基于ADI的顯性-反思性科學本質教學
——以“自由落體運動”為例

謝 麗 李 治* 李春密

（1.長江大學物理與光電工程學院，湖北 荊州 434023；2.北京師范大學物理學系，北京 100875）

新時代全球科技競爭空前激烈，隨著新一輪科技革命和產業革命的深入推進，科技人才逐漸成為國際博弈戰場的關鍵.為落實國家有關科技戰略規劃，國務院于2021年6月頒布了《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》（簡稱《綱要》），《綱要》指出：科學素質是國民素質的重要組成部分，是社會文明進步的基礎，沒有全民科學素質普遍提高，就難以建立起宏大的高素質創新大軍，難以實現科技成果快速轉化.［1］科學教育是提升國民科學素質，攻克核心技術，實現科技振興的基礎.［2］而物理學是一門研究物質、相互作用和運動規律的基礎自然科學，是幫助學生建構科學知識、掌握科學研究范式和感悟科學事業發展歷程的重要學科.為此，物理教學應激發學生對科學的求知欲，培養他們的創新意識和批判精神，逐步形成順應時代發展的科學觀，肩負起提升全民科學素質的重任.

那么，如何在物理教學過程中提高學生的科學素質，使之成為助力科技前沿發展的新生力量呢？當前，科學本質教育已經成為國內外理科教育發展的核心理念，學生對科學本質的理解程度被作為衡量其科學素質的重要基準.［3］鑒于此，本文基于論證探究式（Argument-driven Inquiry，簡稱ADI）教學模式，開展以“自由落體運動”為主題的顯性-反思性科學本質教學，旨在深化學生對科學本質的理解，提高學生的科學素質，同時為課堂教學落實物理學科核心素養提供有效路徑.

1 科學本質和科學本質教學

1.1 科學本質

科學本質歷經百年變遷，不同哲學流派對其界定不一，圍繞其定義和內涵形成了“百家爭鳴”的局面.目前，從認識論視角所闡述的觀點受到了科學教育者的廣泛認可.萊德曼（Lederman）認為科學本質是一種認識方式，是科學知識及其發展所固有的核心價值和信念，包括暫定性、實證性、理論負載性、創造性、社會文化嵌入、理論和規律、推理和觀察.［4］赫里克（Khalick）認為教科書所呈現的科學內容應將實證性、觀察和推理、創造性、理論負載性、暫定性、科學方法的多樣性、科學理論的本質、科學規律的本質、科學知識的社群性、社會文化嵌入囊括在內.［5］盡管不同學者在“內涵問題”上各持己見，但回歸基礎教育階段卻基本達成共識，包括：

（1）暫定性：科學知識并非絕對或一成不變的，它會隨著新證據的涌現而被修正，甚至被取締；

（2）實證性：科學家的定論是基于一定證據的支撐，而并非主觀臆想的；

（3）觀察和推理：觀察和推理之間存在不同.觀察是利用自身感覺器官或其延伸對感知對象的直接性陳述.推理是對感知對象的間接性陳述，可不經過感覺器官而實現；

（4）理論和規律：理論和規律之間存在不同.科學理論是對科學現象及其背后蘊藏的原理進行推理解釋.科學規律是概括性描述科學現象之間所存在的聯系.兩者之間不存在轉化關系，即使證據充分也不能互相轉化；

（5）理論負載性：科學家開展的科學實踐活動在一定程度上會受其自身主觀因素的影響，例如科學家的理論、信念、學識經驗等；

（6）社會文化嵌入：科學家所處的社會背景和所接受的時代文化，可能會影響他們對研究結果的解釋，其研究結果也是社會和文化相互作用的產物；

（7）創造力和想象力：科學知識的產生過程并非完全步調一致，它離不開科學家的想象力和創造力；

（8）科學方法的多樣性：科學家并非使用單一方法開展科學實踐活動，而是通過多種方法來建構科學知識、科學規律和理論.

不難發現，上述科學本質的內涵與物理學科核心素養的4個維度是相契合的，可進一步歸納為如圖1所示的4個方面：科學是一個知識體系；科學是一系列的思維方式；科學是一套研究方法；科學與技術、社會相互作用.因而，在物理教學中，可以通過科學本質教學來落實物理學科核心素養的培養，促進新時代課堂教學從“知識本位”向“素養本位”的轉變.

圖1 物理學科核心素養與科學本質的關系

1.2 科學本質教學

科學本質教學在經歷了“歷史教學—隱性教學—顯性教學—顯性與反思性教學”4大沿革后，“顯性—反思性”教學在改善學生的科學本質觀方面，相較于“隱性”教學更勝一籌.“顯性”主要是指把科學本質的內涵與教學內容有機結合，并形成認知性目標在課堂教學中明確講授.這就要求教師除了對科學本質有一定認識之外，還需要從科學知識、科學思維、科學方法和科學—技術—社會4個方面充分挖掘潛藏在教科書中的科學本質，以物理學史、科學實踐活動或社會性科學議題創設情境開展教學.而“反思性”則強調通過師生和生生之間的內在互動，利用問題串引導學生交流討論，積極審視自己在獲取知識的過程中所存在的不足.一方面，個人或集體反思可加深學生對科學知識的理解和認識，糾正他們基于前概念產生的科學錯誤；另一方面，也可作為優化課堂教學的參考依據，指導教師根據實際反饋改進教學設計.

