構建以核心素養為導向的科學本質教學模式

摘 要：科學本質教學對于深化學生對科學概念的理解至關重要，能夠培養他們的批判性思維與創新能力。為此，研究細化孟克-奧斯本融合模式，創建了“融合模式”課堂流程模型，利用思維邏輯圖與史料探索時間線的繪制，通過教學實踐落實學科核心素養。以“牛頓第一定律”為例，通過實際教學問題的思考，結合該模型進行基于科學本質的教學探索。

關鍵詞：核心素養；科學本質；融合模式；牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0028-6

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：劉可可（1997-），女，中小學二級教師，主要從事高中物理教學工作。

“牛頓第一定律”是高中學生理解“理想實驗法”的必經之路，但實際教學效果并不完全令人滿意。當被問及“理想斜面實驗中伽利略是如何解決摩擦力問題的”，學生回答：“增大斜面傾角”?？梢?，學生并不理解伽利略的思想與物理定律背后的思辨過程。

這些問題引發了一系列對科學本質教學的思考。教學中如何更好地落實學科核心素養中的科學態度與責任？科學態度與責任又包括了科學本質要素。由此，如何促進學生理解科學本質，達成學科素養培育目標，是切實存在的問題。

1 科學本質概念：學業水平劃分與范疇

科學本質是指科學所具有的基本特征，是人們對科學本質屬性的正確認識。在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中強調，科學本質是“科學態度與責任”的要素之一，其學業水平劃分為5個等級：水平1，認識到物理學是對自然現象的描述與解釋；水平2，認識到物理學是基于人類有意識的探究而形成的對自然現象的描述與解釋；水平3，認識到物理研究是建立在觀察和實驗基礎上的一項創造性工作；水平4，認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性的工作；水平5，認識到物理學是人類認識自然的方式之一，是不斷發展的，具有相對持久性和普適性，但同時也存在局限性［1］?？梢?，學生對科學本質的理解水平是可以通過教學提高的。

關于科學本質的范疇，采用袁維新對科學本質范疇進行的三個維度劃分：科學知識、科學探究、科學事業，并給出了具體的指標（表1）［2］。

2 “融合模式”課堂流程模型

孟克-奧斯本融合模式由孟克與奧斯本提出，是一個將科學史和科學哲學（History and Phi-losophy of Science）融合到科學教育中的六階段教學模型（圖1）［3］。第一階段，教師演示實驗或用實際現象提出問題，激發學生的好奇心；第二階段，教師可使用任何有效方法引導學生解釋現象，并解釋他們的思考過程；第三階段，教師結合歷史背景引入科學家們對該現象的不同解釋，可整理簡短時間線；第四階段，學生思考這些觀點的正確性，設計實驗來證實或證偽；第五階段，教師講授教科書上的正確理論解釋；第六階段，教師引導學生思考正確解釋的發展過程，梳理正確科學概念的產生過程。

將該模式細化，設計出“融合模式”課堂流程模型（圖2）。

3 教學案例：牛頓第一定律

應用“融合模式”課堂流程模型，進行牛頓第一定律的教學探索。試圖在課堂上重現歷史思辨過程，讓學生理解科學本質，還原科學家們的思維進程。

3.1 以“融合模式”課堂流程模型為基礎的教學流程圖

以“融合模式”課堂流程模型為基礎，設計教學流程圖（圖3）。

3.2 主要教學過程

按照以上教學流程圖邏輯，進行主要教學過程闡述。

3.2.1 情境引入

教師演示：上下兩小車之間用木板疊放，細繩拉動下面的小車。

教師：同學們在初中已經學習過牛頓第一定律，但知識是隨著學習進程螺旋上升的。你能解釋小車的運動，但觀察生活中不同物體的運動，如煙霧曲線上升、汽車沿公路轉彎、蒲公英隨風飄動、水花迸濺而出……這么多的運動，你又是否能夠用統一的原理全部解釋？

