促進學生理解科學本質的初中科學教學

張成生 (浙江省金華市金東區光南中學 321015)

《義務教育科學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“新課標”)將科學課程的性質定為:義務教育科學課程是一門體現科學本質的綜合性基礎課程。新課標強調,科學本質既是科學概念的組成部分,也是態度責任的基礎。對于科學本質的含義,目前科學教育界的詮釋并不完全一致。美國科學教育專家諾曼·萊德曼(Norman G.Lederman)團隊認為科學本質應該具有七項要素:①科學知識具有實證性,是以經驗為基礎的,基于對自然界的觀察;②科學理論不同于科學定律;③科學知識的創造性或想象本質;④科學理論的建構是從觀察到推論的過程;⑤科學知識植根于社會文化;⑥科學知識具有主觀性;⑦科學知識的暫時性。這是目前認同度較高的一種描述,可以作為確定科學本質教學目標的參考。分析萊德曼團隊科學本質七項要素可知,科學本質涵蓋了科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等科學課程核心素養的四個內涵。由此可知,促進學生科學本質的理解有助于促進學生科學素養發展。

浙教版初中科學的“地球和宇宙”部分包含“地球在宇宙中的位置”和“人類生存的地球”兩個主題,與新課標中“宇宙中的地球”和“地球系統”兩個核心概念相當。這部分內容宏觀,較少能進行真實的探究或實驗。從知識的角度看,學生對這兩個主題內容或多或少知道一些,部分學生所知甚至超過教師。對這部分學習內容的要求不高,學生通過閱讀基本能了解,可稱為科普性內容,教學中容易淪為以識記為主。課堂教學大多緊扣教材,較為缺乏深度和廣度,無法體現科學本質,較難促進學生對科學本質的理解、提高學生的核心素養了。在教學中,“地球和宇宙”部分內容已經成為初中科學中科學性最為薄弱的“洼地”。

一、創設情境主線, 促進科學本質理解

教材中的科學知識往往是目前所公認的知識結果呈現,鮮有過程。但對于科學的創造性、主觀性、暫時性和形成過程及與社會文化的關系等本質內容,必定需要一個知識形成過程作為基礎。如果沒有這一過程,要讓學生理解科學本質,只能是紙上談兵。學生對于科學核心素養的提升,無論是從科學觀念層面,還是科學思維,以及態度責任等方面,都需要有一個過程作為主線。如何讓“地球和宇宙”部分內容形成可行的過程主線,一般是采用兩種方式。

1.補充科學史實形成情境主線

每一點科學知識都有著鮮活的歷史,“地球和宇宙”內容也是一樣,大部分都能尋找到對應的科學史?？茖W知識的歷史,不僅能體現出科學知識的形成過程,還會透露出科學思維的過程,同時體現實證性、科學知識暫時性等科學本質。

以“地球表面的板塊”為例。教材中已經有魏格納的大陸漂移等部分科學史實,在教學中可補充資料,從“坤輿萬國圖”與歐洲通用世界地圖出發,直接帶領學生對社會文化對科學發現之間關系的思考,然后是英國哲學家培根的發現、達頓的地殼均衡原理、魏格納尋找證據及其學說的提出和沉寂過程、海底探測新發現、赫斯的海底擴張理論、威爾遜“板塊”一詞的提出、勒比雄六大板塊的主張等,形成一條科學歷史主線完成教學。補充科學史,豐富內容可使過程主線更豐滿、更清晰,并且其中培根和魏格納的比較、新發現帶來的新理論的提出,體現了需要實證的科學本質觀教育。同時,魏格納學說的提出與被否決、新的觀測發現帶來的學說重現與提升完善,體現逐漸發展、逐漸完善的這一科學本質,達成科學本質的教育。而魏格納等人在堅持自己學說中所采取的行動,更是一種態度責任學習的榜樣,利于學生在精神上的熏陶和影響,更有利于學生科學素養的培養。

采用沿著科學知識形成的歷史順序進行,以發現過程為主線,將科學史按序融入教學的過程中,能讓學生看到前人走過的路,以及沿途的風景,對于學生科學本質觀的形成是大有裨益的?！叭祟悓τ钪娴恼J識”等許多科學史材料豐富的內容都可以采用此種方式進行。

除按照歷史順序作為主線外,也可以將科學史內容進行倒敘,讓學生隨歷史逆流而上,在減除背景中顯化科學發展與條件之間的科學本質。

以“地球的形狀和內部結構”為例。對于地球是一個球體的事實,對于七年級的學生來說已經成為一個常識。本節課的教學可以采用倒敘的形式,先讓學生講述所知道的地球形狀→他們獲得這些知識的依據→減少所依據條件回到更早的認識→可能判斷的形狀→再將依據往前推→再作判斷,以至得到類似于古代各民族所認為的地球形狀,進而得知,遠古人類對于大地形狀的種種認識實際上是因為局限于他們能夠觀察到范圍。在教學中,當我們在逐漸減去我們所擁有的依據時,如航天技術、環球航行等,慢慢就會形成人們對自然事物的認識會局限于視野范圍、對于客觀事物的認識發展受到技術發展的限制等。也就是說科學的發展是具有一定的局限性。當最后呈現各個民族所擁有的不同的大地觀,結合各民族所生活的環境以及他們的信仰時,亦可得出,科學知識是植根于社會文化的。

