基于ADI的顯性-反思性科學(xué)本質(zhì)教學(xué)
——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例

謝 麗 李 治* 李春密

（1.長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875）

新時(shí)代全球科技競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的深入推進(jìn)，科技人才逐漸成為國(guó)際博弈戰(zhàn)場(chǎng)的關(guān)鍵.為落實(shí)國(guó)家有關(guān)科技戰(zhàn)略規(guī)劃，國(guó)務(wù)院于2021年6月頒布了《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》（簡(jiǎn)稱《綱要》），《綱要》指出：科學(xué)素質(zhì)是國(guó)民素質(zhì)的重要組成部分，是社會(huì)文明進(jìn)步的基礎(chǔ)，沒(méi)有全民科學(xué)素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實(shí)現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化.［1］科學(xué)教育是提升國(guó)民科學(xué)素質(zhì)，攻克核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)科技振興的基礎(chǔ).［2］而物理學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)自然科學(xué)，是幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)知識(shí)、掌握科學(xué)研究范式和感悟科學(xué)事業(yè)發(fā)展歷程的重要學(xué)科.為此，物理教學(xué)應(yīng)激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的求知欲，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和批判精神，逐步形成順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的科學(xué)觀，肩負(fù)起提升全民科學(xué)素質(zhì)的重任.

那么，如何在物理教學(xué)過(guò)程中提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，使之成為助力科技前沿發(fā)展的新生力量呢？當(dāng)前，科學(xué)本質(zhì)教育已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外理科教育發(fā)展的核心理念，學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解程度被作為衡量其科學(xué)素質(zhì)的重要基準(zhǔn).［3］鑒于此，本文基于論證探究式（Argument-driven Inquiry，簡(jiǎn)稱ADI）教學(xué)模式，開(kāi)展以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為主題的顯性-反思性科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，旨在深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，同時(shí)為課堂教學(xué)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)提供有效路徑.

1 科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

1.1 科學(xué)本質(zhì)

科學(xué)本質(zhì)歷經(jīng)百年變遷，不同哲學(xué)流派對(duì)其界定不一，圍繞其定義和內(nèi)涵形成了“百家爭(zhēng)鳴”的局面.目前，從認(rèn)識(shí)論視角所闡述的觀點(diǎn)受到了科學(xué)教育者的廣泛認(rèn)可.萊德曼（Lederman）認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)是一種認(rèn)識(shí)方式，是科學(xué)知識(shí)及其發(fā)展所固有的核心價(jià)值和信念，包括暫定性、實(shí)證性、理論負(fù)載性、創(chuàng)造性、社會(huì)文化嵌入、理論和規(guī)律、推理和觀察.［4］赫里克（Khalick）認(rèn)為教科書(shū)所呈現(xiàn)的科學(xué)內(nèi)容應(yīng)將實(shí)證性、觀察和推理、創(chuàng)造性、理論負(fù)載性、暫定性、科學(xué)方法的多樣性、科學(xué)理論的本質(zhì)、科學(xué)規(guī)律的本質(zhì)、科學(xué)知識(shí)的社群性、社會(huì)文化嵌入囊括在內(nèi).［5］盡管不同學(xué)者在“內(nèi)涵問(wèn)題”上各持己見(jiàn)，但回歸基礎(chǔ)教育階段卻基本達(dá)成共識(shí)，包括：

（1）暫定性：科學(xué)知識(shí)并非絕對(duì)或一成不變的，它會(huì)隨著新證據(jù)的涌現(xiàn)而被修正，甚至被取締；

（2）實(shí)證性：科學(xué)家的定論是基于一定證據(jù)的支撐，而并非主觀臆想的；

（3）觀察和推理：觀察和推理之間存在不同.觀察是利用自身感覺(jué)器官或其延伸對(duì)感知對(duì)象的直接性陳述.推理是對(duì)感知對(duì)象的間接性陳述，可不經(jīng)過(guò)感覺(jué)器官而實(shí)現(xiàn)；

（4）理論和規(guī)律：理論和規(guī)律之間存在不同.科學(xué)理論是對(duì)科學(xué)現(xiàn)象及其背后蘊(yùn)藏的原理進(jìn)行推理解釋.科學(xué)規(guī)律是概括性描述科學(xué)現(xiàn)象之間所存在的聯(lián)系.兩者之間不存在轉(zhuǎn)化關(guān)系，即使證據(jù)充分也不能互相轉(zhuǎn)化；

（5）理論負(fù)載性：科學(xué)家開(kāi)展的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)在一定程度上會(huì)受其自身主觀因素的影響，例如科學(xué)家的理論、信念、學(xué)識(shí)經(jīng)驗(yàn)等；

（6）社會(huì)文化嵌入：科學(xué)家所處的社會(huì)背景和所接受的時(shí)代文化，可能會(huì)影響他們對(duì)研究結(jié)果的解釋?zhuān)溲芯拷Y(jié)果也是社會(huì)和文化相互作用的產(chǎn)物；

（7）創(chuàng)造力和想象力：科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程并非完全步調(diào)一致，它離不開(kāi)科學(xué)家的想象力和創(chuàng)造力；

（8）科學(xué)方法的多樣性：科學(xué)家并非使用單一方法開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，而是通過(guò)多種方法來(lái)建構(gòu)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)規(guī)律和理論.

