基于科學(xué)本質(zhì)水平劃分落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)研究

陳培蘭　林妹平　朱巧萍

摘 要：核心素養(yǎng)的落實(shí)依賴課堂教學(xué)的推進(jìn)，在物理課堂落實(shí)科學(xué)本質(zhì)教育，幫助學(xué)生從更廣的視角解讀物理知識(shí)，掌握科學(xué)的思想與方法.基于新課標(biāo)的科學(xué)本質(zhì)水平層次，以曲線運(yùn)動(dòng)和萬(wàn)有引力定律為例，對(duì)課堂滲透科學(xué)本質(zhì)教育、落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行分析與闡述.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)本質(zhì);物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）23-0015-04

黨的“十九大”明確提出，全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的人才[1]， 教育部在2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）中，明確提出“科學(xué)本質(zhì)”的教育目標(biāo).當(dāng)前，在科學(xué)教育領(lǐng)域中逐漸形成了對(duì)科學(xué)本質(zhì)比較固定和相對(duì)穩(wěn)定的觀點(diǎn)，科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵包括科學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)三個(gè)層面[2] .物理學(xué)是一門(mén)科學(xué)學(xué)科，教學(xué)過(guò)程中如何展示科學(xué)本質(zhì)，學(xué)科核心素養(yǎng)如何被落實(shí)，是物理教學(xué)的討論熱點(diǎn)，同時(shí)Lederman在《Students and Teachers Conceptions of the Nature of Science： A Review of the Research》主張中學(xué)教學(xué)應(yīng)滲透科學(xué)本質(zhì)特性[3].

1 新課標(biāo)中的科學(xué)本質(zhì)與水平層次劃分

袁維新認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)是指科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)和促進(jìn)科學(xué)知識(shí)發(fā)展的內(nèi)在價(jià)值和假設(shè)[4]，劉健智通過(guò)討論美國(guó)科學(xué)本質(zhì)教育的若干問(wèn)題，得出了“科學(xué)課程的改革必須培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解”的結(jié)論[5].隨著新課程改革，新課標(biāo)將“科學(xué)本質(zhì)”歸類于學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，并劃分為五級(jí)水平層次（如圖1）.各水平層次之間層層遞進(jìn)，循序漸進(jìn)，由簡(jiǎn)到繁，展示科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵特性，為物理教學(xué)中科學(xué)本質(zhì)目標(biāo)的落實(shí)制定標(biāo)準(zhǔn)，利于科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與教學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià).

在此整理了研究者Lederman[3]和劉健智[6]以及新課標(biāo)[1]中關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的描述，總結(jié)見(jiàn)表1.由表1不難發(fā)現(xiàn)，新課標(biāo)對(duì)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵與Lederman、劉健智等人的闡述異曲同工，科學(xué)本質(zhì)旨在引導(dǎo)學(xué)生掌握一定的科學(xué)探究方法，了解科學(xué)結(jié)論不是偶然的，而是在不斷探索中總結(jié)概括的，幫助學(xué)生從更深的層次、更廣的視角理解所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)決策能力，掌握基本的科學(xué)思想與方法，從而發(fā)展其自主探究的能力，利于教師對(duì)科學(xué)知識(shí)的傳授，有助于學(xué)生形成勇于質(zhì)疑、善于創(chuàng)新、樂(lè)于探究的科學(xué)態(tài)度[7]，了解科學(xué)的昨天與今天，暢想科學(xué)的明天.

2 基于科學(xué)本質(zhì)水平劃分探討學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)

縱觀圖1與表1，可以發(fā)現(xiàn)水平1包含的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵更多屬于科學(xué)知識(shí)，其他四個(gè)水平層次皆含有科學(xué)探究特性，科學(xué)事業(yè)在水平3與水平4中較多被體現(xiàn).下面以新課標(biāo)所提及的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵為基點(diǎn)，以“科學(xué)本質(zhì)水平層次”為主線，以課程內(nèi)容“2.2曲線運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力定律”和“2.3牛頓力學(xué)的局限性與相對(duì)論初步”為例（如圖2），從科學(xué)本質(zhì)視角探討學(xué)科核心素養(yǎng)在物理教學(xué)中如何落實(shí).

