基于科学本质水平划分落实物理学科核心素养研究

陈培兰　林妹平　朱巧萍

摘 要：核心素养的落实依赖课堂教学的推进，在物理课堂落实科学本质教育，帮助学生从更广的视角解读物理知识，掌握科学的思想与方法.基于新课标的科学本质水平层次，以曲线运动和万有引力定律为例，对课堂渗透科学本质教育、落实学科核心素养进行分析与阐述.

關键词：核心素养;科学本质;物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0015-04

党的“十九大”明确提出，全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务，发展素质教育，培养德智体美劳全面发展的人才[1]， 教育部在2017年版《普通高中物理课程标准》（以下简称新课标）中，明确提出“科学本质”的教育目标.当前，在科学教育领域中逐渐形成了对科学本质比较固定和相对稳定的观点，科学本质内涵包括科学知识、科学探究和科学事业三个层面[2] .物理学是一门科学学科，教学过程中如何展示科学本质，学科核心素养如何被落实，是物理教学的讨论热点，同时Lederman在《Students and Teachers Conceptions of the Nature of Science： A Review of the Research》主张中学教学应渗透科学本质特性[3].

1 新课标中的科学本质与水平层次划分

袁维新认为，科学本质是指科学知识的本质和促进科学知识发展的内在价值和假设[4]，刘健智通过讨论美国科学本质教育的若干问题，得出了“科学课程的改革必须培养学生对科学本质的理解”的结论[5].随着新课程改革，新课标将“科学本质”归类于学科核心素养的“科学态度与责任”，并划分为五级水平层次（如图1）.各水平层次之间层层递进，循序渐进，由简到繁，展示科学本质内涵特性，为物理教学中科学本质目标的落实制定标准，利于科学本质教学目标的实现与教学结果的评价.

在此整理了研究者Lederman[3]和刘健智[6]以及新课标[1]中关于科学本质的描述，总结见表1.由表1不难发现，新课标对科学本质内涵与Lederman、刘健智等人的阐述异曲同工，科学本质旨在引导学生掌握一定的科学探究方法，了解科学结论不是偶然的，而是在不断探索中总结概括的，帮助学生从更深的层次、更广的视角理解所学的科学知识，加强学生的科学决策能力，掌握基本的科学思想与方法，从而发展其自主探究的能力，利于教师对科学知识的传授，有助于学生形成勇于质疑、善于创新、乐于探究的科学态度[7]，了解科学的昨天与今天，畅想科学的明天.

2 基于科学本质水平划分探讨学科核心素养落实

纵观图1与表1，可以发现水平1包含的科学本质内涵更多属于科学知识，其他四个水平层次皆含有科学探究特性，科学事业在水平3与水平4中较多被体现.下面以新课标所提及的科学本质内涵为基点，以“科学本质水平层次”为主线，以课程内容“2.2曲线运动与万有引力定律”和“2.3牛顿力学的局限性与相对论初步”为例（如图2），从科学本质视角探讨学科核心素养在物理教学中如何落实.

2.1 水平1：描述自然，解释现象

2.1.1 阐述要求

科学本质水平1，要求学生通过学习“认识到物理学是对自然现象的描述与解释”，物理来源于生活，同时应用于生活.描述大自然并非运用 “大白话”，而应站在科学的视角、物理学的角度，对所见所闻的自然现象进行描述与解释.学生运用物理观念，通过科学的逻辑思维推理，建构物理模型，科学解释、描述自然现象.

2.1.2 案例应用

如“5.1曲线运动”在新课标的内容要求中的教学目标是“通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件”.学生可通过观察生活中的曲线运动，如投篮时篮球的运动轨迹，链球甩出去的运动轨迹等，随后教师利用实验（如图3）探究物体做曲线运动的条件与速度方向（如图4），理解运动与相互作用的概念;由生活现象过渡到物理模型，科学推理，进行简单的模型建构，学以致用，对生活中所见所闻的曲线运动进行简单的描述与判断（如图5）.

2.1.3 学科核心素养的渗透

描述性的科学知识是科学本质的基础，学生通过实验了解物体做曲线运动的条件，掌握线速度的概念，运用物理观念分析生活现象、建构模型，体会物理来源于生活，又应用于生活的科学本质.教学过程中引导学生体会科学无处不在;理解物理是一门基础的科学学科，架起生活与科学之间的桥梁;掌握科学知识的同时提高科学素质，促进核心素养的落实.

