基于ADI的显性-反思性科学本质教学——以“自由落体运动”为例

谢 丽 李 治* 李春密

（1.长江大学物理与光电工程学院，湖北 荆州 434023；2.北京师范大学物理学系，北京 100875）

新时代全球科技竞争空前激烈，随着新一轮科技革命和产业革命的深入推进，科技人才逐渐成为国际博弈战场的关键.为落实国家有关科技战略规划，国务院于2021年6月颁布了《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》（简称《纲要》），《纲要》指出：科学素质是国民素质的重要组成部分，是社会文明进步的基础，没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化.［1］科学教育是提升国民科学素质，攻克核心技术，实现科技振兴的基础.［2］而物理学是一门研究物质、相互作用和运动规律的基础自然科学，是帮助学生建构科学知识、掌握科学研究范式和感悟科学事业发展历程的重要学科.为此，物理教学应激发学生对科学的求知欲，培养他们的创新意识和批判精神，逐步形成顺应时代发展的科学观，肩负起提升全民科学素质的重任.

那么，如何在物理教学过程中提高学生的科学素质，使之成为助力科技前沿发展的新生力量呢？当前，科学本质教育已经成为国内外理科教育发展的核心理念，学生对科学本质的理解程度被作为衡量其科学素质的重要基准.［3］鉴于此，本文基于论证探究式（Argument-driven Inquiry，简称ADI）教学模式，开展以“自由落体运动”为主题的显性-反思性科学本质教学，旨在深化学生对科学本质的理解，提高学生的科学素质，同时为课堂教学落实物理学科核心素养提供有效路径.

1 科学本质和科学本质教学

1.1 科学本质

科学本质历经百年变迁，不同哲学流派对其界定不一，围绕其定义和内涵形成了“百家争鸣”的局面.目前，从认识论视角所阐述的观点受到了科学教育者的广泛认可.莱德曼（Lederman）认为科学本质是一种认识方式，是科学知识及其发展所固有的核心价值和信念，包括暂定性、实证性、理论负载性、创造性、社会文化嵌入、理论和规律、推理和观察.［4］赫里克（Khalick）认为教科书所呈现的科学内容应将实证性、观察和推理、创造性、理论负载性、暂定性、科学方法的多样性、科学理论的本质、科学规律的本质、科学知识的社群性、社会文化嵌入囊括在内.［5］尽管不同学者在“内涵问题”上各持己见，但回归基础教育阶段却基本达成共识，包括：

（1）暂定性：科学知识并非绝对或一成不变的，它会随着新证据的涌现而被修正，甚至被取缔；

（2）实证性：科学家的定论是基于一定证据的支撑，而并非主观臆想的；

（3）观察和推理：观察和推理之间存在不同.观察是利用自身感觉器官或其延伸对感知对象的直接性陈述.推理是对感知对象的间接性陈述，可不经过感觉器官而实现；

（4）理论和规律：理论和规律之间存在不同.科学理论是对科学现象及其背后蕴藏的原理进行推理解释.科学规律是概括性描述科学现象之间所存在的联系.两者之间不存在转化关系，即使证据充分也不能互相转化；

（5）理论负载性：科学家开展的科学实践活动在一定程度上会受其自身主观因素的影响，例如科学家的理论、信念、学识经验等；

（6）社会文化嵌入：科学家所处的社会背景和所接受的时代文化，可能会影响他们对研究结果的解释，其研究结果也是社会和文化相互作用的产物；

（7）创造力和想象力：科学知识的产生过程并非完全步调一致，它离不开科学家的想象力和创造力；

（8）科学方法的多样性：科学家并非使用单一方法开展科学实践活动，而是通过多种方法来建构科学知识、科学规律和理论.

不难发现，上述科学本质的内涵与物理学科核心素养的4个维度是相契合的，可进一步归纳为如图1所示的4个方面：科学是一个知识体系；科学是一系列的思维方式；科学是一套研究方法；科学与技术、社会相互作用.因而，在物理教学中，可以通过科学本质教学来落实物理学科核心素养的培养，促进新时代课堂教学从“知识本位”向“素养本位”的转变.

图1 物理学科核心素养与科学本质的关系

1.2 科学本质教学

科学本质教学在经历了“历史教学—隐性教学—显性教学—显性与反思性教学”4大沿革后，“显性—反思性”教学在改善学生的科学本质观方面，相较于“隐性”教学更胜一筹.“显性”主要是指把科学本质的内涵与教学内容有机结合，并形成认知性目标在课堂教学中明确讲授.这就要求教师除了对科学本质有一定认识之外，还需要从科学知识、科学思维、科学方法和科学—技术—社会4个方面充分挖掘潜藏在教科书中的科学本质，以物理学史、科学实践活动或社会性科学议题创设情境开展教学.而“反思性”则强调通过师生和生生之间的内在互动，利用问题串引导学生交流讨论，积极审视自己在获取知识的过程中所存在的不足.一方面，个人或集体反思可加深学生对科学知识的理解和认识，纠正他们基于前概念产生的科学错误；另一方面，也可作为优化课堂教学的参考依据，指导教师根据实际反馈改进教学设计.

