基于科學本質水平劃分落實物理學科核心素養研究

陳培蘭　林妹平　朱巧萍

摘 要：核心素養的落實依賴課堂教學的推進，在物理課堂落實科學本質教育，幫助學生從更廣的視角解讀物理知識，掌握科學的思想與方法.基于新課標的科學本質水平層次，以曲線運動和萬有引力定律為例，對課堂滲透科學本質教育、落實學科核心素養進行分析與闡述.

關鍵詞：核心素養;科學本質;物理教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：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，落實立德樹人的根本任務，發展素質教育，培養德智體美勞全面發展的人才[1]， 教育部在2017年版《普通高中物理課程標準》（以下簡稱新課標）中，明確提出“科學本質”的教育目標.當前，在科學教育領域中逐漸形成了對科學本質比較固定和相對穩定的觀點，科學本質內涵包括科學知識、科學探究和科學事業三個層面[2] .物理學是一門科學學科，教學過程中如何展示科學本質，學科核心素養如何被落實，是物理教學的討論熱點，同時Lederman在《Students and Teachers Conceptions of the Nature of Science： A Review of the Research》主張中學教學應滲透科學本質特性[3].

1 新課標中的科學本質與水平層次劃分

袁維新認為，科學本質是指科學知識的本質和促進科學知識發展的內在價值和假設[4]，劉健智通過討論美國科學本質教育的若干問題，得出了“科學課程的改革必須培養學生對科學本質的理解”的結論[5].隨著新課程改革，新課標將“科學本質”歸類于學科核心素養的“科學態度與責任”，并劃分為五級水平層次（如圖1）.各水平層次之間層層遞進，循序漸進，由簡到繁，展示科學本質內涵特性，為物理教學中科學本質目標的落實制定標準，利于科學本質教學目標的實現與教學結果的評價.

在此整理了研究者Lederman[3]和劉健智[6]以及新課標[1]中關于科學本質的描述，總結見表1.由表1不難發現，新課標對科學本質內涵與Lederman、劉健智等人的闡述異曲同工，科學本質旨在引導學生掌握一定的科學探究方法，了解科學結論不是偶然的，而是在不斷探索中總結概括的，幫助學生從更深的層次、更廣的視角理解所學的科學知識，加強學生的科學決策能力，掌握基本的科學思想與方法，從而發展其自主探究的能力，利于教師對科學知識的傳授，有助于學生形成勇于質疑、善于創新、樂于探究的科學態度[7]，了解科學的昨天與今天，暢想科學的明天.

2 基于科學本質水平劃分探討學科核心素養落實

縱觀圖1與表1，可以發現水平1包含的科學本質內涵更多屬于科學知識，其他四個水平層次皆含有科學探究特性，科學事業在水平3與水平4中較多被體現.下面以新課標所提及的科學本質內涵為基點，以“科學本質水平層次”為主線，以課程內容“2.2曲線運動與萬有引力定律”和“2.3牛頓力學的局限性與相對論初步”為例（如圖2），從科學本質視角探討學科核心素養在物理教學中如何落實.

2.1 水平1：描述自然，解釋現象

2.1.1 闡述要求

科學本質水平1，要求學生通過學習“認識到物理學是對自然現象的描述與解釋”，物理來源于生活，同時應用于生活.描述大自然并非運用 “大白話”，而應站在科學的視角、物理學的角度，對所見所聞的自然現象進行描述與解釋.學生運用物理觀念，通過科學的邏輯思維推理，建構物理模型，科學解釋、描述自然現象.

2.1.2 案例應用

如“5.1曲線運動”在新課標的內容要求中的教學目標是“通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件”.學生可通過觀察生活中的曲線運動，如投籃時籃球的運動軌跡，鏈球甩出去的運動軌跡等，隨后教師利用實驗（如圖3）探究物體做曲線運動的條件與速度方向（如圖4），理解運動與相互作用的概念;由生活現象過渡到物理模型，科學推理，進行簡單的模型建構，學以致用，對生活中所見所聞的曲線運動進行簡單的描述與判斷（如圖5）.

2.1.3 學科核心素養的滲透

描述性的科學知識是科學本質的基礎，學生通過實驗了解物體做曲線運動的條件，掌握線速度的概念，運用物理觀念分析生活現象、建構模型，體會物理來源于生活，又應用于生活的科學本質.教學過程中引導學生體會科學無處不在;理解物理是一門基礎的科學學科，架起生活與科學之間的橋梁;掌握科學知識的同時提高科學素質，促進核心素養的落實.

