科學(xué)方法顯性教育在單元教學(xué)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

劉暄 田成良

摘 要：科學(xué)方法是獲取知識和應(yīng)用知識的重要手段，對其進(jìn)行顯性教育是發(fā)展學(xué)生思維的有效途徑.單元教學(xué)有效地打破了單一知識點(diǎn)間的壁壘，使知識結(jié)構(gòu)化，有利于學(xué)生用結(jié)構(gòu)化的知識解決真實(shí)問題.以“氣體實(shí)驗(yàn)定律”單元教學(xué)設(shè)計(jì)為例，對科學(xué)方法的顯化和應(yīng)用過程進(jìn)行了闡述.研究案例為推進(jìn)科學(xué)方法顯性教育的可行性提供了實(shí)證支撐，也為提升學(xué)生認(rèn)知層次和發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)提供了實(shí)踐參考.

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法;單元教學(xué)設(shè)計(jì);認(rèn)知層次;學(xué)習(xí)進(jìn)階;顯性教育

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0027-04

基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度青年專項(xiàng)課題“基于‘物理高端備課理論促進(jìn)青年教師形成專業(yè)學(xué)習(xí)共同體的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：CCFA18146）.

作者簡介：劉暄（1986-），女，北京人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：高中物理教學(xué)與實(shí)踐;

田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學(xué)特級教師，碩士生導(dǎo)師，物理教研員，研究方向：物理科學(xué)方法教育、物理過程教學(xué).

1 問題緣起

隨著新一輪基礎(chǔ)課程改革的逐步深入，科學(xué)方法教育越來越受到關(guān)注.科學(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造客觀世界的實(shí)踐活動中總結(jié)出來的確定的思維程序和行為方式，是人們認(rèn)識和改造自然的有效工具[1].《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將科學(xué)方法與物理知識置于同等重要的地位，明確指出“‘科學(xué)思維是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用”[2]，這也為我們旗幟鮮明地推行科學(xué)方法顯性教育奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).物理科學(xué)方法教育主要包含思維方法、物理方法和科學(xué)方法觀三部分[3].其中，思維方法是指人腦直接參與加工和處理信息的方法，例如抽象、概括、分析、綜合、推理、演繹等，彰顯了邏輯的力量.物理方法又可按照知識獲得過程和知識應(yīng)用過程分為兩類，如控制變量法、理想化模型法、正交分解法等，蘊(yùn)含了物理學(xué)科的特點(diǎn).科學(xué)方法觀重在強(qiáng)調(diào)人們對科學(xué)方法的認(rèn)識，對于提升科學(xué)素養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用.

單元教學(xué)設(shè)計(jì)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑[4]，在進(jìn)行物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)時應(yīng)關(guān)注大觀念、大項(xiàng)目、大任務(wù)與大問題的設(shè)計(jì)[5].傳統(tǒng)的“知識中心”的教育理念過于關(guān)注科學(xué)知識在物理教學(xué)中的地位，然而，在學(xué)生機(jī)械記憶了大量的基礎(chǔ)知識后，能力的發(fā)展并沒有像預(yù)期的那般得以迅猛提升，碎片化的思維反而阻礙了學(xué)生的創(chuàng)造性活動.為了扭轉(zhuǎn)這一困局，我們倡導(dǎo)以科學(xué)方法的顯化和應(yīng)用為主線貫穿整個單元教學(xué)設(shè)計(jì)，打破單一知識點(diǎn)間的壁壘，引領(lǐng)學(xué)生整體感知所學(xué)內(nèi)容，使知識結(jié)構(gòu)化，并利用結(jié)構(gòu)化的知識解決真實(shí)問題.

有鑒于此，我們提出以“科學(xué)方法中心論”替換“科學(xué)知識中心論”，在進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)時，把科學(xué)方法作為課程核心內(nèi)容之一，明確其重點(diǎn)、難點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)、操作步驟等，使學(xué)生在同化和順應(yīng)知識的過程中有法可依，有跡可循，將科學(xué)方法的顯性教育作為發(fā)展學(xué)生思維的有效途徑.本文以“氣體實(shí)驗(yàn)定律”單元為例，對科學(xué)方法的顯化過程進(jìn)行了一些梳理，以期有所裨益.

