基于核心素養提升科學史對科學本質理解的教學實踐研究

徐華利

摘 要：科學課程的核心理念就是培養學生通過學習科學知識內化為帶有學科特征的品質，而這一品質的實現離不開對科學本質的理解。在課堂教學中合理有效利用科學史將有助于學生理解科學本質。本文講述的教學設計是以氧氣的發現史為線索，學生活動為主體，完成“聚焦主任務、初探科學史、建立科學本質、再探科學史、感悟科學精神”五個環節的學習。

關鍵詞：核心素養；科學史；科學本質

一、研究背景

當前以知識傳遞為中心的課堂教學已逐步走向培養學生核心素養為中心的新課堂教學， 核心素養注重的不僅是傳遞知識和技能，更注重的是獲得知識的能力，解決問題、動手動腦的能力，全面發展和提升學生的綜合能力水平，并突破以往的被動的傳統受教育局面，建立以核心素養背景下的學生課堂自主學習、積極探索、自主求新等能力的提升與促進。面對著科學發展的日新月異，科學作為剖析事實、解決疑惑、探索求真的一門學科，從其自身的基礎文化、理論、發展史，我們不難看出，科學在融入教育過程中，科學史將是學生探究一切事物的根本及追溯并見證事實的源泉，從而使學生了解科學從產生到發展的歷史過程，感受科學家當初的研究情景，感悟科學家們追求真理的精神，從而深刻理解科學本質，養成良好的科學素養。縱觀近幾年中考科學，出題者對于出題重點傾向于知識遷移、知識應用等能力提升的題型，充分體現了對科學本質理解的要求及培養科學素養的重要性，如何促進對科學本質理解的課堂已成必然。

二、概念界定

1.核心素養

核心素養從宏觀來看，它包括傳統的雙基指向，即基礎知識和基本技能，也包括問題解決指向及學科思維和價值觀指向；具體來說包括人文素養、信息素養、公民素養等。就科學而言，科學學科核心素養包括思維與方法、探究與交流、觀念與應用、態度與責任。它們將科學知識與技能的學習、科學思想觀念的建構、科學探究與解決問題能力的發展、創新意識和社會責任感的形成等方面的要求融為一體，形成完整的科學學科核心素養體系。

2.科學史

薩頓（G.Sarton，188仁1956），最早已經明確了科學是定義不同時期不同地點所系統化的實證知識，而科學史將是科學知識發展的記載和說明。在傳統的科學教學中，經常把科學史作為一種附加知識放在教學中，老師大多以講故事的方式進行課堂教學。隨著素養立意的時代到來，在教育實踐中以建構主義理論為指導，提出一種新的課堂教學模式。在科學教學中把科學史、知識、技能、人文社會相關內容有效結合融入課堂，以促進學生對科學本質的理解。

3.基于核心素養理念促進科學史對科學本質理解的模型課

科學的探索自當以學生的自主學習與發現為依托，建立自主的課堂學習模式，展現出課堂主體的主觀作用，深入學習和探討科學文化知識，形成課堂發散思維的一致律動，并伴隨著主觀能動意識的逐漸增強，對事物的根本進行本質的剖析，加之教師的客觀引導，巧妙借用科學發展史，加速學生科學思維“律動”的積極展開，從而加快了學生探索真理下的思維蠕動。而科學史教學與傳統教學模式最大的區別在于：科學史教學要教育學生通過積極的思考、知道知識的來源與發展、從本質上理解、獲取知識，發展自己的能力，形成自己的品格。怎樣讓學生本質理解？這正是教育者該認真研究的一大課題，筆者認為可以從“聚焦主任務、初探科學史、建立科學本質、再探科學史、感悟科學精神”五個環節建立科學史課堂的模式（如下圖）。

三、科學史對課堂教學的具體實施過程

1.情景導入，聚焦主任務

建構主義學習理論將知識的傳授問題歸結為學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助并通過意義建構的方式而獲得。我們知道課堂情景導入的方式以及題材的選擇是課堂設計首先需要解決的問題，也是影響學生學習興趣，決定課堂學習效率的重要因素，課堂導入有復習法、認知沖突法、情景導入法等，筆者認為情景導入法更能激發學生的學習積極性，尤其是針對我們初中學生，學生素養不高、學習有惰性、自主學習能力不強等現實問題，避免在課堂上出現“老師拖著學生走”的現象。所謂情景導入，是指利用學生生活中的情景認引出課堂需要解決的核心問題，讓學生知道知識源于生活，一定程度地推動學生主動獲取新知。

【案例】

筆者有機會參加2017年的初中科學年會展示課，內容選自初二科學是“空氣中的氧氣”。 作者以氧氣的發現史為線索，學生活動為主體，教師為主導，完成“聚焦主任務、初探科學史、建立科學本質、再探科學史、感悟科學精神”五個環節的學習。