2.聯系生活實際創設教學情境

并不是所有的教學內容都有詳盡的科學史,許多內容沒法利用科學史來串成教學的過程線。但實際上,我們還有許多路徑去創設學習過程。如利用學生的生活經驗創設具有生活化的教學過程或具有趣味性的過程、利用實物、模型等手段創設具有可觸性的教學過程作為教學的主線素材。

例如,在“太陽和月球”第一課時“太陽”中,可將寫“尋太陽啟事”作為主線來進行教學。以學生對太陽的認識為基礎寫“啟事”,再根據所寫情況,進行補充和完善“啟事”中完成這一課時的教學。學生剛開始寫的“啟事”,一般也都只涉及大小、溫度、距離等表層的內容,只有更深入地學習,才能得到太陽的結構以及活動等更深層次的內容。通過寫“啟事”這一情境任務,能很好地由淺入深串好教學的主線。

而第二課時的“月球”部分則以完成到月球旅游的“旅月攻略”為主,以“奔月神話”“探月現實”“旅月攻略”“登月意義”為線索來完成月球知識的學習。這一線索較好地結合了學生的生活經驗,在各小組的討論、匯報及闡述攻略依據的過程中順利達成“月球”這一內容的學習,既有趣味也有拓展。

二、增補模擬實驗, 助力科學本質理解

科學是人類在研究自然現象、發現自然規律的基礎上形成的知識系統,以及獲得這些知識系統的認識過程和在此過程中所利用的方法。從知識系統角度看,科學的本質是對自然現象和自然規律的描述和解釋,描述和解釋需要有對自然的觀察為基礎;從過程方法角度看,科學的本質是一種感知和發現宇宙秩序的能力,這種能力的形成,也需要觀察、實驗的基礎上,進行突破常識的想象。對于“地球和宇宙”這部分內容來說,學生能夠直接進行的探究和實驗確實太少。而如果沒有實驗觀察的支撐,不僅不利于科學概念建構,也不利于科學本質的理解。在教學中,根據實際需要去創設一些模擬實驗或模擬觀察,在原理、成因、過程和縮放等方面幫助學生的理解。同時,創造的模型或實驗也是對科學本質中的創造性、主觀性的一種很好的補充。

1.利用模擬實驗促進科學推論性的理解

科學知識具有實證性,是以經驗和觀察為基礎的,在此基礎上再通過推論才能建構成科學理論。在無法進行真實實驗的情況下,利用模擬實驗,進行類推得到知識系統的理解,也是一種不錯的選擇。同時,在類推的過程中,可以讓學生體驗科學所具有的本質——科學具有推論性。

例如,在“太陽”這一內容的教學中,學生對于太陽黑子的理解是一個難點。在教學中,在燒紅的鐵片上滴上幾滴水,這時所觀察到的便是較黑的點塊,然后用火柴靠近,卻可見這“黑點”也是能點燃火柴,以此實驗,便可讓學生理解太陽黑子雖“黑”,但溫度依然是很高的這一事實。在“人類對宇宙的認識”中,所有星系都遠離我們而去來理解宇宙膨脹,也是學生的一個認識難點,利用氣球膨脹模擬宇宙膨脹來觀察氣球表面各點的距離的變化,對于理解膨脹的宇宙就簡單多了。

類似的還有地球的自轉與公轉的模擬、月相形成的模擬等。

2.利用模擬觀察加強科學創造性的感受

科學知識的形成具有想象本質,這想象需要基于自然界的觀察。但在“地球和宇宙”這部分內容中,學生進行直接觀察并不現實,而通過科普視頻,在一定程度上能擴大觀察的范圍和深度,但學生的體驗感并不強。學生的生活經歷和科學課堂并不能完全滿足學生觀察“地球和宇宙”內容的需要。如果我們能夠創造條件,增加學生模擬觀測的機會,則在一定程度上彌補上述的不足,同時可以在教學過程中滲透科學研究創造性的本質。

如《探索宇宙》這節中的星座內容,理論上可以讓學生在夜晚觀察星空,但在目前光污染的情況下,城鎮學生在夜晚能觀測到的星星實在少得可憐。再加上,四季星空各有不同,如果要觀察到星空的四季變化,需要學生長時間的堅持,幾乎沒法讓學生辦到。但如果我們用不同顏色的激光筆,在教室天花板上照射出模擬的星空,則能讓學生有模擬觀察的體驗。如在天花板中間點模擬北極星,邊上固定好北斗七星的大致位置,再讓學生繞著“北極星”,也就是沿著教室轉動觀察,則能清楚北斗中的斗柄在一年中的變化。

