基于HPS理念的《晝夜交替現(xiàn)象》教學(xué)設(shè)計(jì)探析

◇張 馳 王思錦 谷玉蘭（中國(guó)人民大學(xué)附屬小學(xué) 北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 中國(guó)人民大學(xué)附屬小學(xué)）

HPS（History and Philosophy of Science）是科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)的英文縮寫。邁克爾·馬修斯認(rèn)為將HPS融入當(dāng)代科學(xué)教學(xué)，是指向科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)。科學(xué)不僅包含科學(xué)事實(shí)、科學(xué)定律、科學(xué)理論等科學(xué)產(chǎn)物，還應(yīng)包含科學(xué)過程性的知識(shí)——在科學(xué)發(fā)展與科學(xué)主張檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)的社會(huì)性、技術(shù)性以及知識(shí)性的方法，科學(xué)教育應(yīng)將歷史與哲學(xué)融入其中。

但科學(xué)涵蓋的領(lǐng)域并不單一，每個(gè)領(lǐng)域都有自己獨(dú)特的方法論與認(rèn)識(shí)論。地球科學(xué)哲學(xué)認(rèn)為，地學(xué)的學(xué)習(xí)方法主要是模型建構(gòu)，要經(jīng)過實(shí)體觀察、提出假說、構(gòu)建模型、模型驗(yàn)證的學(xué)習(xí)過程。同時(shí)，小學(xué)科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)關(guān)注科學(xué)思維的培養(yǎng)，其中的模型建構(gòu)，既是科學(xué)思維的基本要點(diǎn)，也是研究地球與宇宙科學(xué)的核心方法。

《晝夜交替現(xiàn)象》是教科版《科學(xué)》六年級(jí)上冊(cè)“地球的運(yùn)動(dòng)”單元第二課。本設(shè)計(jì)是以HPS的視角探討科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到隱藏于地球科學(xué)知識(shí)背后地學(xué)發(fā)展的歷史、呈現(xiàn)的地學(xué)的研究方法以及蘊(yùn)含的地學(xué)精神。

本課的教學(xué)目標(biāo)如下。

科學(xué)觀念：

1.知道晝夜交替現(xiàn)象有多種可能的解釋。

2.了解晝夜交替現(xiàn)象與地球和太陽(yáng)的相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)有關(guān)，認(rèn)識(shí)到晝夜交替現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是地球自轉(zhuǎn)引起。

科學(xué)探究：

1.經(jīng)歷地球科學(xué)學(xué)習(xí)的過程，觀察并搜集晝夜交替的科學(xué)現(xiàn)象，提出地球產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的多種假說；合理構(gòu)建模型，在模擬實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證假說，在真實(shí)情況中尋找更多依據(jù)解釋假說。

2.發(fā)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的利弊，模擬現(xiàn)象需要在真實(shí)情況中進(jìn)行驗(yàn)證。

科學(xué)態(tài)度：

尊重每種假說的提出與判斷，感受晝夜交替現(xiàn)象對(duì)地球上生命的重要。

科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境：

了解人類對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的，愛護(hù)地球保護(hù)環(huán)境。

本課的教學(xué)資源如下。

演示材料：地球儀、燈泡、多媒體課件、地球和太陽(yáng)充氣模型。

分組材料：地球儀（北京處做標(biāo)記）、燈泡、記錄單。

教學(xué)資源（部分）

以下為本課的教學(xué)過程。

一、集中話題

（一）實(shí)體觀察

晝夜交替現(xiàn)象視頻，聚焦話題，引導(dǎo)學(xué)生思考兩個(gè)問題：從視頻中你看到了哪些自然現(xiàn)象？這種變化出現(xiàn)一次需要多長(zhǎng)時(shí)間？

（二）解釋課題

夜晚我們也可以稱它為“夜”，白天我們也可以稱它為“晝”，每天都有一個(gè)晝和一個(gè)夜，然后又會(huì)有一個(gè)晝和一個(gè)夜，它們交替出現(xiàn)，我們稱這種現(xiàn)象為“晝夜交替”，出現(xiàn)一次晝夜交替的時(shí)間是24小時(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：通過錄像結(jié)合自身體會(huì)，集中話題。通過談話明確什么是“晝夜交替現(xiàn)象”。