【情景導入】聚焦主任務

公元2018年1月18日農歷十二月初二，是我們班***同學生日，上課前請每一個小組同學點燃生日蠟燭，我們一起來祝福這位同學：生日快樂、學習進步。

思考：在祝福中，蠟燭為什么不斷的減少？燃燒的本質是什么？將其中的一支蠟燭用玻璃杯罩住，蠟燭為何熄滅？這與什么有關？空氣中氧氣的體積分數是多少？

反思：生活情境導入能從一定程度激發學生學習欲望，使學生帶著問題進行思考。通過這樣的預設大家都迅速進入課堂實驗，通過觀察分析實驗，表達了自己的見解與想法。這種教學方式老師將學生的學習能動性變得更為主動，有效培養學生動手解決問題的核心素養能力。

2.追溯歷史，初探科學史

科學史既是對過去實際發生的事情的述說也是對這種“述說”背后起支撐作用的觀念、理論進行反思和解釋。從施塔爾的“燃素說”到普利斯特利的“脫燃素說”，再到拉瓦錫的“氧化說”在這幾位科學家探尋科學史可能會花費一點上課時間，但能潛移默化的構建了學生觀察實驗的方法。學生在理解科學史上科學家的觀察實驗方法和建構科學理論的方法的同時，理解了科學的本質。

【案例】

初探科學史

燃素說--- 1703年，德國化學家施塔爾在總結了前人關于燃燒本質的各種觀點基礎上，提出了“燃素學說”。“燃素學說” 認為有一種看不見的所謂的燃素，存在于可燃物質內。例如蠟燭燃燒，燃燒時燃素逸去，蠟燭縮小下塌而化為灰燼，認為燃燒失去燃素現象，即：蠟燭-燃素=灰燼。

脫燃燒氣體說---普利斯特里在1774年用凸透鏡聚焦加熱 “三仙丹”（汞的氧化物）時收集到一種氣體，通過實驗發現這種氣體能夠助燃，蠟燭在其中燃燒能發出耀眼的光芒，老鼠在這種氣體中生活自如，并且能夠比在相同體積的空氣中多存活一段時間，他還親自試吸，感到十分輕松舒服。因此他成為歷史上第一位報道氧氣性質的人，可是由于他是一位虔誠的燃素說信徒，所以他不僅沒有對自己的發現給出正確的解釋，反而錯誤的推斷這種氣體是“脫燃燒氣體”。

氧化說---1774年，拉瓦錫在實驗中發現：密閉容器內錫和鉛經加熱后表面形成了一層金屬灰，加熱后容器內物體的總重量未改變，但錫和鉛的重量增加了，而空氣減少了。他意識到這一現象的本質是金屬與空氣中某些成分發生了化學變化。在這不久，拉瓦錫知道了這個事情，他重新做了普里斯特利的實驗，通過自己的觀察與實驗最終發現了：與金屬發生反應的是空氣的氧氣。

1777年，法國化學家拉瓦錫正式提出了氧化學說：燃燒的本質是物質與氧的化合。

反思：科學史紀錄著科學發展的歷程，是真理不斷被揭示。但是科學史的優勢并不在于簡單的傳遞知識，而是提供了科學知識的生長點。科學史提供了知識產生的背景，重視科學家探究知識的過程，為學生知識的構建提供了天然的支架。讓學生在歷史背景或框架中學習氧氣發現的有關知識，可以使學生更準確地理解氧氣的發現及認識過程。

3.自主構建，建立科學本質

所謂自主建構，是指在教學過程中，強調學生通過實驗的活動和思考（而不是由教師向學生進行單向的知識傳遞），在已有經驗的基礎上建構新知識。在此過程中學生不單純是知識的接受者，更是一位對知識進行自主構建、發現的行動者。通過自身活動，與原有的經驗、認知的相互作用，豐富和充實自己的知識、經驗，從而得到持續發展，并逐步培養了學生對科學本質的真正理解。

【案例】

建立科學本質

科學家的偉大在于他能打破傳統思想束縛，透過現象看本質，愛思考，同學們你們能不能像科學家拉瓦錫一樣再動動腦筋，兩個瓶內物質都發生了燃燒，左邊的瓶我們可以通過觀察氣球大小變化來知道瓶內氣體體積變化，那么右邊的瓶內氣體有沒有減少？如果也減少了，請你設計一種方法。

反思：以科學史為主線，實驗操作與演示為主體，通過問題情境的層層深入，從設問到解問，不斷剖析，培養學生一種勤于思考，解決問題的能力。

4.感知真理，再探科學史

初中生好奇心強，對新事物感興趣但對知識僅僅停留在表面，忽視了對知識本源的理解與探索。以科學史的實驗再現，結合現在的科學實驗和結論，能促進學生對基本概念的理解。通過再探科學史能有效展示科學本質的內涵，改變原有的科學觀，讓學生從科學概念、定理、理論的發現和演變基礎上準確把握科學本質。

