科学方法显性教育在单元教学设计中的实践

刘暄 田成良

摘 要：科学方法是获取知识和应用知识的重要手段，对其进行显性教育是发展学生思维的有效途径.单元教学有效地打破了单一知识点间的壁垒，使知识结构化，有利于学生用结构化的知识解决真实问题.以“气体实验定律”单元教学设计为例，对科学方法的显化和应用过程进行了阐述.研究案例为推进科学方法显性教育的可行性提供了实证支撑，也为提升学生认知层次和发展学科核心素养提供了实践参考.

关键词：科学方法;单元教学设计;认知层次;学习进阶;显性教育

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）21-0027-04

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2018年度青年专项课题“基于‘物理高端备课理论促进青年教师形成专业学习共同体的实践研究”（项目编号：CCFA18146）.

作者简介：刘暄（1986-），女，北京人，本科，中学一级教师，研究方向：高中物理教学与实践;

田成良（1974-），男，山东泗水人，本科，中学特级教师，硕士生导师，物理教研员，研究方向：物理科学方法教育、物理过程教学.

1 问题缘起

随着新一轮基础课程改革的逐步深入，科学方法教育越来越受到关注.科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的确定的思维程序和行为方式，是人们认识和改造自然的有效工具[1].《普通高中物理课程标准（2017年版）》将科学方法与物理知识置于同等重要的地位，明确指出“‘科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用”[2]，这也为我们旗帜鲜明地推行科学方法显性教育奠定了坚实的基础.物理科学方法教育主要包含思维方法、物理方法和科学方法观三部分[3].其中，思维方法是指人脑直接参与加工和处理信息的方法，例如抽象、概括、分析、综合、推理、演绎等，彰显了逻辑的力量.物理方法又可按照知识获得过程和知识应用过程分为两类，如控制变量法、理想化模型法、正交分解法等，蕴含了物理学科的特点.科学方法观重在强调人们对科学方法的认识，对于提升科学素养起着至关重要的作用.

单元教学设计是发展学生核心素养的重要途径[4]，在进行物理单元教学设计时应关注大观念、大项目、大任务与大问题的设计[5].传统的“知识中心”的教育理念过于关注科学知识在物理教学中的地位，然而，在学生机械记忆了大量的基础知识后，能力的发展并没有像预期的那般得以迅猛提升，碎片化的思维反而阻碍了学生的创造性活动.为了扭转这一困局，我们倡导以科学方法的显化和应用为主线贯穿整个单元教学设计，打破单一知识点间的壁垒，引领学生整体感知所学内容，使知识结构化，并利用结构化的知识解决真实问题.

有鉴于此，我们提出以“科学方法中心论”替换“科学知识中心论”，在进行单元教学设计时，把科学方法作为课程核心内容之一，明确其重点、难点、教学目标、操作步骤等，使学生在同化和顺应知识的过程中有法可依，有迹可循，将科学方法的显性教育作为发展学生思维的有效途径.本文以“气体实验定律”单元为例，对科学方法的显化过程进行了一些梳理，以期有所裨益.

2 单元设计教学实践

2.1 设计篇

首先，将人教版中“气体的等温变化、等压变化和等容变化”等相关章节分解为“气体实验定律”“气体实验定律的图像及微观解释”“理想气体状态方程”三个课时作为一个教学单元.根据“获得物理概念、规律的‘四步骤”进行了如下的课时安排（如图1），其中前三步是知识（规律）的获得过程，最后的规律应用则是学科核心素养发展的最终落脚点，每一节的教学设计均按照以下四步骤来进行.

获得物理概念、规律的四步骤（主线）：

单元中涉及的6个学生活动任务以科学方法的显化和应用串接起来.其中，前两课时主要遵循了实验归纳法的教学逻辑，第三课时则显化了演绎推理法.这两种方法是高中物理规律教学中常用的科学方法，均属于强认知方法，可以通过传授的方式帮助学生获得.而隐藏在物理方法背后的“归纳”和“演绎”两种思维方法，属于弱认知方法，只能通过训练的途径让学生感悟和体会.当然，为了顺利完成学习任务，促使大量的科学知识在学生头脑中形成一个层次清晰、逻辑严密的网络体系，只采用一种科学方法是远远不够的.一个完整的教学设计往往包含了多种科学方法的显化过程，例如，在实验归纳法进行到第二步，采用图像法处理数据时，适时地选用化曲为直法、外推法和转换法等，为物理规律（数学表达式）的得出提供了助力.由此可见，多种科学方法纵横交错、协同工作，确保了教学流程的顺畅推进和课堂效率的稳步提升.

