基于科学本质教育的物理科学史教学

    尤飞鹏

    摘 ? 要：本文以“单摆”这节的科学史教学为例，探索科学本质教育的教学策略，指出科学史教学是渗透科学本质教学的重要素材，实现核心素教学落地的重要途径。

    关键词：科学本质教育 ?科学史教学 ?教学策略

    1 ?科学本质教育的内涵

    “如何在教学中促进学生对科学本质的理解？”是科学教育界关注的核心问题。科学教育应努力体现科学本质已成为国际科学课程改革的趋势。美国的《国家科学教育标准》对“科学的历史和科学本质”的教育提出了明确要求，并指出科学是格物致知的一个重要途径。美国科学促进会发表的《面向全体美国人的科学》则从科学所看到的世界、科学探究和科学事业 3 个领域对科学的本质进行了阐述：科学是一个开放的知识体系，不是绝对的真理;科学重视探究，以实证为判断准绳;科学是一系列思维方式，需要合乎逻辑的推理;科学是一个复杂的社会活动，与技术与社会相互作用[ 1 ]。

    近年来，随着国内课程改革的不断深化，“提高学生的科学素养”作为科学课程的核心理念正被广泛教育者所接受。理解科学本质已成为提高学生科学素养的重要内容，《普通高中物理学课程标准（2017 年版）》（以下简称新课标）指出：高中物理课程是自然科学领域的课程，学生在学习该课程不仅要学会用物理学的视角认识自然，获得诸如力学、热学、运动学等物理学知识，还要通过物理学习认识科学的本质以及重视科学、技术、社会、环境（STSE）的联系[ 2 ]。因此，在高中物理教学中渗透科学本质教育是一线教师进行教学改革的新课题。

    现教科书中“单摆的计算公式”是荷兰物理学家惠更斯提出来的，这公式的提出离不开几十年几代科学家的不断探索。其间，有基于自然观察的逻辑与想象，有基于技术运用的科学观察与推断，有基于观测数据的审辨与建模。现以“单摆”一节为例，谈谈如何在高中物理科学史教学中渗透科学本质教育。

    2 ?基于科学本质教育的科学史教学案例分析

    2.1 ?通过观察事实，抽象科学模型

    科学揉合了逻辑与想象，但教材中碎片式的科学史事实无法帮助学生获取准确信息，形成严密的逻辑思维和科学体系。教师需要围绕“单摆模型”构建的核心问题，梳理相关科学史中的科学事实。核心问题是单摆的构造和特点、单摆振动特征（单摆振动是不是简谐运动？）并引导学生利用已有的事实进行抽象归纳单摆的科学模型。

    针对“单摆的构造和特点”，教师选择了“意大利著名的物理学家伽利略在教堂观察灯的摆动并沉浸在思索中的情况、1600年伽利略做了单摆的相关探究实验及1602年伽利略做了弦定律的相关探究实验并提出了著名的弦定律”的史实资料。在这过程，引导学生观察单摆的理想模型，推论模型的构造和特点，并解释推论的理由。学生在观察事实，抽象科学模型的过程中，理解和认同了“科学知识依赖于观察与证据”“科学知识不仅仅靠推论，还需要对推论进行解释”“解释自然现象有着多种的探究方法”。

    针对“单摆振动特征（单摆振动是不是简谐运动？）”，教师首先进行演示实验，让学生基于事实提出猜想。学生提出“实验所绘制的图象为正弦函数图象”，可判断“单摆的振动属于简谐振动”。学生认为只有现象不足以说明问题，还应从理论去推导“单摆的回复力是否满足F=-ks？”当θ≤5°时，单摆的振动可近似为简谐运动单摆振动。教师提供了“傅科在巴黎的万神殿用长67米的单摆演示周期超过16s”的史实资料。学生从中理解单摆振动特征会受到摆长等因素的影响。学生认识到“科学知识并不是一成不变的”“科学是随着人们认识程度的深化而不断修正”“不同科学家由于自身生活经验的不同，利用的实验工具不同，对同一问题有着不同的观点”。