2.2 水平2：科學分析，實踐檢驗

2.2.1 闡述要求

“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，并需要接受實踐的檢驗.”物理是一門以實驗為基礎的科學學科，實驗是對科學設想的探究與驗證，任何一個物理現象、物理規律、物理結論都必須接受實踐的檢驗.學生必須基于客觀環境對生活現象進行描述與解釋，同時伴隨主觀意識進行探究、解釋、分析，并運用科學思維對問題進行探討，對現象進行模型建構，從而收集有效證據進行分析總結.

2.2.2 案例應用

基于對曲線運動條件和運動合成與分解方法的掌握，在探究過程中教師引導學生將平拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的勻加速直線運動，運用科學方法對平拋運動進行定性（如圖6）和定量（如圖7）分析，隨后運用科學探究方法（如圖8）對其分析結果進行檢驗，圖8實驗圖像（b）將平拋運動進行圖像化處理，可以觀察到x軸方向兩點之間間隔相同，y軸方向兩點之間距離逐漸增加，將圖像（b）進行二次擬合得到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動，vy圖像是一次函數圖像，即小球在豎直方向做勻加速直線運動，與前面的科學分析結果一致.

2.2.3 學科核心素養的滲透

人類對大自然進行科學探究，基于科學思維分析，依賴于科學技術的發展，成于實踐的檢驗，在探究平拋運動的過程中，學生從定性、定量分析入手，然后利用DISLab實驗裝置對平拋運動規律進行檢驗，整個過程基于科學思維分析，感受科學探究方法，掌握物理研究思想，明確科學探究的實證性、歸納性、預見性等.基于科學本質的學習思路，有利于提高學生的科學思維能力，促進核心素養的落實.

2.3 水平3：源于基礎，創造發展

2.3.1 闡述要求

科學本質水平3，要求學生通過學習“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”.人類對大自然的探索是永無止境的，科學探究的本質具有創造性，物理研究從最基本的驗證實驗、模擬實驗出發，逐漸過渡到探究實驗等，循序漸進，不斷創新發展.

2.3.2 案例應用

在勻速圓周運動教學過程中，教師展示多個圓周運動的圖示與視頻，引導學生進行模型建構，通過提問“可否利用平拋運動的分析方法對勻速圓周運動進行分析？”“向心力演示器的實驗是否有誤差？”“可否利用數學矢量方法對向心加速度進行分析（如圖9）？”“圓周運動在生活中有哪些應用（如圖10）？”通過問題導向的教學方法，引導學生基于觀察和實驗不斷提出問題，同時對生活中的“圓周運動模型”應用進行改進.

2.3.3 學科核心素養的滲透

學生基于曲線運動的條件、平拋運動規律的探究，擁有一定的科學思維能力，掌握了一定的科學探究方法、數學分析方法等，在對圓周運動進行學習探究時會有所思考.觀察過山車模型、自行車的大小齒輪等，建構起物理模型，會用線速度、角速度、周期等物理量描述勻速圓周運動，通過實驗探究勻速圓周運動的向心力，運用數學矢量運算方法對實驗結果進行檢驗，感受科學探究過程中的質疑與創新.

2.4 水平4：建構模型，創造發展

2.4.1 闡述要求

物理研究基于觀察與實驗的基礎進行創造，更深層次的是對自然現象進行抽象的創造性的工作，因而，科學本質水平4建議學生通過學習“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4是對水平3的進一步延展，觀察與實驗是物理學研究的基本方法，基于觀察與實驗對自然現象進行科學探究：發現問題、建構模型、科學推理、尋找證據、科學論證、分析與交流等，進而提出富有創造性的建議或改進，最終應用于生活.

2.4.2 案例應用

通過史實介紹“人類對行星運動規律的認識”，先輩細心觀察，發現行星并非總向一個方向移動，因此建構 “火星逆行模型[8]”（如圖11）與“本輪和均輪模型[8]”（如圖12）;開普勒三大定律的發現引導人們開始深入思考行星繞太陽轉動的原因，因此發現了“萬有引力定律”，卡文迪什的扭秤實驗測出了引力常量G的值，科學家們進而對地球質量進行“稱量”、計算天體質量、發現未知天體（如筆尖下發現的行星——海王星）;簡化模型，運用勻速圓周運動規律和萬有引力定律推導第一宇宙速度;播放視頻，介紹我國航天事業的發展，讓學生了解航天事業的發展開拓了人類在太空的活動領域，人類沖破大氣層的阻攔，擺脫地球引力的束縛，翱翔太空夢想的實現依賴的就是人類對自然現象進行抽象的創造性的工作.