通過學習牛頓運動定律，我們就能找到答案。

說明：從演示小車的運動擴展至世間萬物的運動，創設情境，引出課題——世間萬物的運動遵循著一個統一的原理。激發學生的求知欲，為后續教學作鋪墊。

3.2.2 新課教學

過程1：亞里士多德所處的時代背景、觀察法與運動觀。

教師：人類很早就嘗試統一解釋萬物的運動。從古希臘到牛頓力學建立的過程中，最早留下思想痕跡的是亞里士多德。他是如何解釋物體運動的？

學生：力是維持物體運動的原因。

教師：是的，但歷史的發展并沒有這么直接。

教師：亞里士多德生活在古希臘時期，這是一個哲學、科學和藝術高度發展的時期。這個時代，人們對于自然界的好奇心和探索精神十分強烈，這促使了包括物理學在內的多個學科的發展。宗教和神話仍然在社會生活中占據重要地位，柏拉圖的理想主義哲學自然也影響了亞里士多德對自然現象的解釋。

在這些因素影響之下，亞里士多德把運動分為兩大類：自然運動和強制運動（圖4）。

自然運動是指每種元素都有其自然的、靜止的狀態和位置。例如，土元素的自然狀態是靜止于宇宙中心，而火元素自然上升。世間萬物的元素屬性不同，所以它們的運動不同。強制運動是指當物體被迫以不同于其自然狀態的方式移動時，需要一個外部的力來維持這種運動。一旦外力停止作用，物體就會返回其自然狀態。

亞里士多德認為物體的最初狀態是靜止的，力是維持物體運動的原因。當時亞歷山大大帝的征服活動擴大了希臘文化的影響范圍，也為亞里士多德的學說提供了更廣泛的傳播空間。因此，他的思想延續了兩千多年，被奉為真理。為什么亞里士多德會這樣認為？

學生：靠生活經驗。這和人們觀察到的現象相符。

說明：學生理解亞里士多德的歷史背景與思想來源，有助于更好地扭轉前概念——物體總是由靜止開始運動的。

過程2：亞里士多德的謬誤。

教師演示：手推書本，不推不動，手推書動。因此，亞里士多德認為物體運動需要力來維持。請舉實例或用實驗反駁。

學生：手快速用力推書本，手離開后書本依然運動。物體運動不需要力來維持。

教師：對此，亞里士多德是這樣解釋的：自然界厭惡真空，書走過的地方變成了真空，需要空氣來填補。因此，是空氣給書一個力，推著書繼續運動。請反駁亞里士多德。

學生：是什么推著空氣動的？

教師：亞里士多德無法解釋空氣的運動原因，他的思想內部是相悖的。

說明：以兩個實驗中同一物體的運動卻有不同結論的認知沖突，引出伽利略的思想與實驗。

過程3：伽利略所處的時代背景。

教師：伽利略是17世紀初的意大利科學家，17世紀是科學革命的開始，是文藝復興時期，也是一個哲學、科學和藝術高度發展的時期。人文主義思潮鼓勵了對古典文獻的研究，伽利略受到了古希臘哲學家的啟發，特別是對亞里士多德物理學的批判。意大利城邦的經濟繁榮為藝術和科學的發展提供了資金支持，同時技術上的進步（如望遠鏡）以及比薩和帕多瓦大學的教育改革等因素，都對伽利略的研究產生了影響。

教師：可見，是時代造就了這些物理史上璀璨星光般的科學家。

過程4：伽利略的理想實驗法與運動觀。

教師：人們開始重視實證觀察和個人創造力。伽利略看出了亞里士多德思想的矛盾，設法重新解釋力與運動的關系。他通過實驗嘗試推翻兩千多年的權威思想，這是需要勇氣的。

教師：首先，請同學們和伽利略一樣，觀察物體在不同斜面上的運動。

學生：球沿斜面向下滾動，速度變大；沿斜面向上滾動，速度減小?？梢院侠硗茰y出球沿水平面運動，速度不變。但是，實際上水平運動的球因為摩擦力作用還是會靜止。

教師：于是，伽利略大膽假設“光滑水平面上，不受力的物體會一直勻速運動下去”。當時他已經利用斜面研究過勻加速運動，于是他選擇繼續用斜面來設計實驗證明自己的假設。他的經典實驗——理想斜面實驗開始了。