盡管有諸多優勢，但在常態化課堂教學中，缺乏對科學本質教學目標的明確制定，導致課堂反思出現主體移位、目標缺位，真正意義上的“顯性—反思性”科學本質教學難以體現，學生自然也難以觸及到知識的核心.在建構主義思潮影響下，隨著論證式教學的普及，科學教育開始越發注重對學生邏輯思維和批判能力的培養，有意讓學生親身經歷證明真理或謬誤的推理過程，來改善他們對科學知識及其本質的認識.

2 ADI教學模式

ADI教學模式是辛普森（Sampson）等人在圖爾敏論證模式的基礎上開發的一種滲透式教學模式.［6］該模式將科學探究和科學論證有機整合到科學課程中，通過“做中學”和“辯中思”雙聯互動，復演科學家建構科學知識的探究論證過程，來培養學生科學的思維習慣和批判性思維技能，使其成為能夠利用科學知識就個人、社會和全球問題做出明智決定的獨立個體.ADI教學模式8個階段彼此聯系，相互滲透，后一階段教學總是基于前一階段開展，而后萌生下一階段所需要的教學要素，例如論證所需的證據、主張都源自于實驗方案的設計與實施.具體教學流程如圖2所示.

圖2 ADI教學模式

ADI教學模式結合了“探究、論證”的內化輸出和“反思、討論”的同化輸入，讓學生在“學”和“省”的過程中構建完整的科學知識體系，促進批判性思維的發展，深化對科學本質的理解，是顯性—反思性科學本質教學付諸實踐的不二法門.

3 基于ADI的科學本質教學——以“自由落體運動”為例

“自由落體運動”選自人教版《普通高中物理教科書（必修1）》第2章第4節，教學內容以“概念—規律—物理學史”的順序呈現.其中，物理學史作為課外拓展包含在“科學漫步”和“STSE”欄目中.物理學史集中體現了物理學家如何探索、發現和認識自然的演變歷程，是物理課程資源開發和利用的重要來源.一方面，物理學史中的物理觀念、科學思維以及科學研究范式可作為學生開展科學探究和科學論證的輔佐資料；另一方面，物理學史中所蘊含的科學態度與認識有利于學生形成正確的科學本質觀.為此，本文以“自由落體運動”為例，開展基于ADI的顯性—反思性科學本質教學.

3.1 科學本質教學目標

通過深度挖掘自由落體運動發展史中蘊含的科學本質，結合課程標準以及學生現有認知水平制定如下科學本質教學目標：

（1）科學知識的本質：① 通過回顧自由落體運動發展歷程，知道科學知識具有暫定性.② 通過探究自由落體運動的規律，知道科學理論和科學規律的區別.

（2）科學思維的本質：① 通過比較亞里士多德和伽利略的觀點，知道觀察和推理的區別.② 通過了解伽利略當時所面臨的概念困難，知道創造力和想象力在科學實踐活動的重要性.

（3）科學方法的本質：① 通過了解伽利略的邏輯推理法和斜面實驗法，知道科學方法的多樣性.② 通過了解伽利略的斜面實驗和數據文稿，知道科學需要一定證據的支撐.

（4）科學—技術—社會：① 通過了解亞里士多德和伽利略所處的時代背景，知道社會和文化會影響科學家的科學實踐活動.② 通過了解伽利略的科研信念，知道理論負載性是如何影響科學家開展科學活動的.

3.2 科學本質教學流程

“自由落體運動”科學本質教學設計共分為8個階段，詳細教學流程如表1所示.首先，教師要創設物理學史的情境來吸引學生注意力，將生活常識與科學知識建立聯系，引發學生的認知沖突并激發他們對落體運動的求知欲.接著，引導學生通過觀看視頻、演示實驗和邏輯推理，來建立自由落體運動的概念，進而明確本節課的任務是探究自由落體運動的規律.然后，組織學生以小組形式自主設計和實施實驗方案、分享實驗結果和推理論證的過程，并接受其他小組的質疑與辯駁.最后，師生共同對科學探究的合理性、科學論證的自洽性以及教學目標的明確性進行討論和反思，學生在教師的指導下撰寫講義，并依據雙盲評議的反饋意見修改講義.

表1 “自由落體運動”教學流程

續表

4 結語

科學本質觀的發展并非一蹴而就，它與課堂教學有著密不可分的關系，而課堂教學的有效開展則離不開教師對科學本質的深刻理解.［7］基于ADI的顯性—反思性科學本質教學，為新時代深化學生對科學本質的認識提供了靈活多樣的教學方法，這既是對“探究式教學”的進一步拓展創新，也是對如何提高學生科學素質，使之成為獨立決策者的有效嘗試，還是對物理學科核心素養培養路徑的有效探索.

當前，物理教學不僅應注重對科學知識的學習，還應注重讓學生在建構科學知識的過程中知曉蘊藏于其背后的科學思想和科學精神，形成放眼未來的科學本質觀，使學生形成新時代個人發展和社會進步所需的必備品格和關鍵能力.作為課堂教學的主導者，教師要利用師生和生生之間的雙相互動，以科學探究和科學論證為教學載體，建立課堂教學、科學本質和物理學科核心素養3者之間的內在聯系，通過明示提問和反思討論讓學生與科學知識擦出持續火花，落實學科核心素養的培養，從而體現出物理學科獨特的育人價值.