2.1 水平1：描述自然，解釋現(xiàn)象

2.1.1 闡述要求

科學(xué)本質(zhì)水平1，要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是對(duì)自然現(xiàn)象的描述與解釋”，物理來(lái)源于生活，同時(shí)應(yīng)用于生活.描述大自然并非運(yùn)用 “大白話”，而應(yīng)站在科學(xué)的視角、物理學(xué)的角度，對(duì)所見(jiàn)所聞的自然現(xiàn)象進(jìn)行描述與解釋.學(xué)生運(yùn)用物理觀念，通過(guò)科學(xué)的邏輯思維推理，建構(gòu)物理模型，科學(xué)解釋、描述自然現(xiàn)象.

2.1.2 案例應(yīng)用

如“5.1曲線運(yùn)動(dòng)”在新課標(biāo)的內(nèi)容要求中的教學(xué)目標(biāo)是“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解曲線運(yùn)動(dòng)，知道物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件”.學(xué)生可通過(guò)觀察生活中的曲線運(yùn)動(dòng)，如投籃時(shí)籃球的運(yùn)動(dòng)軌跡，鏈球甩出去的運(yùn)動(dòng)軌跡等，隨后教師利用實(shí)驗(yàn)（如圖3）探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件與速度方向（如圖4），理解運(yùn)動(dòng)與相互作用的概念;由生活現(xiàn)象過(guò)渡到物理模型，科學(xué)推理，進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型建構(gòu)，學(xué)以致用，對(duì)生活中所見(jiàn)所聞的曲線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述與判斷（如圖5）.

2.1.3 學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透

描述性的科學(xué)知識(shí)是科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件，掌握線速度的概念，運(yùn)用物理觀念分析生活現(xiàn)象、建構(gòu)模型，體會(huì)物理來(lái)源于生活，又應(yīng)用于生活的科學(xué)本質(zhì).教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)無(wú)處不在;理解物理是一門(mén)基礎(chǔ)的科學(xué)學(xué)科，架起生活與科學(xué)之間的橋梁;掌握科學(xué)知識(shí)的同時(shí)提高科學(xué)素質(zhì)，促進(jìn)核心素養(yǎng)的落實(shí).

2.2 水平2：科學(xué)分析，實(shí)踐檢驗(yàn)

2.2.1 闡述要求

“認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是基于人類有意識(shí)的探究而形成的對(duì)自然現(xiàn)象的描述與解釋，并需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn).”物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是對(duì)科學(xué)設(shè)想的探究與驗(yàn)證，任何一個(gè)物理現(xiàn)象、物理規(guī)律、物理結(jié)論都必須接受實(shí)踐的檢驗(yàn).學(xué)生必須基于客觀環(huán)境對(duì)生活現(xiàn)象進(jìn)行描述與解釋，同時(shí)伴隨主觀意識(shí)進(jìn)行探究、解釋、分析，并運(yùn)用科學(xué)思維對(duì)問(wèn)題進(jìn)行探討，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行模型建構(gòu)，從而收集有效證據(jù)進(jìn)行分析總結(jié).

2.2.2 案例應(yīng)用

基于對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)條件和運(yùn)動(dòng)合成與分解方法的掌握，在探究過(guò)程中教師引導(dǎo)學(xué)生將平拋運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用科學(xué)方法對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定性（如圖6）和定量（如圖7）分析，隨后運(yùn)用科學(xué)探究方法（如圖8）對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，圖8實(shí)驗(yàn)圖像（b）將平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行圖像化處理，可以觀察到x軸方向兩點(diǎn)之間間隔相同，y軸方向兩點(diǎn)之間距離逐漸增加，將圖像（b）進(jìn)行二次擬合得到v-t圖像，觀察到vx幾乎在同一水平線，小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，vy圖像是一次函數(shù)圖像，即小球在豎直方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，與前面的科學(xué)分析結(jié)果一致.

2.2.3 學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透

人類對(duì)大自然進(jìn)行科學(xué)探究，基于科學(xué)思維分析，依賴于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，成于實(shí)踐的檢驗(yàn)，在探究平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，學(xué)生從定性、定量分析入手，然后利用DISLab實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行檢驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程基于科學(xué)思維分析，感受科學(xué)探究方法，掌握物理研究思想，明確科學(xué)探究的實(shí)證性、歸納性、預(yù)見(jiàn)性等.基于科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)思路，有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，促進(jìn)核心素養(yǎng)的落實(shí).