尽管有诸多优势，但在常态化课堂教学中，缺乏对科学本质教学目标的明确制定，导致课堂反思出现主体移位、目标缺位，真正意义上的“显性—反思性”科学本质教学难以体现，学生自然也难以触及到知识的核心.在建构主义思潮影响下，随着论证式教学的普及，科学教育开始越发注重对学生逻辑思维和批判能力的培养，有意让学生亲身经历证明真理或谬误的推理过程，来改善他们对科学知识及其本质的认识.

2 ADI教学模式

ADI教学模式是辛普森（Sampson）等人在图尔敏论证模式的基础上开发的一种渗透式教学模式.［6］该模式将科学探究和科学论证有机整合到科学课程中，通过“做中学”和“辩中思”双联互动，复演科学家建构科学知识的探究论证过程，来培养学生科学的思维习惯和批判性思维技能，使其成为能够利用科学知识就个人、社会和全球问题做出明智决定的独立个体.ADI教学模式8个阶段彼此联系，相互渗透，后一阶段教学总是基于前一阶段开展，而后萌生下一阶段所需要的教学要素，例如论证所需的证据、主张都源自于实验方案的设计与实施.具体教学流程如图2所示.

图2 ADI教学模式

ADI教学模式结合了“探究、论证”的内化输出和“反思、讨论”的同化输入，让学生在“学”和“省”的过程中构建完整的科学知识体系，促进批判性思维的发展，深化对科学本质的理解，是显性—反思性科学本质教学付诸实践的不二法门.

3 基于ADI的科学本质教学——以“自由落体运动”为例

“自由落体运动”选自人教版《普通高中物理教科书（必修1）》第2章第4节，教学内容以“概念—规律—物理学史”的顺序呈现.其中，物理学史作为课外拓展包含在“科学漫步”和“STSE”栏目中.物理学史集中体现了物理学家如何探索、发现和认识自然的演变历程，是物理课程资源开发和利用的重要来源.一方面，物理学史中的物理观念、科学思维以及科学研究范式可作为学生开展科学探究和科学论证的辅佐资料；另一方面，物理学史中所蕴含的科学态度与认识有利于学生形成正确的科学本质观.为此，本文以“自由落体运动”为例，开展基于ADI的显性—反思性科学本质教学.

3.1 科学本质教学目标

通过深度挖掘自由落体运动发展史中蕴含的科学本质，结合课程标准以及学生现有认知水平制定如下科学本质教学目标：

（1）科学知识的本质：① 通过回顾自由落体运动发展历程，知道科学知识具有暂定性.② 通过探究自由落体运动的规律，知道科学理论和科学规律的区别.

（2）科学思维的本质：① 通过比较亚里士多德和伽利略的观点，知道观察和推理的区别.② 通过了解伽利略当时所面临的概念困难，知道创造力和想象力在科学实践活动的重要性.

（3）科学方法的本质：① 通过了解伽利略的逻辑推理法和斜面实验法，知道科学方法的多样性.② 通过了解伽利略的斜面实验和数据文稿，知道科学需要一定证据的支撑.

（4）科学—技术—社会：① 通过了解亚里士多德和伽利略所处的时代背景，知道社会和文化会影响科学家的科学实践活动.② 通过了解伽利略的科研信念，知道理论负载性是如何影响科学家开展科学活动的.

3.2 科学本质教学流程

“自由落体运动”科学本质教学设计共分为8个阶段，详细教学流程如表1所示.首先，教师要创设物理学史的情境来吸引学生注意力，将生活常识与科学知识建立联系，引发学生的认知冲突并激发他们对落体运动的求知欲.接着，引导学生通过观看视频、演示实验和逻辑推理，来建立自由落体运动的概念，进而明确本节课的任务是探究自由落体运动的规律.然后，组织学生以小组形式自主设计和实施实验方案、分享实验结果和推理论证的过程，并接受其他小组的质疑与辩驳.最后，师生共同对科学探究的合理性、科学论证的自洽性以及教学目标的明确性进行讨论和反思，学生在教师的指导下撰写讲义，并依据双盲评议的反馈意见修改讲义.

表1 “自由落体运动”教学流程

续表

4 结语

科学本质观的发展并非一蹴而就，它与课堂教学有着密不可分的关系，而课堂教学的有效开展则离不开教师对科学本质的深刻理解.［7］基于ADI的显性—反思性科学本质教学，为新时代深化学生对科学本质的认识提供了灵活多样的教学方法，这既是对“探究式教学”的进一步拓展创新，也是对如何提高学生科学素质，使之成为独立决策者的有效尝试，还是对物理学科核心素养培养路径的有效探索.

当前，物理教学不仅应注重对科学知识的学习，还应注重让学生在建构科学知识的过程中知晓蕴藏于其背后的科学思想和科学精神，形成放眼未来的科学本质观，使学生形成新时代个人发展和社会进步所需的必备品格和关键能力.作为课堂教学的主导者，教师要利用师生和生生之间的双相互动，以科学探究和科学论证为教学载体，建立课堂教学、科学本质和物理学科核心素养3者之间的内在联系，通过明示提问和反思讨论让学生与科学知识擦出持续火花，落实学科核心素养的培养，从而体现出物理学科独特的育人价值.