【案例】再探科學史

金屬燃燒法

化學就愛拉瓦錫將少量汞放入密閉容器里持續加熱，12天后觀察到有一部分銀白色的液態汞變成紅色粉末，同時容器里的空氣體積減少約為1/5。拉瓦錫繼續研究余下氣體，結果發現余下氣體既不能供給呼吸，又不能支持燃燒。拉瓦錫又把紅色粉末收集起來，放在另一個容器內加強熱，得到了金屬汞和可供給呼吸、可助燃的氣體。

通過這些實驗，拉瓦錫提出空氣是由氧氣和氮氣組成，其中氧氣體積約占空氣總體積的1/5。

空氣混合說

科學在不斷的進步，技術在不斷提高，現代科學家通過精確的實驗，證明了空氣中各組分氣體的體積分數大約是：氮氣78%，氧氣21%，稀有氣體0.93%，二氧化碳0.04%和雜質0.03%。在通常情況下，空氣中各成的比例相對穩定。

反思：通過自己動手實踐操作，既體會了科學家追求真理的過程又感悟出我們的實驗原理與科學家當初研究問題時的共同性。經過實踐與討論讓學生意識到科學的有用性和重要性，也體現了科學學習從生活走向科學，從科學走向社會的課程理念。

5.體驗科學之旅，感悟科學精神

巴浦洛夫曾說過：“重要的是科學方法、科學思想的總結。”在課堂教學中重走科學家的探索之路，感悟科學家追求真理時那種忘我精神與人格魅力，為自己今后的學習打下基礎，培養學生的科學素養。

四、基于核心素養提升科學史對科學本質理解的教學反思

（1）關注學生學情 優化教學內容

學習的過程是一個螺旋上升的過程。考慮到八年級的學生對空氣的成分已有一定認識，對部分氣體的證明已初步了解，因此對本節內容進行了選擇處理，著重學習空氣中的氧氣。本節課氧氣的發現史中從施塔爾的“燃素說”到普利斯特利的“脫燃素說”再到拉瓦錫的“氧化說”，在這幾位科學家探尋科學史可能會花費一點上課時間，但能潛移默化的構建了學生觀察實驗的方法。學生在理解科學史上科學家的觀察實驗方法和建構科學理論的方法的同時，理解了科學的本質。

（2）創設情境 激發學習興趣

情景的創設還原了事物發生的真實狀況，我們單一的說講和簡單的描述已經不能滿足學生的欲望，視覺效果的沖擊力將大大提升了學生的觀感認知，并深深吸引力學生的目光。我們在情景的創設中加入了現代化的元素，將多媒體的動畫效果呈現在了課堂之上，我們將科學的實驗用視頻的形式投放到了課堂，將科學史中學者完成的實驗淋漓盡致的展現，變化的動態效果加之相關文字和圖片的注釋，很好的激發了學生的學習興趣和探索的欲望。如在氧氣體積分數測定時我采用了循序漸進的手法，沒有直接告訴學生用進入水的體積來替代空氣中氧氣的體積。而是從實驗現象層層遞進不斷在問題中解決，在解決中提高，讓學生自己建立起等效替代的思想。有效的解決了本節課中的難點。

（3）建立問題主線 強化探究意識

為何要建立問題主線，實際上問題的提出即是對結果的初始探討和判斷，我們在實驗中以問題為驅導，目的是為了強化學生的自主探究意識，以實驗的形式進行考證，從而達到深化問題和解決問題的目的。我們將發展史中的經典實驗進行分解和解析的同時，是從感官上讓學生認識到發展史中學者的思想和應用方法，提升學生的理性判斷能力。如在空氣中氧氣的體積分數測量實驗時，不能只把實驗器材放在學生桌上讓他們自己完成，而是需要通過一系列的問題設計與引導，使學生逐漸摸索和理解獲得正確的測量方法。在實驗操作的過程中學生通過仔細觀察實驗，記錄實驗結果，并有效的對實驗結果進行小組討論、組間交流，最終概括出合理有序的影響實驗測量結果的因素。通過這樣的課堂教學，我們不僅教會學生知識，更培養學生的綜合能力和提升學生的科學素養。

利用科學史教學來理解科學本質是培育核心素養的關鍵一環，對教學目標的達成具有現實意義，“空氣中氧氣”這一堂課是筆者進行科學史教學的良好開端，筆者深刻認識到它的重要性，有效性，初步了解了科學史課堂模式，并在接下來的課堂中不斷實踐、不斷改進與提升。作為一線教師，更要努力的探索教育新模式，琢磨教育新方法，有意識地在科學知識和技能教學時，注重學生科學興趣的培養，提升學生的核心素養，讓學生的思維靈動起來，更好地體味學習的樂趣和奧妙！

參考文獻：

[1]朱文芳主編：《建構主義學習理論簡介》人民教育出版社.

[2]田玲玲.中學物理教學培養學生核心素養教學策略探究[D].山東師范大學，2015.

[3]張明生 關文信《新課程理念與初中科學課堂教學實施》，首都師范大學出版社，2009.5.