性知識更是受到青睞,往往急于把結(jié)論呈現(xiàn)給學生,而輕視知識發(fā)生的過程分析,更不用說科學技術史教育融入科學課程以進一步培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)了.

在科學教學中適當引入科學技術史內(nèi)容,能幫助學生領悟科學的本質(zhì)、科學的人性,培養(yǎng)學生科學情感、態(tài)度與價值觀,以增強科學教學的趣味性、思想性和啟發(fā)性,提高教學質(zhì)量.本文以“牛頓第一定律”教學為例,提出一種科學技術史教育的范式.

1 教學案例呈現(xiàn)

1.1 教學任務分析

圖1

本課的教學內(nèi)容是浙教版7年級下《科學》教材第2章第7節(jié)“牛頓第一定律”,教學任務是牛頓第一定律及其實際應用.綜觀本節(jié)教學內(nèi)容,對于學生而言,教學難點主要來源于兩個方面:其一是明確“力是維持物體運動的原因”觀點是錯誤的,其二是伽利略理想實驗的推理過程.基于上述思考,教學重點確定為:以知識為載體,以實驗為手段對學生進行伽利略科學思想方法的教育,讓學生在實驗和推理的過程中體會科學方法,產(chǎn)生對科學探究的積極情感.教學目標設計如下.

知識與技能:

(1)了解有關運動和力的關系的歷史發(fā)展,知道理想實驗是科學研究的重要方法.

(2)理解并掌握牛頓第一定律的內(nèi)容和意義.

過程與方法:

(1)通過斜面—小車實驗,培養(yǎng)學生的觀察能力.

(2)通過實驗分析,初步培養(yǎng)學生科學的思維方法(分析、概括、推理).

情感、態(tài)度與價值觀:

(1)通過科學技術史的簡介,體悟自然科學定律發(fā)現(xiàn)的艱辛和科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.

(2)通過伽利略的理想實驗,給學生以科學方法論的教育.

知識內(nèi)容線索、科學技術史線索和教學活動總框架如圖1所示.

1.2 教學過程具體設計和意圖

基于教學任務、教材知識線索和科學技術史線索的分析,教學活動過程具體設計如表1.

表1

2 精彩片斷賞析

2.1 現(xiàn)象觀察,引出亞氏觀點

師:科學建立在觀察和實驗基礎上,首先考察大家的觀察能力,請看一個現(xiàn)象(實驗1):推動紙盒,紙盒運動;停止推紙盒,紙盒停止運動.問:請描述你看到的現(xiàn)象.

生:改變了位置,發(fā)生了運動.

師生歸納:有了推力,紙盒運動;撤去推力,紙盒靜止.

師:在這個現(xiàn)象中反映出力和運動有怎樣的關系呢？

生1:物體受力就會運動,撤去這個力就會靜止.

生2:力能改變物體的運動狀態(tài).

師:(及時記錄學生觀點并追問)到底哪一種觀點是正確的呢？

生普遍認同第2種觀點,師表揚“不愧為21世紀的人才”后順水推舟介紹2000多年前亞里士多德的觀點:物體受力就運動,不受力就靜止.這個現(xiàn)象普遍嗎？在學生生活舉例基礎上,說明亞氏是在觀察基礎上得到結(jié)論:力是維持物體運動的原因.這一觀點與日常經(jīng)驗直覺相符合為人們所信奉.接著簡要介紹亞氏的貢獻:在西方科學和思想體系中的地位類似于孔子在東方儒學界中的地位;在動力學方面第1次提出了力與運動間存在關系的論點.這么偉大的科學家、思想家卻有一個怎樣的弱點呢？(學生語塞)他主要是通過對事物的觀察而直接得出結(jié)論,所以他的許多結(jié)論缺少思辨的過程.板書亞氏的研究方法:觀察加直覺.

點評:這一處理不僅尊重史實,肯定亞里士多德的貢獻,客觀評價其研究方法,也便于與伽利略開創(chuàng)的近代科學研究方法相對比.由于在“力的存在”學習中已經(jīng)知道,力能改變物體的運動狀態(tài).如果實際教學中沒有按預設出現(xiàn)亞氏觀點,則在介紹伽氏觀點后作為一種問題提出.

2.2 實驗分析,引入伽氏觀點

師:現(xiàn)在請看另外一個現(xiàn)象(實驗2):推四輪小車.問:給小車一個推力后,小車怎么樣？生答:運動.問:當小車在運動過程中,這手是不是一直在推它呢？生答:不是.問:說明什么呢？是不是撤去外力了,物體一定就靜止了？

生:不是,物體還會繼續(xù)運動一段距離才靜止.

師:這個實驗現(xiàn)象和亞氏觀點相違背,所以根據(jù)觀察和直覺得出的結(jié)論不一定正確.那么應當怎么做？

生:(自然而然)實驗.

