基于突出科學本質的教學設計研究
——以“牛頓第三定律”為例

李 坤 詹偉琴

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

現行初中教材只呈現“力的相互作用”的概念，直到高中“牛頓第三定律”才有“大小相等，方向相反，作用在同一直線上”的結論，但吊詭的是從初中“壓強”到高中“摩擦力”等章節，教材都是直接運用“相互作用力大小相等”概念，例如，人教版高中“摩擦力”一節中，便多處用到“壓力等于重力或等于重力的分力”，并作出“下節會學到這一知識”的旁批.筆者觀摩大量“一師一課”實錄視頻后還發現，幾乎所有教師在此處都強調“壓力等于支持力，支持力等于重力或者等于重力的分力”而不作任何解釋，默認學生從初中開始就背會了這條結論并會運用牛頓第三定律，然而，2019年教育部發布的《義務教育階段物理學科超標超前培訓負面清單》中，牛頓第三定律卻赫然在列，問題出在哪呢？

牛頓第三定律在經典力學范圍內具有高度的普適性，即無論物體處于何種運動狀態，都可被驗證.但初中生沒有學過矢量和加速運動等概念，僅從平衡狀態顯然不能全面論證牛頓第三定律，超前學習將導致科學實證性的嚴重缺失，學生會誤認為無須充足證據也能獲得可靠結論.很顯然，面對既定教材，很多教師會將教學設計退化成孤立的知識取向，而忽視在知識冰山下隱藏的巨大的價值取向——科學本質.目前，由于科學本質的特殊性，使得教師進行教學設計時很難對其兼顧，從而導致了只講授知識，卻忽略傳授科學本質價值的現象，因此，本文將以牛頓第三定律為例，展開突出科學本質的教學設計的研究.

1 突出科學本質的教學設計的建構

皮亞杰認為認識活動是主客體間雙向建構的過程，建構主義的教學便是要將客體的知識結構先轉化為課程或教學結構，再轉化為主體理解的認知結構.［1］本研究中，學習的主體是高中生，客體是知識內容和科學本質；然而，科學本質作為一種內隱性知識，就要求學生在學習物理知識和物理模型的過程中不能僅僅停留在科學本質的表層，而必須對其深層內涵進行把握.［2］教學設計是教師為達成教學目標對教學活動所做的計劃性過程，是連接客觀知識和學生主觀理解的橋梁，如圖1所示，突出科學本質的教學設計便是從“客體—中介—主體”各個部分的邏輯討論中建構出來的.

圖1 突出科學本質的教學設計建構邏輯

1.1 科學本質內涵和知識體系結構

客體1.科學本質的內涵——多維性與動態性.

科學本質指對科學的本體論認識，它取決于認識主體看待科學的哲學傾向，［3］從歷史發展上看主要有3種哲學傾向，即以絕對化為主要特征的實證主義、相對化為主要特征的證偽主義以及折中化特征的歷史主義或科學研究綱領.［4］如表1，里德曼教授總結的科學本質內涵的維度已得到學界的廣泛應用.［5］從整體上看這一框架所包含的8個維度內容都秉持折中化特征的哲學傾向；以“科學知識的實證性”為例，其具體描述為“科學至少有一部分來源于對自然界的觀察結果，對于大多數自然現象，科學家都無法直接得到，需要借助工具進行觀察，并通過精細的理論框架進行解釋”.不難發現，里德曼既強調體現絕對性的“科學源于觀察和實驗”，也強調體現相對性的限定詞“一部分”；然而折中化的哲學認識并非一蹴而就，而是伴隨學生年齡及認知水平在不斷動態發展過程中逐漸獲得的，因此，突出科學本質的教學設計更要著重體現其結構內涵中多維性和動態性的特點.

表1 科學本質的內涵維度

客體2.牛頓第三定律的知識結構——整體性和順序性.