二、探索與調(diào)查

（一）原型交流與討論：晝、夜以及晝夜交替的自然現(xiàn)象特征

課前分發(fā)記錄單，觀察并記錄晝、夜以及晝夜交替的特點(diǎn)，通過學(xué)生交流，梳理出常見自然現(xiàn)象。

隨著學(xué)生說，在黑板上提取。

預(yù)設(shè)：1.太陽(yáng)升起，天亮了；太陽(yáng)落下，天暗了。2.晝夜的交替不是瞬間完成的，是慢慢進(jìn)行的。3.在晝夜交替過程中，太陽(yáng)和月亮也在交替出現(xiàn)。4.晝夜交替的總時(shí)間是不改變的，都是24小時(shí)。5.每天都會(huì)有晝夜交替。6.人們的生活伴隨晝夜交替發(fā)生變化，動(dòng)植物也是如此……

設(shè)計(jì)意圖：從自然現(xiàn)象中提取科學(xué)問題，聚焦課題，做出晝夜交替產(chǎn)生的假說推測(cè)并交流。

（二）提出假說：晝夜交替是怎么形成的？

轉(zhuǎn)化為兩個(gè)具體問題：晝夜交替和什么有關(guān)？它們?cè)趺催\(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)晝夜交替？

預(yù)設(shè)：很多學(xué)生能夠說出地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此相當(dāng)一部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為這種看似“正確、權(quán)威”的觀點(diǎn)就是晝夜交替現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。閱讀量大的學(xué)生已經(jīng)知道是由于地球自轉(zhuǎn)引起的，還會(huì)有學(xué)生認(rèn)為和月亮有關(guān)系。

根據(jù)預(yù)設(shè)情況，在此可以做以下處理。

問題1：你是從哪里知道的這些信息？

問題2：這些觀點(diǎn)你親自驗(yàn)證過嗎？如果只是今天想到而未驗(yàn)證過，那這只能算作一種假說。

問題3：月亮有什么特點(diǎn)？

排除干擾因素后，接著提問：還有沒有其他假說能夠解釋晝夜交替現(xiàn)象？組織學(xué)生小組討論，并記錄假說，教師現(xiàn)場(chǎng)拍照并投影交流。

設(shè)計(jì)意圖：通過幾個(gè)追問，能夠幫助學(xué)生初步把干擾因素排開，將話題聚焦在地球、太陽(yáng)以及二者如何運(yùn)動(dòng)上。

（三）構(gòu)建模型

1.出示實(shí)驗(yàn)材料，組織學(xué)生思考、交流以下問題：

（1）用什么模擬什么？

（2）怎么知道哪里是晝，哪里是夜？又怎么看出來晝夜交替？

預(yù)設(shè)：燈泡模擬太陽(yáng)、用地球儀模擬地球、用乒乓球模擬月亮（如果依然有學(xué)生想驗(yàn)證月亮）。

提示：可以在地球儀上標(biāo)示出北京、紐約兩個(gè)地點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)比觀察。

（3）怎樣模擬實(shí)驗(yàn)，能更加逼真地還原晝夜交替現(xiàn)象？

提示：要緩慢地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；認(rèn)真觀察，思考實(shí)驗(yàn)方法是否與假說一致。

2.學(xué)生分組模擬實(shí)驗(yàn)

3.匯報(bào)交流

幫助學(xué)生梳理，能夠產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的情況主要有以下幾種：

（1）地球繞太陽(yáng)自轉(zhuǎn)；

（2）地球公轉(zhuǎn)；

（3）地球自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)；

（4）地球不動(dòng)，太陽(yáng)繞地球自轉(zhuǎn)；

（5）地球不動(dòng)，太陽(yáng)繞地球公轉(zhuǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過討論原型特征構(gòu)建模型，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該盡量逼近真實(shí)的自然情況，從而在模擬實(shí)驗(yàn)過程中驗(yàn)證假說。

三、形成解釋

（一）討論幾種產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的方法共性：地球與太陽(yáng)產(chǎn)生了相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)。

科學(xué)史滲透：其實(shí)在人類認(rèn)識(shí)地球的歷史過程中，這些假說都曾經(jīng)出現(xiàn)過，并在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是正確的。

（二）原型解釋：對(duì)比原型與模型

隨著學(xué)生交流，用形成的共識(shí)對(duì)照開始的假說，檢驗(yàn)其是否成立，并在黑板上標(biāo)示清楚。

預(yù)設(shè)：地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次晝夜，而公轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是一年。與實(shí)際情況不符合。

