科學本質視域下的大單元教學探討
——以高中“光現象及其應用”為例

田春鳳

包頭師范學院物理科學與技術學院，內蒙古 包頭 040130

物理學科核心素養是立德樹人教育根本任務在物理課程中的集中體現，應在課程設計和實施中充分落實物理學科核心素養的培養，體現物理課程的育人功能。很多研究者指出碎片化的課時教學不利于學生學科核心素養的培養，應重視單元教學的研究，特別是基于大概念、大思路、大情境和大問題的單元教學。

伴隨著物理學科核心素養的提出，科學本質也以顯性的方式進入了高中物理課程與教學之中。從某種意義來講，物理教育的根本目標就在于提升學生的科學本質認識，樹立正確的科學觀，從而形成良好的科學態度與社會責任感，落實立德樹人的根本任務。當前科學本質教育已取得了相當豐富的研究成果，大多從科學知識的本質、科學探究的本質和科學事業的本質三個維度闡釋科學本質的含義，并提出了包括科學史和科學探究等很多切實可行的教學策略。

立足當代科學本質觀，以三個維度為切入點，從知識的結構、知識的建立途徑、知識的應用等幾個方面對單元內容進行深入分析，把握內容間的內在邏輯關系，找到便于單元整合的關鍵線索，以此整合教學內容，整體設計單元教學思路，開發學生互動活動，實現物理學科核心素養的課程目標。以高中物理選擇性必修一“光現象及其應用”為例，從科學本質教育視角對單元教學進行探討，以期對物理單元教學及核心素養目標的落實提供有益的借鑒。

1 立足知識結構，促進物理觀念的達成

1.1 教學內容分析

科學首先就是科學的世界觀，當代科學本質觀認為，科學是人們對自然界的描述和解釋，在尋求解釋的過程中，必須以觀察和實驗為基礎，并依賴于經驗事實的檢驗，但是科學知識并非外在物質世界的拷貝，它包含著人類豐富的想象力和創造力，是建構出來的；科學知識具有穩定性和持久性，但未來也可能改變，并不斷發展和進步［1］。

光學既是一門古老的基礎科學，又是最活躍的前沿科學之一，具有強大的生命力和不可估量的發展前景。回顧光學發展史發現，人們一方面通過對光現象的觀察和實驗，發現了大量的光學定律，獲得了關于光現象的客觀、深入的描述；另一方面，為了解釋光學現象，開始了對光本性問題的思考，并逐步形成了光的微粒說與波動說，最終確立了光的波粒二象性的認識。因此，光現象的研究和定律的發現與光本性的認識發展相互作用，以科學論爭的方式貫穿于光學發展的始終，并將所有光學知識建構成一個有機的整體，很好地體現了上述的科學本質特征。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）在“光現象及其應用”中主要圍繞光的折射定律、光的全反射、光的干涉、光的衍射、光的偏振和激光等提出要求。可見，高中物理是以光現象及其規律作為單元的重點，構成了單元知識的明線。《標準》還在光的偏振中提出“知道光是橫波”的要求，并在教學提示中進一步明確要求：“通過光的干涉、衍射等現象來論證光具有波動性，增強學生的證據意識，提升科學論證能力……了解波動的特征，為深入學習和研究電磁波打好基礎。”［2］此外，在學業要求中也指出：“知道光的干涉、衍射和偏振現象及其應用，認識光的波動性，知道光是橫波。”因此，光本性的認識是本單元的重要內容，構成了單元知識的暗線。

1.2 光單元的知識結構

基于以上分析，本單元的知識結構如圖1所示，明暗兩線相互融合、相互促進。一方面，在初中幾何光學基礎上進一步拓展對光現象的認識，學習并認識光的折射定律和全反射現象；另一方面，以機械波知識為基礎，通過光的干涉和衍射現象認識光的波動性，再通過偏振現象知道光是橫波，從而建立起光的波動學基本觀念；而激光的安排，為后續拓展對光波動性的認識做好了鋪墊。光單元的知識結構充分體現了人類描述和解釋自然的各種嘗試，體現了科學知識的若干本質特征，如建構性、實證性、暫定性、解釋與預測功能等。