以牛頓第三定律為例，在現行教材知識體系中，相互作用力是“定律”的前置概念，而動量守恒定律則是由“定律”推導而出，可視為“定律”的延續；受力分析（Free-body）指將研究對象孤立出來分析其受力情況的方法，是“定律”應用過程中逐漸凝練出的程序性知識，即高中生學習物理時必須掌握的智慧技能.［6］如圖2所示，可見牛頓第三定律不是孤立的知識點，而是一個小的整體結構.這種知識結構的整體性和順序性恰恰對應了科學本質結構的多維性和動態性，為教學設計提供必需的物理模型.

圖2 牛頓第三定律知識結構

1.2 學生理解科學本質的方式

突出科學本質的教學設計的目標是讓學生能更進一步正確理解科學本質及其內涵，反過來看，學生已有的科學本質觀也同樣制約著教學設計.例如，我們不能在牛頓第三定律教學之初就想著讓學生領會“理論和定律的區別”，因為學生還沒有經典力學理論的前概念；同樣，我們也不能直接顯化“科學的暫態性”，因為學生更需要的是先鞏固認識中絕對性的那部分，而相對性的那部分可通過隱性滲透的方式傳達給學生，學生理解科學本質具有顯性和隱性并存的特點.隨著學習進度的深入，特別是當學生學習完相對論之后，科學本質中相對性和絕對性這兩部分則需要被更多地同時顯化.

1.3 突出科學本質的教學設計要求

基于以上討論可以發現，注重科學本質的教學設計應當具備如下四點要求：［7］① 由于科學本質內涵的多維性與動態性、知識結構的整體性和順序性，內容分析（Content Analysis）時應當總覽知識結構全局，并挖掘其物理模型背后具體科學本質的內涵要素；②由于學生理解科學本質的方式有顯性和隱性之分，學情分析（Student Analysis）時應當認識到高中生在學習相對論之前應當更多地顯化知識的絕對性、滲透知識的相對性，而學習完相對論后則可以更多地同時顯化絕對性和相對性；③ 由于科學本質是多維的、動態的和內隱的，即它是屬于不良結構領域知識的，因此依據認知彈性理論適合采用隨機進入法的教學策略（Instruction Strategy）；［8］④ 由于對科學本質的注重不能喧賓奪主影響正常教學，教學過程（Instruction Process）應當秉持盡量在已有物理概念、規律和實驗中突出科學本質的原則.總之，教學設計的各項環節都應側重聚焦科學本質，從而達成突出科學本質的教學目標.

2 突出科學本質的牛頓第三定律教學設計方案

根據隨機進入教學法，選取高中“摩擦力”“牛頓第三定律”“受力分析”和“動量守恒定律”內容進行注重科學本質的教學設計.

方案1：“摩擦力”中的教學設計.

將現有人教版“牛頓第三定律”一節“用彈簧測力計探究作用力和反作用力的關系”實驗，如圖3所示，前置于“摩擦力”一節進行探究，得出“物體靜止狀態下，相互作用力大小相等”的結論.這樣安排既能解決本文開頭所述的邏輯悖論，又能為后續“定律”的學習搭建腳手架.在實驗探究過程中通過師生共同對實驗結論（尤其是“物體靜止狀態”這一條件）的解釋討論，可直接顯化科學本質中的“科學的實證性”，然后，還可以通過引導性問題“如果物體是運動的，這個結論又是否成立呢？”來滲透“科學的暫定性”.

圖3 用彈簧測力計探究作用力和反作用力的關系

方案2：“牛頓第三定律”中的教學設計.

在現有粵教版“用力傳感器探究作用力和反作用力的關系”這一實驗中，如圖4所示，可體現如下幾點科學本質的內涵.

圖4 用力傳感器探究作用力與反作用力的關系

① 通過“猜想與推理”引導學生從已學過的“物體靜止狀態下，相互作用力大小相等”來外推出“任意狀態下，相互作用力大小相等”的結論，在此直接顯化觀察與推理的區別.

② 通過“實驗與探究”得出“任意狀態下，相互作用力大小相等，方向相反”的結論，進一步顯化“科學的實證性”.

③ 通過實驗前后相互作用力的結論對比，隱性滲透新證據導致科學認識的改變，即“科學的暫定性”.