教師：他把兩個斜面對接，發現小球沿左邊斜面滾下，一定會滾上右邊斜面。但首先他得想辦法解決摩擦力的問題。實際中摩擦無法完全消失，于是他通過觀察摩擦逐漸減小的實驗現象，來合理推測沒有摩擦力的理想情況?？梢栽鯓釉O計實驗？

學生設計并進行實驗：把兩個斜面對接，在斜面鋪上不同材料，觀察小球從左邊斜面同一位置滾下，到達右邊斜面的高度情況。

學生：斜面越光滑，小球到達的高度越高，越接近釋放的初始高度。合理推理，如果斜面完全光滑，小球就會到達原高度。

教師：你們也開始像伽利略一樣合理推測了。伽利略成功解決了摩擦力的問題后，他逐漸減小右邊斜面的傾角，使斜面逐步接近水平面，觀察小球的運動情況。由此合理推測小球在水平面上的運動情況。同學們重復伽利略的實驗步驟，有什么現象？

學生：斜面傾角減小，球必須走更遠的距離才能回到原高度。

教師：于是，伽利略提出“如果有一個無限長的光滑斜面，可以無限減小傾角，球要滾多遠才會到達原來的高度”。

學生：小球需要回到原高度才會停止，但它永遠到不了原高度。推理得出“沒有外力作用下，水平面上的小球會保持原速度一直勻速運動”。

教師：此時，伽利略已經初步有了慣性的觀念。請同學們分組討論，嘗試畫出伽利略的思維邏輯流程圖。

學生討論后畫圖（圖5）。

教師：伽利略所處的時代條件不夠，無法實際驗證推理結果，但現在我們可以做到了。

教師演示：滑塊放在裝有光電門的已調平通氣氣墊導軌上，給滑塊一個初速度，滑塊近似做勻速直線運動。

教師：相較于亞里士多德，伽利略的進步之處是對于運動的基本假設。他開始考慮物體初始的狀態是運動著的，而非必須由靜止開始。他通過什么手段逐步推翻亞里士多德的思想？

學生：觀察、實驗、邏輯推理。

教師：伽利略很偉大，他把實驗帶進了物理研究。完全光滑只是理想情況，實際生活中是不存在的。亞里士多德沒有慣性思想，因為他想象不到沒有摩擦的世界——他所有的思想都是來自生活經驗。一個“摩擦力”阻礙了物理學發展近2000年，直到伽利略時代到來。伽利略的思想開辟了后人觀察宇宙的新視野。所以，我們在生活與科研中都不能只看表面現象下結論。

教師：伽利略的理想斜面實驗是一個典型的理想實驗。理想實驗是一種經典的物理研究方法，以可靠事實為基礎，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維來揭示自然規律。它是人們合理外推，實際上無法做到的實驗。但它并不是脫離實際的主觀臆想，而是以真實的科學實踐為基礎，作出更深入的抽象分析。

教師：伽利略的理想斜面實驗，基于的可靠事實是什么？忽略的次要因素是什么？

學生（思考討論交流）：可靠事實是：①小球沿左邊斜面滾下，一定會滾上右邊斜面；②斜面越光滑，小球從左邊斜面同一位置滾下，在右邊斜面上升的高度越接近原高度。忽略的次要因素是摩擦力，即小球由靜止釋放后，將在右邊斜面上升到初始高度。

說明：以物理學史開展新課，讓學生梳理理想實驗思維邏輯流程圖，重走伽利略的思想過程。通過不斷進階的實驗逐漸跨步到思想層面的合理外推。給學生進行理想實驗的思想滲透，培養學生的觀察分析能力、物理思維能力和科學研究的態度。