    2.2 ?通过探究实验，理解科学规律

    在教学中，教师引导学生设计探究问题与解决方案，体验“像科学家一样探究”的过程，在活动中去理解科学本质的内涵。探究活动过程，教师应该提供必要的知识与方法的支持，但更多是留给学生足够的时间和空间，引导学生合作学习，大胆质疑。

    本节课设计了1个实验探究。“单摆周期与摆长之间有什么样的定量关系呢？”

    教师提首先供“惠更斯”的史实资料，让学生了解单摆周期的发现过程。教师演示“教材P15图11.4-4”相关实验，引导学生猜想“单摆的振幅、质量、摆长对周期各有什么影响？”学生通过观察并比较两个单摆在不同的条件下的周期大小，从而理解“单摆振动的周期与摆球质量无关，在振幅较小时与振幅无关，但与摆长有关，摆长越长，周期也越长。”

    引导学生根据教材15页实验进行定量探究“不同摆长的单摆的周期”，测量一定的摆长下单摆的周期，记录摆长与周期的数据，改变摆长，测定周期，重复几次实验得到几组数据，填入设计的表格中。引导学生利用“几何画板”描点制成曲线。将数据输入计算机，将图调成函数，可得出周期T与摆长L的开方图象完全拟合，即T∝■。

    学生通过探究，理解了科学规律“单摆的周期T与摆长的L的二次方根成正比，与重力加速度g，的二次方根成反比，而与振幅、摆球质量无关。同时感悟到“科学需要多学科的知识储备，科学研究需要多元的科学方法”“科学重视证据”“科学是需要进行解释并预测的”“科学是随着人们认识程度的深化而不断修正”等科学本质。

    2.3 ?通过迁移情境，实现科学解释

    科学本质的教育要关注学生的价值判断，应在教学中借助更多的情境材料分析，让学生将掌握的科学规律，用于解释社会生活现象[ 3 ]。在新的情境中应用科学规律，可以帮助学生更多地理解规律。教师在引导学生归纳单摆的周期公式，还设计了一个实验“怎样利用单摆测出当地的重力加速度？”

    学生制单摆、测摆长、测周期，将数据代入公式，计算重力加速度。更换摆长，重复实验，最后求重力加速度的平均值。

    实验过程，学生动手实验，分析数据，深刻理解单摆周期公式。

    3 ?基于科学本质教育的教学启示

    3.1 ?科学史是渗透科学本质教育的重要素材

    物理科学史是科学家探索自然的历程，是一个在继承中不断验证，修正和完善发展的过程。对于物理科学而言，任何一个规律的发现和概念的形成，都离不开一个个科学实验，离不开合乎逻辑的推断，离不批判质疑的科学精神。例如，经典力学的局限、静电现象的解释、单摆。学生在学习这些知识的相关科学史时，必然形成了“科学研究依赖于技术的进步”“科学发现的过程不是一帆风顺的，往往在继承的基础上不断验证，修正和完善发展的”“科学学说不是一成不变的”等科学本质的知识。

    3.2 ?科学本质教育是落实学科核心素养的重要途径

    学生在学习行星的运动、经典力学的局限及单摆的相关科学史过程，能多维度认识科学本质内涵的同时，也逐步形成了物质观念、能量观念、运动与相互作用观念。当学生沿着科学家的足迹，体验建构模型“天体运行的轨迹是椭圆”、探究单摆中“引力常量的實验”、“探究不同单摆的周期特性”时，提升了科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维，也学会了基于问题、证据、解释、交流等的探究方法。这此过程，学生还学习了科学家严谨的科学态度，为人类社会作贡献的理想信念。

    综上所述，科学史教学渗透着科学本质教育，教会学生“以怀疑作审视的出发点，以实证为判断尺度，以逻辑作论辩的武器”的科学观点，是落实物理学学科核心素养的必然选择。

    参考文献：

    [1]美国科学促进会.面向全体美国人科学[M]. 中国科学技术协会译. 北京：科学普及出版社，2001.

    [2]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2017.

    [3]黄晓.“历史—探究—反思”——谈“单摆”的科学本质教学[J].中学物理教学参考，2014（43）：40-45.