2.2 水平2：科学分析，实践检验

2.2.1 阐述要求

“认识到物理学是基于人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述与解释，并需要接受实践的检验.”物理是一门以实验为基础的科学学科，实验是对科学设想的探究与验证，任何一个物理现象、物理规律、物理结论都必须接受实践的检验.学生必须基于客观环境对生活现象进行描述与解释，同时伴随主观意识进行探究、解释、分析，并运用科学思维对问题进行探讨，对现象进行模型建构，从而收集有效证据进行分析总结.

2.2.2 案例应用

基于对曲线运动条件和运动合成与分解方法的掌握，在探究过程中教师引导学生将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀加速直线运动，运用科学方法对平抛运动进行定性（如图6）和定量（如图7）分析，随后运用科学探究方法（如图8）对其分析结果进行检验，图8实验图像（b）将平抛运动进行图像化处理，可以观察到x轴方向两点之间间隔相同，y轴方向两点之间距离逐渐增加，将图像（b）进行二次拟合得到v-t图像，观察到vx几乎在同一水平线，小球在水平方向做匀速直线运动，vy图像是一次函数图像，即小球在竖直方向做匀加速直线运动，与前面的科学分析结果一致.

2.2.3 学科核心素养的渗透

人类对大自然进行科学探究，基于科学思维分析，依赖于科学技术的发展，成于实践的检验，在探究平抛运动的过程中，学生从定性、定量分析入手，然后利用DISLab实验装置对平抛运动规律进行检验，整个过程基于科学思维分析，感受科学探究方法，掌握物理研究思想，明确科学探究的实证性、归纳性、预见性等.基于科学本质的学习思路，有利于提高学生的科学思维能力，促进核心素养的落实.

2.3 水平3：源于基础，创造发展

2.3.1 阐述要求

科学本质水平3，要求学生通过学习“认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作”.人类对大自然的探索是永无止境的，科学探究的本质具有创造性，物理研究从最基本的验证实验、模拟实验出发，逐渐过渡到探究实验等，循序渐进，不断创新发展.

2.3.2 案例应用

在匀速圆周运动教学过程中，教师展示多个圆周运动的图示与视频，引导学生进行模型建构，通过提问“可否利用平抛运动的分析方法对匀速圆周运动进行分析？”“向心力演示器的实验是否有误差？”“可否利用数学矢量方法对向心加速度进行分析（如图9）？”“圆周运动在生活中有哪些应用（如图10）？”通过问题导向的教学方法，引导学生基于观察和实验不断提出问题，同时对生活中的“圆周运动模型”应用进行改进.

2.3.3 学科核心素养的渗透

学生基于曲线运动的条件、平抛运动规律的探究，拥有一定的科学思维能力，掌握了一定的科学探究方法、数学分析方法等，在对圆周运动进行学习探究时会有所思考.观察过山车模型、自行车的大小齿轮等，建构起物理模型，会用线速度、角速度、周期等物理量描述匀速圆周运动，通过实验探究匀速圆周运动的向心力，运用数学矢量运算方法对实验结果进行检验，感受科学探究过程中的质疑与创新.

2.4 水平4：建构模型，创造发展

2.4.1 阐述要求

物理研究基于观察与实验的基础进行创造，更深层次的是对自然现象进行抽象的创造性的工作，因而，科学本质水平4建议学生通过学习“认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性的工作”.水平4是对水平3的进一步延展，观察与实验是物理学研究的基本方法，基于观察与实验对自然现象进行科学探究：发现问题、建构模型、科学推理、寻找证据、科学论证、分析与交流等，进而提出富有创造性的建议或改进，最终应用于生活.

2.4.2 案例应用

通过史实介绍“人类对行星运动规律的认识”，先輩细心观察，发现行星并非总向一个方向移动，因此建构 “火星逆行模型[8]”（如图11）与“本轮和均轮模型[8]”（如图12）;开普勒三大定律的发现引导人们开始深入思考行星绕太阳转动的原因，因此发现了“万有引力定律”，卡文迪什的扭秤实验测出了引力常量G的值，科学家们进而对地球质量进行“称量”、计算天体质量、发现未知天体（如笔尖下发现的行星——海王星）;简化模型，运用匀速圆周运动规律和万有引力定律推导第一宇宙速度;播放视频，介绍我国航天事业的发展，让学生了解航天事业的发展开拓了人类在太空的活动领域，人类冲破大气层的阻拦，摆脱地球引力的束缚，翱翔太空梦想的实现依赖的就是人类对自然现象进行抽象的创造性的工作.