2 單元設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)篇

首先，將人教版中“氣體的等溫變化、等壓變化和等容變化”等相關(guān)章節(jié)分解為“氣體實(shí)驗(yàn)定律”“氣體實(shí)驗(yàn)定律的圖像及微觀解釋”“理想氣體狀態(tài)方程”三個課時作為一個教學(xué)單元.根據(jù)“獲得物理概念、規(guī)律的‘四步驟”進(jìn)行了如下的課時安排（如圖1），其中前三步是知識（規(guī)律）的獲得過程，最后的規(guī)律應(yīng)用則是學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的最終落腳點(diǎn)，每一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)均按照以下四步驟來進(jìn)行.

獲得物理概念、規(guī)律的四步驟（主線）：

單元中涉及的6個學(xué)生活動任務(wù)以科學(xué)方法的顯化和應(yīng)用串接起來.其中，前兩課時主要遵循了實(shí)驗(yàn)歸納法的教學(xué)邏輯，第三課時則顯化了演繹推理法.這兩種方法是高中物理規(guī)律教學(xué)中常用的科學(xué)方法，均屬于強(qiáng)認(rèn)知方法，可以通過傳授的方式幫助學(xué)生獲得.而隱藏在物理方法背后的“歸納”和“演繹”兩種思維方法，屬于弱認(rèn)知方法，只能通過訓(xùn)練的途徑讓學(xué)生感悟和體會.當(dāng)然，為了順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，促使大量的科學(xué)知識在學(xué)生頭腦中形成一個層次清晰、邏輯嚴(yán)密的網(wǎng)絡(luò)體系，只采用一種科學(xué)方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.一個完整的教學(xué)設(shè)計(jì)往往包含了多種科學(xué)方法的顯化過程，例如，在實(shí)驗(yàn)歸納法進(jìn)行到第二步，采用圖像法處理數(shù)據(jù)時，適時地選用化曲為直法、外推法和轉(zhuǎn)換法等，為物理規(guī)律（數(shù)學(xué)表達(dá)式）的得出提供了助力.由此可見，多種科學(xué)方法縱橫交錯、協(xié)同工作，確保了教學(xué)流程的順暢推進(jìn)和課堂效率的穩(wěn)步提升.

2.2 實(shí)施篇

有了整體的教學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)劃，在分課時的設(shè)計(jì)中可以采用問題鏈的形式推進(jìn)科學(xué)方法的顯化過程.以第一課時為例，利用抽氣罐完成情境創(chuàng)設(shè)后，設(shè)置6個核心問題引導(dǎo)學(xué)生深度思考.

問題1：若想研究三個狀態(tài)參量（p、V、T）中任意兩個物理量之間的關(guān)系，我們應(yīng)該采用什么樣的科學(xué)方法？（控制變量法，同時建立三個理想化的過程模型——理想化模型法）

問題2：通過對3組數(shù)據(jù)的分析，我們能夠得到什么樣的定性結(jié)論？（利用傳感器采集多組更精確的數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量研究）

問題3：我們用什么方法來處理多組數(shù)據(jù)？（計(jì)算法或圖像法）

問題4：這看上去像是一個什么函數(shù)圖像？追問：這一定說明p與V成反比嗎？會不會是p與V2成反比？或者是p與V成反比？

問題5：我們?nèi)绾巫C明p與V成反比？（化曲為直法）

問題6：這是一條直線，但它是正比例函數(shù)圖像嗎？問題出在了哪里？（誤差分析）

就這樣，活動任務(wù)（1）用環(huán)環(huán)相扣的問題鏈將“實(shí)驗(yàn)歸納法”的操作步驟及多種科學(xué)方法清晰地展現(xiàn)在眼前，使學(xué)生在處理后續(xù)物理問題時有章可循.