2.4.3 學科核心素養的滲透

“創造性工作”是科學本質水平4要求的主要特征，學生在學習的過程中感受人類不斷地對大自然現象進行科學的、抽象的、創造性的工作，在摸索中不斷發展，物理定律在人類探索未知世界的過程中發揮了巨大的作用，知道物理的普適性、統一性、嚴謹性、創造性等對科學發展是不可或缺的，科學與技術的發展水平取決于人類對自然現象的抽象性創造.

2.5 水平5：穩定發展，破陳創新

2.5.1 闡述要求

科學本質的最高水平是對科學與道德、科學與技術、科學與社會的概括與升華，學生通過學習，“認識到物理學是人類認識自然的方式之一，是不斷發展的，具有相對的持久性和普適性，但同時也存在局限性”.科學的發展不是一帆風順的，而是一個曲折盤旋上升的過程.

2.5.2 案例與學科核心素養

通過史實介紹，引入生活經驗，基于前置知識影響，學生體會到時間像“長河”，空間像“房間”，彼此互不影響，時間與空間都是獨立于物體及其運動而存在的，物理學上稱之為絕對時空觀，也稱牛頓力學時空觀.但相對論時空觀——時間延緩效應與長度收縮效應的引入，打破了經典物理學的穩定.在此，教師應引導學生知道牛頓力學的相對穩定性與局限性，“像一切科學一樣，牛頓力學沒有也不會窮盡一切真理，它也有自己的局限性.它像一切科學理論一樣，是一部‘未完成的交響曲”[8].關注宇宙的起源與演化拓展學生的科學知識，理解科學知識是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，基于觀察，科學推理，構建宇宙模型，收集有限證據，科學論證，不斷質疑創新;科學知識具有局限性與相對穩定性，科學探究是對自然現象結論的檢驗，科學·技術·社會·環境之間相互影響，相互促進;在探討大自然的同時要有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感.

3 總結與展望

物理學是一門充滿生機與活力的科學，它的創造性進展日新月異，物理教學旨在開闊學生思維，創新性人才的培養是物理學科教學的重要使命.科學本質滲透層層遞進，核心素養的落實環環相扣.通過研究平拋運動、勻速圓周運動等運動形式，建構物理模式，科學推理，拓展對運動多樣性的認識，體會物理學化繁為簡的研究方法，深化位移、速度、加速度等物理觀念的理解，進一步提高運動與相互作用關系的認識.通過實驗探究，引導學生經歷發現提出問題，根據解決問題的需要，對證據進行收集與選擇，提取有用信息，基于證據的邏輯思維，對問題做出合理的科學解釋，團隊成員相互進行交流學習的科學探究過程.通過史實，了解萬有引力定律的發現過程，引導學生關注物理學定律與航天技術等現代科技的聯系，認識科學定律對人類探索未知世界的作用，從萬有引力定律的普適性認識自然界的統一性，認識科學研究包含大膽的想象和創新.相對論初步介紹，知道牛頓力學的局限性，知道科學理論既具有相對穩定性，又是不斷發展的，體會人類對自然世界的探索永無止境.

McComas等人認為科學本質教育幫助學生理解科學，加強決策能力，促進學生的學和教師的教[9].高中物理課本對于科學本質的滲透并非由一節課單獨完成，而是由簡到繁，章節之間相互聯系，層層遞進，逐步進行科學探究.科學本質教育貫穿學習過程，本文以圓周運動模塊與萬有引力定律模塊為例進行闡述，希望能起到拋磚引玉的作用，共同為物理學教育中科學本質教育發展貢獻自己的一份力.

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）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]田春鳳.物理科學本質教育的理論與實踐[M].北京：科學技術文獻出版社，2019.

[3]Lederman， N.G.Students and Teachers Conceptions of the Nature of Science： A Review of the Research [J].Journal of Research in Science Teaching， 1992（04）： 331-359.

[4]袁維新.簡論科學本質觀的類型與特征[J].科學技術與辯證法，2006（01）：17-21+109.

[5]武志偉，蘇玉成.中美課程標準關于科學本質的比較研究——以中學物理為例[J].物理教師，2018，39（07）：62-65.

[6]劉健智.中學生科學本質觀的測量指標研究[J].教育測量與評價（理論版），2009（07）：30-33+29.

[7]袁維新.科學的本質與科學本質教育[J].課程·教材·教法，2004，24（07）：68-73.

[8]彭前程，黃恕伯.普通高中教科書物理（必修第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[9]WILLIAM F MCCOMAS.The nature of science in science education：rationales and strategies[C].Kluwer Academic Publishers， 1998：73-82.

（收稿日期：2021-09-07）

基金項目：教育部高等學校教學研究項目“大學物理‘對分課堂教學模式的實踐探索及效果評價研究”（項目編號：DJZW201915xb）.

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

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