2.4.3 学科核心素养的渗透

“创造性工作”是科学本质水平4要求的主要特征，学生在学习的过程中感受人类不断地对大自然现象进行科学的、抽象的、创造性的工作，在摸索中不断发展，物理定律在人类探索未知世界的过程中发挥了巨大的作用，知道物理的普适性、统一性、严谨性、创造性等对科学发展是不可或缺的，科学与技术的发展水平取决于人类对自然现象的抽象性创造.

2.5 水平5：稳定发展，破陈创新

2.5.1 阐述要求

科学本质的最高水平是对科学与道德、科学与技术、科学与社会的概括与升华，学生通过学习，“认识到物理学是人类认识自然的方式之一，是不断发展的，具有相对的持久性和普适性，但同时也存在局限性”.科学的发展不是一帆风顺的，而是一个曲折盘旋上升的过程.

2.5.2 案例与学科核心素养

通过史实介绍，引入生活经验，基于前置知识影响，学生体会到时间像“长河”，空间像“房间”，彼此互不影响，时间与空间都是独立于物体及其运动而存在的，物理学上称之为绝对时空观，也称牛顿力学时空观.但相对论时空观——时间延缓效应与长度收缩效应的引入，打破了经典物理学的稳定.在此，教师应引导学生知道牛顿力学的相对稳定性与局限性，“像一切科学一样，牛顿力学没有也不会穷尽一切真理，它也有自己的局限性.它像一切科学理论一样，是一部‘未完成的交响曲”[8].关注宇宙的起源与演化拓展学生的科学知识，理解科学知识是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，基于观察，科学推理，构建宇宙模型，收集有限证据，科学论证，不断质疑创新;科学知识具有局限性与相对稳定性，科学探究是对自然现象结论的检验，科学·技术·社会·环境之间相互影响，相互促进;在探讨大自然的同时要有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感.

3 总结与展望

物理学是一门充满生机与活力的科学，它的创造性进展日新月异，物理教学旨在开阔学生思维，创新性人才的培养是物理学科教学的重要使命.科学本质渗透层层递进，核心素养的落实环环相扣.通过研究平抛运动、匀速圆周运动等运动形式，建构物理模式，科学推理，拓展对运动多样性的认识，体会物理学化繁为简的研究方法，深化位移、速度、加速度等物理观念的理解，进一步提高运动与相互作用关系的认识.通过实验探究，引导学生经历发现提出问题，根据解决问题的需要，对证据进行收集与选择，提取有用信息，基于证据的逻辑思维，对问题做出合理的科学解释，团队成员相互进行交流学习的科学探究过程.通过史实，了解万有引力定律的发现过程，引导学生关注物理学定律与航天技术等现代科技的联系，认识科学定律对人类探索未知世界的作用，从万有引力定律的普适性认识自然界的统一性，认识科学研究包含大胆的想象和创新.相对论初步介绍，知道牛顿力学的局限性，知道科学理论既具有相对稳定性，又是不断发展的，体会人类对自然世界的探索永无止境.

McComas等人认为科学本质教育帮助学生理解科学，加强决策能力，促进学生的学和教师的教[9].高中物理课本对于科学本质的渗透并非由一节课单独完成，而是由简到繁，章节之间相互联系，层层递进，逐步进行科学探究.科学本质教育贯穿学习过程，本文以圆周运动模块与万有引力定律模块为例进行阐述，希望能起到抛砖引玉的作用，共同为物理学教育中科学本质教育发展贡献自己的一份力.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]田春凤.物理科学本质教育的理论与实践[M].北京：科学技术文献出版社，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]袁维新.简论科学本质观的类型与特征[J].科学技术与辩证法，2006（01）：17-21+109.

[5]武志伟，苏玉成.中美课程标准关于科学本质的比较研究——以中学物理为例[J].物理教师，2018，39（07）：62-65.

[6]刘健智.中学生科学本质观的测量指标研究[J].教育测量与评价（理论版），2009（07）：30-33+29.

[7]袁维新.科学的本质与科学本质教育[J].课程·教材·教法，2004，24（07）：68-73.

[8]彭前程，黄恕伯.普通高中教科书物理（必修第二册）[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：教育部高等学校教学研究项目“大学物理‘对分课堂教学模式的实践探索及效果评价研究”（项目编号：DJZW201915xb）.

作者简介：陈培兰（1995-），女，广东潮州人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学.

通讯作者：朱巧萍（1979-），女，宁夏肇庆人，硕士，副教授，研究方向：课程与教学论.