俗話說“授人以魚，不如授人以漁”，傳授物理科學(xué)方法的精髓在于腳踏實(shí)地，講練結(jié)合，即教師在顯化了某一科學(xué)方法后，還要帶著學(xué)生進(jìn)行實(shí)操演練.在接下來的活動任務(wù)（2）中，學(xué)生們進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，同樣按照“收集數(shù)據(jù)—圖像法（處理數(shù)據(jù)）—數(shù)學(xué)表達(dá)式”的“三步走”步驟親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)歸納法的操作流程.當(dāng)然，在學(xué)生利用圖像法處理數(shù)據(jù)遇到困難時，教師應(yīng)適時地顯化“外推法”和“轉(zhuǎn)換法”，幫助學(xué)生順利完成“由攝氏溫度轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)溫度”的難點(diǎn)突破.在得到等容變化和等壓變化對應(yīng)的物理規(guī)律后，還要對科學(xué)方法的使用條件和所得結(jié)論的適用范圍做必要的詮釋說明，即“氣體實(shí)驗(yàn)定律的研究對象是壓強(qiáng)不太大、溫度不太低時的一定質(zhì)量氣體，為了保證氣體的性質(zhì)，在橫軸0K附近的數(shù)據(jù)是無法取得的，用虛線表示”.所以，這里的“外推”并不表示查理定律的適用范圍的拓展，只是為了引入新的溫標(biāo).

科學(xué)方法顯性教育絕非一朝一夕之功，需要教師根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)制定一個長期的計(jì)劃，在教學(xué)過程中分層傳授、反復(fù)訓(xùn)練.基于此，第二課時伊始，仍然側(cè)重實(shí)驗(yàn)歸納法和控制變量法的綜合應(yīng)用，通過挖掘圖像隱含的狀態(tài)與過程信息，鍛煉學(xué)生的逆向思維能力.而三種圖像（p-V圖、p-T圖、V-T圖）之間的相互轉(zhuǎn)換，意在啟發(fā)學(xué)生從多個角度審視檢驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)而發(fā)展思維的靈活性.在學(xué)生熟練掌握兩種科學(xué)方法后，再將研究視角逐步從宏觀引入到微觀，帶領(lǐng)學(xué)生體會理想化模型法不僅能夠建立過程模型，也能建構(gòu)對象模型，同時運(yùn)用“分析、推理、抽象、概括”等思維方法解決實(shí)際問題.這樣的設(shè)計(jì)促進(jìn)了學(xué)生的認(rèn)知過程從“記憶”層級邁向“理解”和“應(yīng)用”層級.

鑒于高二學(xué)生的認(rèn)知水平大多處于具體運(yùn)算階段，選用“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的認(rèn)知路徑較為相宜，故前兩課時的重點(diǎn)聚焦在以分析數(shù)據(jù)、概括規(guī)律為主的實(shí)驗(yàn)歸納法上.隨著學(xué)生認(rèn)知水平的不斷提升，知識難度的逐級遞增，相應(yīng)科學(xué)方法的選取也要有所調(diào)整.第三課時是單元教學(xué)的拓展升華課時，重在引導(dǎo)學(xué)生體會從一般到個別的邏輯推理過程，這恰恰與演繹推理法的教學(xué)邏輯相契合.演繹推理法是高中階段建立物理規(guī)律、拓展知識應(yīng)用時常用的科學(xué)方法之一，適宜遵循“概念驅(qū)動”的認(rèn)知路徑，與較高級的形式運(yùn)算階段認(rèn)知水平相匹配.學(xué)生在“大前提—小前提—結(jié)論”三段教學(xué)邏輯的指引下，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用控制變量法便可獨(dú)立地從氣體實(shí)驗(yàn)定律推導(dǎo)出理想氣體狀態(tài)方程，再加上一些數(shù)學(xué)技巧的應(yīng)用，就會得出新的適用范圍廣、操作更簡潔的物理規(guī)律.理想氣體系統(tǒng)狀態(tài)方程[6]就是這樣應(yīng)運(yùn)而生的，經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在原有的理想氣體狀態(tài)方程前加上求和符號“Σ”，其適用范圍便由單一系統(tǒng)拓展到多態(tài)系統(tǒng)，這樣的推廣使學(xué)生在面臨諸如“He-Ne激光管的制造原理”“潛水艇的上浮原理”“輸液瓶（兩瓶）的工作原理”等問題時豁然開朗，即使遇到難度較大的競賽試題（如圖2，解釋兩瓶相連的輸液瓶的工作原理）也能迎刃而解.由此可見，一個簡單“Σ”的引入不僅成為了第三課時的點(diǎn)睛之筆，更促使學(xué)生打破了原有的思維定勢，閃現(xiàn)出“創(chuàng)造”的智慧火花，完成了單元教學(xué)的科學(xué)思維進(jìn)階任務(wù).