過程5：伽利略的謬誤與笛卡爾的修正。

教師：沒有人是完美的，伽利略也犯了錯誤。他認為圓周運動也是物體慣性使然。笛卡爾糾正了這一點，將慣性作為一種理論提了出來，在運動方向上進行了完善：物體處在運動之中，如無其他力作用，它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動。

說明：講述科學不斷被修正進步的過程。

過程6：笛卡爾的謬誤與牛頓的歸納總結——牛頓第一定律。

教師：但笛卡爾把一切歸因于上帝的安排，沒能用統一的原理來解釋力和運動。直到牛頓歸納總結前人思想，構建了完備統一的力學體系。他在《自然哲學的數學原理》一書中明確了慣性概念，提出牛頓第一定律，又稱慣性定律，表述為“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止”。

教師：牛頓第一定律的內涵是在說明物體不受力時，會保持原有的方向和速度大小繼續運動，不會發生變化。

學生：物體具有慣性，有保持原有運動狀態的性質。

教師：何時物體的運動狀態不得不變化？

學生：物體受力時才會改變運動狀態。力是改變物體運動狀態的原因。

教師：牛頓第一定律其實是推理得出的結果。為什么這么說？

學生：不受力的物體是不存在的。但所受合力為零的物體存在，與不受力的物體具有同樣的受力效果。

說明：學生理解牛頓第一定律的內涵與外延，明確牛頓的進步之處是在前人的理論基礎上構建了完備統一的力學體系，通過歸納總結提出了宏觀的運動定律。

過程7：學生畫出對力與運動關系探索的發展時間線。

教師：同學們了解了牛頓第一定律提出的物理學史。請分組討論，畫出對力與運動關系探索的發展時間線。

學生討論后畫圖（圖6）。

過程8：深入思考慣性概念與實際問題解決。

教師：書放桌上靜止。手推書，書動，撤去力，書又慢慢停下來。這個過程中書在哪些時候具有慣性？

學生：一直都具有，慣性是物體的性質。

教師：請深入思考。書的運動狀態在改變，沒有維持原來的速度。憑什么說書具有慣性？這個問題我們留作課后思考題。提示同學們，書的速度可以突變嗎？從這個點切入，深入思考慣性概念。

教師：請用牛頓第一定律來解釋不同物體的運動。煙霧曲線上升、汽車沿公路轉彎、蒲公英隨風飄動、水花迸濺而出……物體為什么會有這些運動？

學生：煙霧顆粒受到重力和空氣對它的力，汽車受到發動機的動力與地面摩擦力，蒲公英受到風力作用，水滴受到彈力與重力……所以它們在改變運動狀態。

說明：幫助學生加深對慣性的理解，將理論應用于實際。

4 結 論

在物理教學領域，“融合模式”課堂流程模型對深化科學本質的教學具有顯著的促進作用。該模型強調對科學家思維過程的重視，以及科學知識不斷演進和修正的動態特性。通過繪制精心設計的邏輯圖和時間圖，不僅向學生傳授科學知識，更在思維層面進行滲透，引導學生深入探討科學本質，包括科學與社會的互動與科學知識的多維屬性：認識性、局限性、主觀性和創造性等。這種教學策略為學生提供了一個全面而深入的科學理解框架，是實現物理學科核心素養教育目標的有效途徑。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］袁維新.科學本質理論：基本觀點與范疇［J］.科學學研究，2010，28（6）：809-815.

［3］Monk M，Osborne J.Placing the history and philosophy of science on the Curriculum：A Model for the Development of Pedagogy［J］.Science Education，1997，81（4）：405-424.

［4］胡軒閣，王云霞.從“元素的地球”到“預設的地球”——試論哥白尼對亞里士多德地球理論的革新［J］.自然辯證法研究，2022，38（3）：89-94.

（欄目編輯 劉 榮）