通過這樣的模擬觀察,能讓學生充分體驗人類認知自然過程中的創造性思維和想象能力,不亞于一種超級精神震撼。這些模擬實驗,也可以來自于學生的創造,即使不是學生的創造,也能讓學生在創造性的教學內容中長大,對于學生理解科學的創造性本質,會有著更為切身的體驗。

三、加強思維拓展提升科學本質理解

我們還可以將科學理解為一種視角,一種批判地看待世界的能力?？茖W教學的目的,是提高學生科學核心素養,是讓學生對科學有更深的認識。深刻的認識源于反思,需要批判性思維和質疑能力的培養?！暗厍蚝陀钪妗辈糠值膬热萁虒W,也是需要加強反思的教學,來讓學生理解科學本質、更新科學觀念、形成批判性思維。

1.在反思史實中理解科學本質

作為科普性的內容,如果停留在知識系統的層次,本身非常簡單,但從科學本質的維度來看,則蘊藏著豐富的內涵,如果能夠充分利用,對學生科學核心素養的提高大有裨益。

如“地球的形狀和內部結構”這一內容,如果按照教材,從“天圓地方”等古代人類的認識開始,雖然體現了“科學知識的正確形成往往需要一定時間積累”的發展性,但對于“科學知識是以經驗為基礎的,基于對自然界的觀察”“科學知識植根于社會文化”“科學理論的建構是從觀察到推論的過程”等科學本質的理解就不會那么透徹。而加上人類對地球形狀認識逐漸逼近真實的過程的反思,就是給學生創造機會知道科學的發展是離不開技術工具的發展,而對于古代各民族對于地球形狀的猜測,如果沒有進一步的反思,是不可能得出人類的科學認識是以觀察為基礎的,而觀念的形成,更離不開社會文化的基礎。

又如,“人類對宇宙的認識”的教學中,在提供充足的科學史資料的基礎上,按照歷史的進程和各種科學假說形成的過程,通過不斷追問,促進學生的反思,提升學生的思考能力。在這樣的學習和反思中,逐漸讓學生知道科學源于觀察,而觀察有其局限性,所以所得出的結論往往還帶有其文化的特征、科學具有主觀性和創造性;并且科學是不斷發展的,具有累積性、暫時性;科學是基于觀察和技術的發展,具有實證性等科學本質的內容。

2.在開闊思維中更新科學觀念

發展學生的思維,也是科學所必須具有的典型特征?！暗厍蚝陀钪妗钡膬热?也有許多地方值得去挖掘學生思維的起點,開拓學生的思維,更新學生的科學觀念,進而提升學生的素養。

如在“太陽黑子”的教學中,很多時候我們會讓學生關注黑子變化的規律,而這變化,也僅僅是關注了黑子多少的變化規律。由此,學生也僅僅知道黑子的變化是數目的變化。但事實上,黑子的變化規律,除了數目,還有大小、位置變動和極性變化等等的規律。這些變化是相聯系的。當然,我們不一定要去和學生講“卡林頓太陽活動周”“斯波勒定律”“海爾周期”等,但我們在教學必須給學生介紹一下這一些相關的變化。這些內容似乎與教學的目標沒有關系,然而對于開闊學生的思維與視野的同時,也能加深學生對科學本質的理解。

在“地球表面的板塊”這一內容教學的導入中,教師可展示我國明末清初時期的“坤輿萬國圖”,一方面是與現在學生熟悉的世界地圖對比,來對比陸地位置變化的情況。另一方面,與歐洲通用的世界地圖去比較,讓學生思考為什么歐洲會有這么多人去猜想大西洋兩岸曾在一起,而鮮有中國人的參與,進而拓展科學的發展與社會文化基礎的關系來拓展學生的思維。

3.在質疑成見中體驗科學本質

科學核心素養是科學能力和價值觀念融合而形成,而批判性思維是其中一項最為重要的能力和價值觀,也是體驗科學知識的創造性這一科學本質的路徑。作為科學課程重要內容的“地球和宇宙”部分,必不可少的需要進行批判性思維的培養。而有依據地質疑成見,培養學生批判性思維,進而體悟科學本質。

在“地球的自轉”這節內容的學習中,往往會將晝夜交替現象當成地球自轉的一個重要的證據。晝夜交替現象確實是由于地球自轉所形成。當我們知道這一前提,將這一現象確實可以作為證據。在這一節內容的教學中,教師通過晝夜現象,然后是晝夜交替現象,再到地球自轉進行的。而在晝夜交替現象的產生中,通過學生的模擬實驗,往往會得出無論是地球自轉還是日月星辰繞地球轉,都是可以產生晝夜交替現象的。

促進學生科學本質理解的教學,其途徑一般可歸納成兩種。一種是通過科學探究、實驗活動、做中學等方式,將科學本質的內容嵌入教學中,以間接的方式讓學生體會科學本質。另一種方式是從科學史哲等視角去詮釋科學本質,并通過課堂教學活動直接明示科學本質。以通過創設過程線為主,適當增加實驗為基礎,以培養學生思維為中心,才能使“地球和宇宙”的內容走向“科學”的道路,才有利于促進學生對科學本質的理解,進而促進學生核心素養的提高。