就這樣，6個活動任務(wù)按照科學(xué)方法的教學(xué)脈絡(luò)，一步步地完成了從教師主導(dǎo)到學(xué)生主體，從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到實(shí)驗(yàn)探究，從單一系統(tǒng)到多態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)方法進(jìn)階.值得注意的是，學(xué)生沿著科學(xué)方法的認(rèn)知路徑拾級而上，在獲取知識的過程中并未產(chǎn)生“難以望其項(xiàng)背”之感，反而激發(fā)出更多的學(xué)習(xí)熱情，并開始主動關(guān)注和解釋身邊的熱學(xué)現(xiàn)象.例如，圖3是在大型購物中心的景觀池里拍攝的照片，學(xué)生運(yùn)用抽氣罐的工作原理開發(fā)了小實(shí)驗(yàn)，并對其成因給出了合理的解釋.暑假中，學(xué)生還針對自選的課題進(jìn)行研究，以小論文的形式呈現(xiàn)交流.這些鮮活的實(shí)例，充分說明科學(xué)方法顯性教育獲得了良好的教學(xué)效果.

3 啟示和展望

3.1 方法顯化——統(tǒng)領(lǐng)單元教學(xué)

從科學(xué)教育的實(shí)踐來看，獲取科學(xué)知識的過程可以表示為：科學(xué)現(xiàn)象—科學(xué)方法—科學(xué)知識;應(yīng)用科學(xué)知識的過程可以表示為：科學(xué)知識—科學(xué)方法—延伸與應(yīng)用[7].由此可見，科學(xué)方法是聯(lián)結(jié)現(xiàn)象、知識和規(guī)律應(yīng)用的紐帶，處于核心地位.在進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)時，應(yīng)按照科學(xué)方法的邏輯安排教學(xué)進(jìn)程，并結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，選擇合適的認(rèn)識路徑.在設(shè)計(jì)實(shí)施的過程中，不斷訓(xùn)練、強(qiáng)化思維方法，反復(fù)傳授、實(shí)踐物理方法，使學(xué)生有意識地運(yùn)用科學(xué)方法獲取科學(xué)知識，從而真正領(lǐng)略知識規(guī)律的內(nèi)涵和外延.

3.2 問題引導(dǎo)——提升科學(xué)思維

以學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知水平作為教學(xué)起點(diǎn)，采用問題鏈形式引領(lǐng)整個單元設(shè)計(jì)，以問題代陳述，以主動思考替代被動接受，既可以為學(xué)生思維發(fā)展的可視化提供支持，促發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，又可以推動學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)向更高階的形式運(yùn)算階段邁進(jìn)，為創(chuàng)新思維萌芽的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ).

3.3 學(xué)以致用——檢驗(yàn)教學(xué)成果

單元教學(xué)設(shè)計(jì)中適時地引入原始物理問題，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可測查學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力.因?yàn)榭茖W(xué)方法的掌握，離不開探索和發(fā)現(xiàn)，只有在教學(xué)過程中不斷地將原始物理問題拋給學(xué)生，讓學(xué)生獲得在實(shí)際情境中解決物理問題的經(jīng)驗(yàn)，形成把情境與知識相關(guān)聯(lián)的意識和能力，才能完成從經(jīng)驗(yàn)性常識向物理概念、物理規(guī)律的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而樹立正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng).

對于“科學(xué)的本質(zhì)是什么”這一問題，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費(fèi)恩曼教授曾直抒己見，“科學(xué)是一種方法，它教導(dǎo)人們：一些事物是如何被了解的，不了解的還有些什么，對于了解的，現(xiàn)在又了解到什么程度，如何對待疑問和不確定性，依據(jù)的法則是什么，如何思考問題并作出判斷”[8].由此可見，要想培養(yǎng)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，樹立正確的科學(xué)方法觀，就要勇于打破科學(xué)知識中心論的桎梏，努力提升科學(xué)方法在教學(xué)中的主導(dǎo)地位.當(dāng)然，雖然推動科學(xué)方法顯性教育迫在眉睫，但教育理念的轉(zhuǎn)變并非一蹴而就，需要廣大教師不斷實(shí)踐、修正，以豐碩的研究成果來豐富和拓展這一理論，讓科學(xué)方法的顯性教育成為引領(lǐng)教師成長的“新常態(tài)”.

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（收稿日期：2021-08-10）