2.3 水平3：源于基礎(chǔ)，創(chuàng)造發(fā)展

2.3.1 闡述要求

科學(xué)本質(zhì)水平3，要求學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“認(rèn)識(shí)到物理研究是建立在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)創(chuàng)造性工作”.人類對(duì)大自然的探索是永無(wú)止境的，科學(xué)探究的本質(zhì)具有創(chuàng)造性，物理研究從最基本的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)出發(fā)，逐漸過(guò)渡到探究實(shí)驗(yàn)等，循序漸進(jìn)，不斷創(chuàng)新發(fā)展.

2.3.2 案例應(yīng)用

在勻速圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)過(guò)程中，教師展示多個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的圖示與視頻，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)，通過(guò)提問(wèn)“可否利用平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析？”“向心力演示器的實(shí)驗(yàn)是否有誤差？”“可否利用數(shù)學(xué)矢量方法對(duì)向心加速度進(jìn)行分析（如圖9）？”“圓周運(yùn)動(dòng)在生活中有哪些應(yīng)用（如圖10）？”通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)不斷提出問(wèn)題，同時(shí)對(duì)生活中的“圓周運(yùn)動(dòng)模型”應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn).

2.3.3 學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透

學(xué)生基于曲線運(yùn)動(dòng)的條件、平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究，擁有一定的科學(xué)思維能力，掌握了一定的科學(xué)探究方法、數(shù)學(xué)分析方法等，在對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)探究時(shí)會(huì)有所思考.觀察過(guò)山車模型、自行車的大小齒輪等，建構(gòu)起物理模型，會(huì)用線速度、角速度、周期等物理量描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，運(yùn)用數(shù)學(xué)矢量運(yùn)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，感受科學(xué)探究過(guò)程中的質(zhì)疑與創(chuàng)新.

2.4 水平4：建構(gòu)模型，創(chuàng)造發(fā)展

2.4.1 闡述要求

物理研究基于觀察與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)造，更深層次的是對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性的工作，因而，科學(xué)本質(zhì)水平4建議學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)“認(rèn)識(shí)到物理研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性的工作”.水平4是對(duì)水平3的進(jìn)一步延展，觀察與實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的基本方法，基于觀察與實(shí)驗(yàn)對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)探究：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、建構(gòu)模型、科學(xué)推理、尋找證據(jù)、科學(xué)論證、分析與交流等，進(jìn)而提出富有創(chuàng)造性的建議或改進(jìn)，最終應(yīng)用于生活.

2.4.2 案例應(yīng)用

通過(guò)史實(shí)介紹“人類對(duì)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)”，先輩細(xì)心觀察，發(fā)現(xiàn)行星并非總向一個(gè)方向移動(dòng)，因此建構(gòu) “火星逆行模型[8]”（如圖11）與“本輪和均輪模型[8]”（如圖12）;開(kāi)普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)人們開(kāi)始深入思考行星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因，因此發(fā)現(xiàn)了“萬(wàn)有引力定律”，卡文迪什的扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)出了引力常量G的值，科學(xué)家們進(jìn)而對(duì)地球質(zhì)量進(jìn)行“稱量”、計(jì)算天體質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)未知天體（如筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星——海王星）;簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律和萬(wàn)有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度;播放視頻，介紹我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，讓學(xué)生了解航天事業(yè)的發(fā)展開(kāi)拓了人類在太空的活動(dòng)領(lǐng)域，人類沖破大氣層的阻攔，擺脫地球引力的束縛，翱翔太空夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)依賴的就是人類對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性的工作.

2.4.3 學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透

“創(chuàng)造性工作”是科學(xué)本質(zhì)水平4要求的主要特征，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中感受人類不斷地對(duì)大自然現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的、抽象的、創(chuàng)造性的工作，在摸索中不斷發(fā)展，物理定律在人類探索未知世界的過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用，知道物理的普適性、統(tǒng)一性、嚴(yán)謹(jǐn)性、創(chuàng)造性等對(duì)科學(xué)發(fā)展是不可或缺的，科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展水平取決于人類對(duì)自然現(xiàn)象的抽象性創(chuàng)造.

2.5 水平5：穩(wěn)定發(fā)展，破陳創(chuàng)新

2.5.1 闡述要求

科學(xué)本質(zhì)的最高水平是對(duì)科學(xué)與道德、科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)與社會(huì)的概括與升華，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，“認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的方式之一，是不斷發(fā)展的，具有相對(duì)的持久性和普適性，但同時(shí)也存在局限性”.科學(xué)的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的，而是一個(gè)曲折盤(pán)旋上升的過(guò)程.