方案3：“受力分析”中的教學設計.

受力分析被廣泛用于各種力學、電磁學等物理模型的教學和習題解決，但它更多是被教師當作分析、推理和演繹的工具，而大量的隱藏其中的科學本質價值還未曾被挖掘.以天體運動模型為例，教材是通過受力分析運用牛頓第三定律確定萬有引力公式中存在F引∝Mm的關系.首先，此處教師完全可以滲透“站在牛頓運動定律的視角去觀察和分析天體問題”這一點，即“理論的負載性”；其次，通過理論推導得出的平方反比關系需要地月檢驗這一點又可直接顯化“科學的實證性”；最后，通過萬有引力定律在社會、技術和文化方面的廣泛應用還能顯化“社會文化嵌入性”.可見，在各個受力分析出現的地方，教師都只需在推理演繹時合理地講授引導，便能達到側重科學本質的目的.

方案4：“動量守恒定律”中的教學設計.

HPS策略是加強科學本質教育的重要途徑，［9］近年來已被廣泛應用于物理教學中.與教材中通過牛頓第三定律演繹生成動量守恒定律的邏輯不同，物理學史上，牛頓是在笛卡爾、惠更斯和馬略特等人碰撞研究的基礎上，由實驗先驗證動量守恒定律繼而總結出牛頓第三定律的，［10］因此，筆者建議在驗證動量守恒定律時，如常規“研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒”實驗課中，同時采用自制教具進行分組探究，該教具制作原理源自牛頓《自然哲學的數學原理》中單擺碰撞實驗；同時，可讓學生閱讀兩條定律發現物理學史料的研究過程，使學生在古今實驗的對比和史料中領悟科學本質的內涵.

如圖5所示，牛頓所做單擺碰撞實驗中，［11］創新性地用補償法排除了空氣干擾，推導出真空中單擺小球碰撞前后的初末速度，從而得出動量守恒定律.按照此原理可制作如圖6的實驗教具，為方便閱讀，按如下關鍵步驟對《自然哲學的數學原理》中的實驗進行翻譯.

圖5 《自然哲學的數學原理》中單擺碰撞實驗圖

圖6 《自然哲學的數學原理》中單擺碰撞實驗的復原教具

步驟1：拿開B球，將A球拉至任意點R下落一個周期后回到V點（可反復實驗用筆尖靠近小球的方式確定此位置）；在RV上取得S、T兩點使得RS∶ST＝3∶2，由此便巧妙地修正了空氣阻力的影響，使得空氣中小球從S下落到達最低點速度等價于真空中小球從T點下落到達最低點的速度.

步驟2：放置B球在最低處，球A自S點下落，碰撞后A球到達s點，B球到達k點.重復步驟1的方法修正可得，真空中A球實際在t點，B球在l點.

步驟3：數據分析：根據真空中小球下落過程機械能守恒，有

故只需將弦長數據代入關系

即可驗證動量守恒定律

如表2所示，最終可在本實驗和教學設計中突出體現7個科學本質內涵維度.

表2 “動量守恒定律”教學設計中的科學本質

3 總結與啟示

基于教育學理論，本文總結出了突出科學本質的教學設計的若干要求，即教師應當總覽知識結構全局，根據教學進度選擇顯化教學或隱性滲透的方法，在各個相關聯的物理概念、規律和物理模型中統籌設計多個體現科學本質內涵的教學活動，并以牛頓第三定律及其相關知識為例，闡明應用這些要求的詳細過程.同時，通過本研究還可以發現，科學本質觀教學的過程就是合理選取現有教材內容、物理學史料、實驗現象和生活常識等事實性素材，在常規知識教學的基礎上，努力創設適于學生進行哲學性思考的物理情境，引導學生深度思考并逐漸習得相對穩定和全面的科學本質觀，這種從事實性知識通向概念理解的理念與時下流行的大概念教學又不謀而合，這或為長周期（學期的、學年的、非單個課時的或單個單元的）下的大概念教學予以理論和實踐的啟示.