圖1 光單元的知識結構圖

1.3 問題串貫穿，促進深度學習

充分考慮物理學科的特點和學生的認知規律，以學生已有知識為基礎，將光本性的論證作為單元教學的主線，變暗為明，以光現象的認識為輔助，精心設計問題串，引導學生基于證據展開論證。不僅可以幫助他們認識光的折射、全反射、干涉、衍射和偏振等現象，提升他們的觀察能力、探究能力和分析概括能力，而且可以發展他們對光本性的認識，認識光的波動性，知道光是橫波，提升他們的科學論證能力和邏輯思維能力。以此為基礎，最終實現他們關于運動和相互作用觀念、科學本質認識和物理學科核心素養的全面提升。具體設計如圖2所示。

圖2 光單元的問題設計

2 豐富知識建立途徑，促進能力提升

2.1 知識建立途徑分析

科學探究是科學家描述和解釋自然的一種基本方式，它源于人類的好奇心和探索欲，具有建構性、創造性和主觀性的特點，問題、證據、解釋、交流與評估構成了科學探究的全過程，但并不存在標準的或固定的研究步驟或程序。科學家工作的重要方面就是不斷地提出問題和尋求答案，之后引發新的問題［3］。

基于前面對光單元知識結構的分析，不難發現，從幾何光學到波動光學的發展很好地體現了科學探究的上述特點：從初中已有知識出發，不斷提出問題、解決問題，又發現和提出新的問題，最終形成對高中光學知識的意義建構。在這一過程中，人們運用了多種研究方法，既包括對現象的觀察和實驗，也包括對規律的探究，還包括基于證據的論證。此外，光學知識的建立過程中不僅包括著證據和邏輯，而且也蘊含著主觀性和創造性。

《標準》和教材非常重視觀察、實驗和探究。《標準》明確提出，通過實驗認識光的折射定律和激光，通過觀察認識光的干涉、衍射和偏振現象。教材也大多設計觀察、實驗和探究活動來形成光現象的認識和建立光學定律。此外，《標準》和教材都非常重視科學論證活動，例如，教材在波動光學部分的編排往往是按照問題提出—呈現證據—基于證據進行解釋，從而引導學生逐步深化對光的波動性的認識，提升他們的科學論證能力。

2.2 過程與方法結構

基于科學探究本質的認識，以及對光單元知識建立途徑的分析，依據物理學的學科邏輯及學生的認知特點，光單元知識的建立，就是基于證據進行解釋的不斷嘗試的過程，開展論證式教學有利于實現理論與實驗的相互促進。因此，應以光本性的論證為主線，將學生對光現象的探究與對光本性的論證有機結合（圖3），二者相輔相成，豐富知識建立的途徑，不斷推進學生對光現象與光本性的認識，不斷提升學生的科學探究能力、科學論證能力。

圖3 光單元過程與方法結構

2.3 多樣化的教學，全面提升能力

以論證為主線創設情境，以觀察和實驗作為證據支撐，不斷深化對光現象及其本性的認識，從而完成光學知識的建構。在教學中，應注重開發和設計多樣化的教學方式，體現不同的知識建立途徑及研究中的主觀性和創造性，更好地幫助學生建構知識，提升能力，拓展對科學本質的認識。

首先，基于知識間的內在邏輯提出問題，借助觀察和實驗，引導探究逐步深入（圖2）。例如，光的全反射教學中，引導學生觀察光由光密介質進入光疏介質時，隨著入射角不斷增大，反射光線和折射光線的變化，發現并提出新的問題，從而提高學生的觀察能力和發現與提出問題的能力；而問題的解決，則可以讓學生通過實驗探究與理論探究兩種途徑發現并理解全反射的條件。又如，在學生學完光的干涉后，可以提出問題：波能繞過障礙物發生衍射，既然光是波，那為什么在日常生活中我們觀察不到光的衍射呢？ 從而體現學生對光波動性的進一步確認，進而引導學生思考不容易觀察到光的衍射現象的原因，并猜想其產生的條件，最后通過實驗演示認識光的衍射現象。