2.5.2 案例與學(xué)科核心素養(yǎng)

通過(guò)史實(shí)介紹，引入生活經(jīng)驗(yàn)，基于前置知識(shí)影響，學(xué)生體會(huì)到時(shí)間像“長(zhǎng)河”，空間像“房間”，彼此互不影響，時(shí)間與空間都是獨(dú)立于物體及其運(yùn)動(dòng)而存在的，物理學(xué)上稱之為絕對(duì)時(shí)空觀，也稱牛頓力學(xué)時(shí)空觀.但相對(duì)論時(shí)空觀——時(shí)間延緩效應(yīng)與長(zhǎng)度收縮效應(yīng)的引入，打破了經(jīng)典物理學(xué)的穩(wěn)定.在此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生知道牛頓力學(xué)的相對(duì)穩(wěn)定性與局限性，“像一切科學(xué)一樣，牛頓力學(xué)沒(méi)有也不會(huì)窮盡一切真理，它也有自己的局限性.它像一切科學(xué)理論一樣，是一部‘未完成的交響曲”[8].關(guān)注宇宙的起源與演化拓展學(xué)生的科學(xué)知識(shí)，理解科學(xué)知識(shí)是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，基于觀察，科學(xué)推理，構(gòu)建宇宙模型，收集有限證據(jù)，科學(xué)論證，不斷質(zhì)疑創(chuàng)新;科學(xué)知識(shí)具有局限性與相對(duì)穩(wěn)定性，科學(xué)探究是對(duì)自然現(xiàn)象結(jié)論的檢驗(yàn)，科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境之間相互影響，相互促進(jìn);在探討大自然的同時(shí)要有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.

3 總結(jié)與展望

物理學(xué)是一門(mén)充滿生機(jī)與活力的科學(xué)，它的創(chuàng)造性進(jìn)展日新月異，物理教學(xué)旨在開(kāi)闊學(xué)生思維，創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)是物理學(xué)科教學(xué)的重要使命.科學(xué)本質(zhì)滲透層層遞進(jìn)，核心素養(yǎng)的落實(shí)環(huán)環(huán)相扣.通過(guò)研究平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式，建構(gòu)物理模式，科學(xué)推理，拓展對(duì)運(yùn)動(dòng)多樣性的認(rèn)識(shí)，體會(huì)物理學(xué)化繁為簡(jiǎn)的研究方法，深化位移、速度、加速度等物理觀念的理解，進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系的認(rèn)識(shí).通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題，根據(jù)解決問(wèn)題的需要，對(duì)證據(jù)進(jìn)行收集與選擇，提取有用信息，基于證據(jù)的邏輯思維，對(duì)問(wèn)題做出合理的科學(xué)解釋，團(tuán)隊(duì)成員相互進(jìn)行交流學(xué)習(xí)的科學(xué)探究過(guò)程.通過(guò)史實(shí)，了解萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理學(xué)定律與航天技術(shù)等現(xiàn)代科技的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)科學(xué)定律對(duì)人類探索未知世界的作用，從萬(wàn)有引力定律的普適性認(rèn)識(shí)自然界的統(tǒng)一性，認(rèn)識(shí)科學(xué)研究包含大膽的想象和創(chuàng)新.相對(duì)論初步介紹，知道牛頓力學(xué)的局限性，知道科學(xué)理論既具有相對(duì)穩(wěn)定性，又是不斷發(fā)展的，體會(huì)人類對(duì)自然世界的探索永無(wú)止境.

McComas等人認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)教育幫助學(xué)生理解科學(xué)，加強(qiáng)決策能力，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)和教師的教[9].高中物理課本對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的滲透并非由一節(jié)課單獨(dú)完成，而是由簡(jiǎn)到繁，章節(jié)之間相互聯(lián)系，層層遞進(jìn)，逐步進(jìn)行科學(xué)探究.科學(xué)本質(zhì)教育貫穿學(xué)習(xí)過(guò)程，本文以圓周運(yùn)動(dòng)模塊與萬(wàn)有引力定律模塊為例進(jìn)行闡述，希望能起到拋磚引玉的作用，共同為物理學(xué)教育中科學(xué)本質(zhì)教育發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力.

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（收稿日期：2021-09-07）

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目“大學(xué)物理‘對(duì)分課堂教學(xué)模式的實(shí)踐探索及效果評(píng)價(jià)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：DJZW201915xb）.

作者簡(jiǎn)介：陳培蘭（1995-），女，廣東潮州人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

通訊作者：朱巧萍（1979-），女，寧夏肇慶人，碩士，副教授，研究方向：課程與教學(xué)論.