2.2 实施篇

有了整体的教学设计规划，在分课时的设计中可以采用问题链的形式推进科学方法的显化过程.以第一课时为例，利用抽气罐完成情境创设后，设置6个核心问题引导学生深度思考.

问题1：若想研究三个状态参量（p、V、T）中任意两个物理量之间的关系，我们应该采用什么样的科学方法？（控制变量法，同时建立三个理想化的过程模型——理想化模型法）

问题2：通过对3组数据的分析，我们能够得到什么样的定性结论？（利用传感器采集多组更精确的数据，进行定量研究）

问题3：我们用什么方法来处理多组数据？（计算法或图像法）

问题4：这看上去像是一个什么函数图像？追问：这一定说明p与V成反比吗？会不会是p与V2成反比？或者是p与V成反比？

问题5：我们如何证明p与V成反比？（化曲为直法）

问题6：这是一条直线，但它是正比例函数图像吗？问题出在了哪里？（误差分析）

就这样，活动任务（1）用环环相扣的问题链将“实验归纳法”的操作步骤及多种科学方法清晰地展现在眼前，使学生在處理后续物理问题时有章可循.

俗话说“授人以鱼，不如授人以渔”，传授物理科学方法的精髓在于脚踏实地，讲练结合，即教师在显化了某一科学方法后，还要带着学生进行实操演练.在接下来的活动任务（2）中，学生们进行分组实验，同样按照“收集数据—图像法（处理数据）—数学表达式”的“三步走”步骤亲身体验实验归纳法的操作流程.当然，在学生利用图像法处理数据遇到困难时，教师应适时地显化“外推法”和“转换法”，帮助学生顺利完成“由摄氏温度转变为热力学温度”的难点突破.在得到等容变化和等压变化对应的物理规律后，还要对科学方法的使用条件和所得结论的适用范围做必要的诠释说明，即“气体实验定律的研究对象是压强不太大、温度不太低时的一定质量气体，为了保证气体的性质，在横轴0K附近的数据是无法取得的，用虚线表示”.所以，这里的“外推”并不表示查理定律的适用范围的拓展，只是为了引入新的温标.

科学方法显性教育绝非一朝一夕之功，需要教师根据学生的特点制定一个长期的计划，在教学过程中分层传授、反复训练.基于此，第二课时伊始，仍然侧重实验归纳法和控制变量法的综合应用，通过挖掘图像隐含的状态与过程信息，锻炼学生的逆向思维能力.而三种图像（p-V图、p-T图、V-T图）之间的相互转换，意在启发学生从多个角度审视检验结论，进而发展思维的灵活性.在学生熟练掌握两种科学方法后，再将研究視角逐步从宏观引入到微观，带领学生体会理想化模型法不仅能够建立过程模型，也能建构对象模型，同时运用“分析、推理、抽象、概括”等思维方法解决实际问题.这样的设计促进了学生的认知过程从“记忆”层级迈向“理解”和“应用”层级.

鉴于高二学生的认知水平大多处于具体运算阶段，选用“数据驱动”的认知路径较为相宜，故前两课时的重点聚焦在以分析数据、概括规律为主的实验归纳法上.随着学生认知水平的不断提升，知识难度的逐级递增，相应科学方法的选取也要有所调整.第三课时是单元教学的拓展升华课时，重在引导学生体会从一般到个别的逻辑推理过程，这恰恰与演绎推理法的教学逻辑相契合.演绎推理法是高中阶段建立物理规律、拓展知识应用时常用的科学方法之一，适宜遵循“概念驱动”的认知路径，与较高级的形式运算阶段认知水平相匹配.学生在“大前提—小前提—结论”三段教学逻辑的指引下，恰当地运用控制变量法便可独立地从气体实验定律推导出理想气体状态方程，再加上一些数学技巧的应用，就会得出新的适用范围广、操作更简洁的物理规律.理想气体系统状态方程[6]就是这样应运而生的，经过严密的数学推导，在原有的理想气体状态方程前加上求和符号“Σ”，其适用范围便由单一系统拓展到多态系统，这样的推广使学生在面临诸如“He-Ne激光管的制造原理”“潜水艇的上浮原理”“输液瓶（两瓶）的工作原理”等问题时豁然开朗，即使遇到难度较大的竞赛试题（如图2，解释两瓶相连的输液瓶的工作原理）也能迎刃而解.由此可见，一个简单“Σ”的引入不仅成为了第三课时的点睛之笔，更促使学生打破了原有的思维定势，闪现出“创造”的智慧火花，完成了单元教学的科学思维进阶任务.