不難發(fā)現(xiàn)，上述科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)維度是相契合的，可進(jìn)一步歸納為如圖1所示的4個(gè)方面：科學(xué)是一個(gè)知識(shí)體系；科學(xué)是一系列的思維方式；科學(xué)是一套研究方法；科學(xué)與技術(shù)、社會(huì)相互作用.因而，在物理教學(xué)中，可以通過(guò)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)來(lái)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進(jìn)新時(shí)代課堂教學(xué)從“知識(shí)本位”向“素養(yǎng)本位”的轉(zhuǎn)變.

圖1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)與科學(xué)本質(zhì)的關(guān)系

1.2 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)

科學(xué)本質(zhì)教學(xué)在經(jīng)歷了“歷史教學(xué)—隱性教學(xué)—顯性教學(xué)—顯性與反思性教學(xué)”4大沿革后，“顯性—反思性”教學(xué)在改善學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀方面，相較于“隱性”教學(xué)更勝一籌.“顯性”主要是指把科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，并形成認(rèn)知性目標(biāo)在課堂教學(xué)中明確講授.這就要求教師除了對(duì)科學(xué)本質(zhì)有一定認(rèn)識(shí)之外，還需要從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)思維、科學(xué)方法和科學(xué)—技術(shù)—社會(huì)4個(gè)方面充分挖掘潛藏在教科書(shū)中的科學(xué)本質(zhì)，以物理學(xué)史、科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)或社會(huì)性科學(xué)議題創(chuàng)設(shè)情境開(kāi)展教學(xué).而“反思性”則強(qiáng)調(diào)通過(guò)師生和生生之間的內(nèi)在互動(dòng)，利用問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生交流討論，積極審視自己在獲取知識(shí)的過(guò)程中所存在的不足.一方面，個(gè)人或集體反思可加深學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，糾正他們基于前概念產(chǎn)生的科學(xué)錯(cuò)誤；另一方面，也可作為優(yōu)化課堂教學(xué)的參考依據(jù)，指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)際反饋改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì).

盡管有諸多優(yōu)勢(shì)，但在常態(tài)化課堂教學(xué)中，缺乏對(duì)科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)的明確制定，導(dǎo)致課堂反思出現(xiàn)主體移位、目標(biāo)缺位，真正意義上的“顯性—反思性”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)難以體現(xiàn)，學(xué)生自然也難以觸及到知識(shí)的核心.在建構(gòu)主義思潮影響下，隨著論證式教學(xué)的普及，科學(xué)教育開(kāi)始越發(fā)注重對(duì)學(xué)生邏輯思維和批判能力的培養(yǎng)，有意讓學(xué)生親身經(jīng)歷證明真理或謬誤的推理過(guò)程，來(lái)改善他們對(duì)科學(xué)知識(shí)及其本質(zhì)的認(rèn)識(shí).

2 ADI教學(xué)模式

ADI教學(xué)模式是辛普森（Sampson）等人在圖爾敏論證模式的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種滲透式教學(xué)模式.［6］該模式將科學(xué)探究和科學(xué)論證有機(jī)整合到科學(xué)課程中，通過(guò)“做中學(xué)”和“辯中思”雙聯(lián)互動(dòng)，復(fù)演科學(xué)家建構(gòu)科學(xué)知識(shí)的探究論證過(guò)程，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維習(xí)慣和批判性思維技能，使其成為能夠利用科學(xué)知識(shí)就個(gè)人、社會(huì)和全球問(wèn)題做出明智決定的獨(dú)立個(gè)體.ADI教學(xué)模式8個(gè)階段彼此聯(lián)系，相互滲透，后一階段教學(xué)總是基于前一階段開(kāi)展，而后萌生下一階段所需要的教學(xué)要素，例如論證所需的證據(jù)、主張都源自于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施.具體教學(xué)流程如圖2所示.

圖2 ADI教學(xué)模式

ADI教學(xué)模式結(jié)合了“探究、論證”的內(nèi)化輸出和“反思、討論”的同化輸入，讓學(xué)生在“學(xué)”和“省”的過(guò)程中構(gòu)建完整的科學(xué)知識(shí)體系，促進(jìn)批判性思維的發(fā)展，深化對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，是顯性—反思性科學(xué)本質(zhì)教學(xué)付諸實(shí)踐的不二法門(mén).