點評:讓學生仔細觀察小車離開手后的運動情況,分析是否還受到推力.用亞氏觀點無法解釋從而引起認知沖突.

師:不錯.300多年前的伽利略是第一個認識到僅靠觀察加上直覺是無法得出正確結(jié)論的人,那么,他在當時是通過怎樣的實驗發(fā)現(xiàn)亞氏觀點是錯誤的呢？有同學知道嗎？(學生語塞)那我就告訴大家:他做了一個理想斜面實驗(演示并和學生一起分析實驗).

圖2

讓小球沿一個斜面從靜止在某一高度滾下來,小球?qū)L上另一個斜面,如圖2.請觀察有沒有到達原來的高度？學生分析小球不能到達同一高度原因.假設沒有摩擦,學生認同小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?如果減小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面上達到原來的高度就要通過較長的路程(演示、觀察).繼續(xù)減小第二個斜面的傾角,小球通過的路程更長(演示、觀察).當傾角為零成為水平面時,小球為了達到那個永遠無法達到的高度而一直運動下去(演示、觀察).這就是伽利略當時用理想實驗說服大家所描述的結(jié)果:運動物體沒有摩擦會永遠運動下去.這說明運動不需要力來維持.

請思考:伽利略的研究方法？師生共同總結(jié)(板書):實驗加推論.

可見,理想實驗方法的特點是以事實為基礎,假設理想化的條件,在頭腦上做實驗,進行推理想象,歸納出規(guī)律性的結(jié)論.伽利略的貢獻在于他提出了摩擦是影響物體運動的原因,沒有摩擦物體將在水平面上永遠運動的觀點.更重要的是他認識到要驗證一個結(jié)論是不是正確可以通過實驗的方法來進行.他第一個走出“直觀觀察就能得出結(jié)論”的誤區(qū),提出了依靠實驗來驗證自己觀點的科學研究方法.

你們想不想驗證“摩擦是影響物體運動的原因”這一觀點？師生共同討論教材參照伽利略斜面實驗設計的一個探究活動.

點評:愛因斯坦曾指出“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所采用的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一.”所以伽利略的理想斜面實驗具有方法教育的重要價值.在了解實驗原理基礎上,讓學生懂得理想實驗方法的特點.

3 科學史教育的基本思路

“牛頓第一定律”的教學實踐不僅告訴我們科學技術史可以向?qū)W生生動地展示科學發(fā)展的動態(tài)過程,幫助學生把握科學的本質(zhì)特征、理解科學的發(fā)展與人類的關系,有助于學生了解科學探究的不同側(cè)面,科學的人性側(cè)面,以及科學在各種文化發(fā)展中的作用.同時也給我們提供了科學技術史教育的一種基本思路.

3.1 解讀教材,把握線索,明確任務

教科書是新課標的重要載體,也是學生學習的重要資源.首先我們要解讀教材,一方面理清教材的知識順序,研究知識間聯(lián)系,挖掘知識內(nèi)涵,領會編者意圖,在尊重教材的知識線索的基礎上設計知識線索;另一方面挖掘隱含的科學技術史教育線索,在教材基礎上對科學技術史教育內(nèi)容通過自己的再創(chuàng)造,進行必要的調(diào)整與補充.

同時,我們還需要客觀分析學生原有的學習水平(前概念),作為教學的起點.對科學技術史學習的層次目標進行合理的定位,不要過高或過低估計學生對科學技術史知識的理解和掌握程度,從而制定符合課程標準要求和學生實際,體現(xiàn)素質(zhì)教育的三維教學目標.

3.2 有機結(jié)合,激發(fā)興趣,整體設計

《初中科學課程標準(2011年版)》在第3部分課程內(nèi)容關于科學技術史融入科學課程的若干建議中指出:“科學技術史融入科學課程時,要有選擇性和針對性,要有明確的目標和要求”.這就要求我們在引入科學技術史時在尊重史實基礎上要適當、要有機而不能隨心所欲.

有效的學習總是從教學設計開始,科學技術史教育也不例外.科學家探究科學的過程與學生探究科學的過程具有很大的相似性.為了有效地幫助學生理解科學、提高科學素養(yǎng),我們需要閱讀相關的科學傳記,一則對科學進展有了深入了解,二則課堂上更能左右逢源,把人物的靈氣活現(xiàn)出來.可以參照科學家探究科學的過程,設計學生的探究科學的過程以激發(fā)興趣.在教學任務分析基礎上,依據(jù)三維教學目標從知識線索和科學技術史教育線索中尋找結(jié)合點,創(chuàng)設教學活動過程.

科學技術史教育不僅能使學生沿著科學家探索科學的道路,理解科學的本質(zhì)和科學研究的方法,學習科學家獻身科學的精神,而且是實現(xiàn)新課程情感、態(tài)度與價值觀目標的有效載體.