其次，豐富探究的教學模式，適當開展融合歷史的探究、體現論證的探究等多種形式。例如，對于光的折射定律的教學，在已有的光的折射現象的基礎上，引導學生深入探究折射角與入射角的定量關系，但由于規律隱秘，學生很難猜想出或者根據數據發現兩角度之間的定量關系，此時可以介紹歷史上托勒密、開普勒、笛卡爾、斯涅耳等人的研究過程，將歷史探究與學生探究結合進行，體現研究方法的多樣性。又如，對于光的干涉教學，可以創設歷史情境，提出光是粒子還是波的問題；進而猜想光是一種波，并提出如何觀察光的干涉現象的核心問題；引導學生在已有的機械波基礎上，自主進行實驗設計，在遇到困難時給出托馬斯·楊的雙縫干涉實驗，才能讓學生更好地體會該實驗的巧妙之處，感悟物理學實驗之美和科學研究的創造性；最后，演示光的雙縫干涉實驗，獲得光的干涉圖樣，并進一步分析光的干涉的產生條件及其特征。

3 踐行STEM理念，項目化設計知識的應用

3.1 知識應用分析

科學是社會及文化傳統的一部分，科學既是科學家的一項事業，也是全社會的一項事業，與人類社會的發展密切相關，科學與社會的作用是相互的，科學利用技術造福社會，但盲目或不當運用科學也會產生不良后果，科學與技術存在差異，二者具有相互作用。因此，認識科學、技術、社會、環境的相互關系是科學事業本質的重要方面，知識的應用教學是認識這一復雜關系的重要途徑和方式。

光現象與人的生活息息相關，在實際生產生活中有著廣泛的應用。課程標準對光現象的應用提出了明確的要求，具體包括：會測量材料的折射率；初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產生活中的應用；知道其（光的干涉、衍射和偏振）在生產生活中的應用。會用雙縫干涉實驗測量光的波長；能舉例說明激光技術在生產生活中的應用。可見，光的應用范圍廣，類型豐富，能很好地體現科學與技術、科學與社會、科學與工程的聯系，使學生了解物理知識在生產生活中的應用，體會物理學的價值，從而更好地認識科學事業的諸多本質特點。

3.2 項目驅動，形成科學態度與責任

知識應用的教學（或稱問題解決教學）不僅可以深化學生對物理知識的理解，提升物理觀念，而且可以提高他們分析和解決問題的能力，鍛煉科學思維，促進良好的科學態度和社會責任感的養成，從而全面提升他們的學科核心素養。為了實現上述目標，光現象的應用教學不能一味地敘述式介紹與講解，而應以問題解決教學、STS教育或STEM教育等理論為指導整體設計單元知識應用，開發能促進學生深度思維的學習活動。據此，可設計如表1所示的STEM項目。

表1 光現象及應用的項目化設計

4 總結與反思

單元教學的核心素養教育價值備受物理教育研究者和一線教師的重視，但物理單元教學的現狀卻不容樂觀，存在著很多問題與不足。針對“光現象及其應用”單元，站在科學觀的高度，以科學本質的三個維度為切入點，從知識的結構、知識的建立途徑和知識的應用等幾個方面進行全方位分析，挖掘其物理學科核心素養的教育價值，進而考慮物理學科特點與學生的知識與經驗基礎，以HPS教育、STS教育和STEM教育等理論為指導，從光本性的認識、光學規律的探究、光現象的應用，即知識線、探究線和應用線三條線索設計單元教學思路，開發和設計促進學生深度學習的互動活動，落實學科核心素養的目標。

綜上所述，以當代科學本質觀為指導，結合單元內容特點，從多維度、全方位進行分析，確定單元教學目標，設計貫穿整個單元的線索，開發有意義的學習活動，將物理現象的探究、物理觀念的建構有機融合，更好地實現單元教學的核心素養教育價值。