3 基于ADI的科學(xué)本質(zhì)教學(xué)——以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例

“自由落體運(yùn)動(dòng)”選自人教版《普通高中物理教科書(shū)（必修1）》第2章第4節(jié)，教學(xué)內(nèi)容以“概念—規(guī)律—物理學(xué)史”的順序呈現(xiàn).其中，物理學(xué)史作為課外拓展包含在“科學(xué)漫步”和“STSE”欄目中.物理學(xué)史集中體現(xiàn)了物理學(xué)家如何探索、發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)自然的演變歷程，是物理課程資源開(kāi)發(fā)和利用的重要來(lái)源.一方面，物理學(xué)史中的物理觀念、科學(xué)思維以及科學(xué)研究范式可作為學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究和科學(xué)論證的輔佐資料；另一方面，物理學(xué)史中所蘊(yùn)含的科學(xué)態(tài)度與認(rèn)識(shí)有利于學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀.為此，本文以“自由落體運(yùn)動(dòng)”為例，開(kāi)展基于ADI的顯性—反思性科學(xué)本質(zhì)教學(xué).

3.1 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)深度挖掘自由落體運(yùn)動(dòng)發(fā)展史中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)以及學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平制定如下科學(xué)本質(zhì)教學(xué)目標(biāo)：

（1）科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)：① 通過(guò)回顧自由落體運(yùn)動(dòng)發(fā)展歷程，知道科學(xué)知識(shí)具有暫定性.② 通過(guò)探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，知道科學(xué)理論和科學(xué)規(guī)律的區(qū)別.

（2）科學(xué)思維的本質(zhì)：① 通過(guò)比較亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn)，知道觀察和推理的區(qū)別.② 通過(guò)了解伽利略當(dāng)時(shí)所面臨的概念困難，知道創(chuàng)造力和想象力在科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的重要性.

（3）科學(xué)方法的本質(zhì)：① 通過(guò)了解伽利略的邏輯推理法和斜面實(shí)驗(yàn)法，知道科學(xué)方法的多樣性.② 通過(guò)了解伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)文稿，知道科學(xué)需要一定證據(jù)的支撐.

（4）科學(xué)—技術(shù)—社會(huì)：① 通過(guò)了解亞里士多德和伽利略所處的時(shí)代背景，知道社會(huì)和文化會(huì)影響科學(xué)家的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng).② 通過(guò)了解伽利略的科研信念，知道理論負(fù)載性是如何影響科學(xué)家開(kāi)展科學(xué)活動(dòng)的.

3.2 科學(xué)本質(zhì)教學(xué)流程

“自由落體運(yùn)動(dòng)”科學(xué)本質(zhì)教學(xué)設(shè)計(jì)共分為8個(gè)階段，詳細(xì)教學(xué)流程如表1所示.首先，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)物理學(xué)史的情境來(lái)吸引學(xué)生注意力，將生活常識(shí)與科學(xué)知識(shí)建立聯(lián)系，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突并激發(fā)他們對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的求知欲.接著，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀看視頻、演示實(shí)驗(yàn)和邏輯推理，來(lái)建立自由落體運(yùn)動(dòng)的概念，進(jìn)而明確本節(jié)課的任務(wù)是探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.然后，組織學(xué)生以小組形式自主設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果和推理論證的過(guò)程，并接受其他小組的質(zhì)疑與辯駁.最后，師生共同對(duì)科學(xué)探究的合理性、科學(xué)論證的自洽性以及教學(xué)目標(biāo)的明確性進(jìn)行討論和反思，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下撰寫(xiě)講義，并依據(jù)雙盲評(píng)議的反饋意見(jiàn)修改講義.

表1 “自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)流程

續(xù)表

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)本質(zhì)觀的發(fā)展并非一蹴而就，它與課堂教學(xué)有著密不可分的關(guān)系，而課堂教學(xué)的有效開(kāi)展則離不開(kāi)教師對(duì)科學(xué)本質(zhì)的深刻理解.［7］基于ADI的顯性—反思性科學(xué)本質(zhì)教學(xué)，為新時(shí)代深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)提供了靈活多樣的教學(xué)方法，這既是對(duì)“探究式教學(xué)”的進(jìn)一步拓展創(chuàng)新，也是對(duì)如何提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，使之成為獨(dú)立決策者的有效嘗試，還是對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑的有效探索.

當(dāng)前，物理教學(xué)不僅應(yīng)注重對(duì)科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，還應(yīng)注重讓學(xué)生在建構(gòu)科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中知曉蘊(yùn)藏于其背后的科學(xué)思想和科學(xué)精神，形成放眼未來(lái)的科學(xué)本質(zhì)觀，使學(xué)生形成新時(shí)代個(gè)人發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步所需的必備品格和關(guān)鍵能力.作為課堂教學(xué)的主導(dǎo)者，教師要利用師生和生生之間的雙相互動(dòng)，以科學(xué)探究和科學(xué)論證為教學(xué)載體，建立課堂教學(xué)、科學(xué)本質(zhì)和物理學(xué)科核心素養(yǎng)3者之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)明示提問(wèn)和反思討論讓學(xué)生與科學(xué)知識(shí)擦出持續(xù)火花，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而體現(xiàn)出物理學(xué)科獨(dú)特的育人價(jià)值.