地球自轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次晝夜，自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為24小時(shí)。符合實(shí)際情況。

對(duì)于不好判斷的假說，教師做出以下解釋，比如：

地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)與太陽(yáng)繞地球轉(zhuǎn)，只是參照系不同。（結(jié)合玩旋轉(zhuǎn)木馬時(shí)周圍景物的運(yùn)動(dòng)方向解釋。）

出示太陽(yáng)與地球的充氣模型，對(duì)比發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)與地球的質(zhì)量與體積的差異，所以太陽(yáng)圍繞地球轉(zhuǎn)不符合實(shí)際。

談話：科學(xué)認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展并可以被推翻的。因此目前為止，我們可以認(rèn)為晝夜交替現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是地球自轉(zhuǎn)。但是隨著人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的增多，可能會(huì)出現(xiàn)更多的證據(jù)，今天的認(rèn)識(shí)也有可能被推翻。

（三）小結(jié)

談話：梳理我們目前的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于晝夜交替現(xiàn)象我們依次經(jīng)歷了“觀察與搜集自然現(xiàn)象—提出假說—構(gòu)建模型—模擬實(shí)驗(yàn)—與真實(shí)情況對(duì)比修正假說”這樣的過程。面對(duì)浩瀚的宇宙，這樣的研究方法會(huì)幫助我們收獲更多。

設(shè)計(jì)意圖：通過交流發(fā)現(xiàn)幾種產(chǎn)生晝夜交替現(xiàn)象的假說的共性：地球與太陽(yáng)做相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)，并滲透科學(xué)史；在與原型（真實(shí)情況）做對(duì)比的過程中，利用更多的證據(jù)推翻不合理的假說；通過梳理研究過程，滲透地球科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，即實(shí)體觀察—提出假說—構(gòu)建模型—模型驗(yàn)證。

四、拓展與應(yīng)用

思考并交流：如果晝夜交替不是這樣有規(guī)律地出現(xiàn)，對(duì)地球上的生物有怎樣的影響？

設(shè)計(jì)意圖：感受到晝夜交替現(xiàn)象對(duì)生物的影響，感悟地球科學(xué)“天人合一”的思想。

學(xué)生記錄單

板書設(shè)計(jì)

從以上教學(xué)過程可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)主要具備以下特點(diǎn)。

首先，聚焦小學(xué)科學(xué)核心素養(yǎng)，基于HPS科學(xué)教育理念，探索科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)。在晝夜交替現(xiàn)象的研究中滲透科學(xué)史，讓學(xué)生感受到自己提出的假說在人類認(rèn)識(shí)地球運(yùn)動(dòng)的歷史上都曾經(jīng)存在過，而且非常重要，感受到對(duì)于一種現(xiàn)象可以有多種可能的解釋，但隨著依據(jù)的增多，總會(huì)出現(xiàn)更合理的解釋。同時(shí)，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的地球科學(xué)的學(xué)習(xí)過程：原型觀察—提出假說—構(gòu)建模型—模型驗(yàn)證。這種模型建構(gòu)的過程，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)單元首課時(shí)就建立穩(wěn)固的基礎(chǔ)以及更廣闊的地學(xué)觀念，方便培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

其次，基于大概念下的概念進(jìn)階理念，幫助學(xué)生形成更廣的概念聯(lián)系。在單元教學(xué)分析時(shí)，我們對(duì)學(xué)生做了測(cè)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)已有相關(guān)學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握良好，大多能夠認(rèn)識(shí)到地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到地表的形態(tài)、地球與生物間的關(guān)系等。而前測(cè)本身對(duì)學(xué)生也是一種學(xué)習(xí)培養(yǎng)，讓他們認(rèn)識(shí)到對(duì)于復(fù)雜的地球系統(tǒng)，還有更多需要探尋的，而以往的研究都與其有所聯(lián)系。在本節(jié)課的設(shè)計(jì)中，我們特別安排環(huán)節(jié)讓學(xué)生思考：晝夜交替現(xiàn)象對(duì)地球上生命的影響，這又是一次強(qiáng)化。

以上嘗試，都是在幫助學(xué)生建立一種良好的地學(xué)思想積淀，感悟地學(xué)“天人合一”的思想，在每一次學(xué)習(xí)體驗(yàn)中逐漸滲透更深的地學(xué)觀念。■