就这样，6个活动任务按照科学方法的教学脉络，一步步地完成了从教师主导到学生主体，从实验验证到实验探究，从单一系统到多态系统的科学方法进阶.值得注意的是，学生沿着科学方法的认知路径拾级而上，在获取知识的过程中并未产生“难以望其项背”之感，反而激发出更多的学习热情，并开始主动关注和解释身边的热学现象.例如，图3是在大型购物中心的景观池里拍摄的照片，学生运用抽气罐的工作原理开发了小实验，并对其成因给出了合理的解释.暑假中，学生还针对自选的课题进行研究，以小论文的形式呈现交流.这些鲜活的实例，充分说明科学方法显性教育获得了良好的教学效果.

3 启示和展望

3.1 方法显化——统领单元教学

从科学教育的实践来看，获取科学知识的过程可以表示为：科学现象—科学方法—科学知识;应用科学知识的过程可以表示为：科学知识—科学方法—延伸与应用[7].由此可见，科学方法是联结现象、知识和规律应用的纽带，处于核心地位.在进行单元教学设计时，应按照科学方法的逻辑安排教学进程，并结合学生的认知特点，选择合适的认识路径.在设计实施的过程中，不断训练、强化思维方法，反复传授、实践物理方法，使学生有意识地运用科学方法获取科学知识，从而真正领略知识规律的内涵和外延.

3.2 问题引导——提升科学思维

以学生的现有认知水平作为教学起点，采用问题链形式引领整个单元设计，以问题代陈述，以主动思考替代被动接受，既可以为学生思维发展的可视化提供支持，促发学生深度学习，又可以推动学生的认知结构向更高阶的形式运算阶段迈进，为创新思维萌芽的产生奠定基础.

3.3 学以致用——检验教学成果

单元教学设计中适时地引入原始物理问题，有助于激发学生的学习兴趣，也可测查学生应用科学方法解决实际问题的能力.因为科学方法的掌握，离不开探索和发现，只有在教学过程中不断地将原始物理问题抛给学生，让学生获得在实际情境中解决物理问题的经验，形成把情境与知识相关联的意识和能力，才能完成从经验性常识向物理概念、物理规律的转变，进而树立正确的科学态度与责任，发展学科核心素养.

对于“科学的本质是什么”这一问题，诺贝尔物理学奖获得者费恩曼教授曾直抒己见，“科学是一种方法，它教导人们：一些事物是如何被了解的，不了解的还有些什么，对于了解的，现在又了解到什么程度，如何对待疑问和不确定性，依据的法则是什么，如何思考问题并作出判断”[8].由此可见，要想培养学生像科学家一样思考，树立正确的科学方法观，就要勇于打破科学知识中心论的桎梏，努力提升科学方法在教学中的主导地位.当然，虽然推动科学方法显性教育迫在眉睫，但教育理念的转变并非一蹴而就，需要广大教师不断实践、修正，以丰硕的研究成果来丰富和拓展这一理论，让科学方法的显性教育成为引领教师成长的“新常态”.

参考文献：

[1]邢红军，陈清梅.从知识中心到方法中心：科学教育理论的重要转变[J].首都师范大学学报（自然科学版），2011，32（06）：20-26.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]李正福，李春密，邢红军.从隐性到显性：物理科学方法教育方式的重要变革[J].课程·教材·教法，2010，30（12）：71-74.

[4]张玉峰.以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计[J].中学物理，2020，38（05）：2-7.

[5]崔允漷.学科核心素养呼唤大单元教学设计[J].上海教育科研，2019（04） ： 1.

[6]邢红军.论理想气体状态方程的教学[J].中学物理教学参考，1999，28（07）：5-8.

[7]邢红军.高中物理高端备课[M].北京：中国科学技术出版社，2014.

[8]约翰·格里宾，玛丽·格里宾著.江向东译.迷人的科学风采——费恩曼传[M].上海：上海科技教育出版社，1999.

（收稿日期：2021-08-10）