基于突出科学本质的教学设计研究——以“牛顿第三定律”为例

李 坤 詹伟琴

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

现行初中教材只呈现“力的相互作用”的概念，直到高中“牛顿第三定律”才有“大小相等，方向相反，作用在同一直线上”的结论，但吊诡的是从初中“压强”到高中“摩擦力”等章节，教材都是直接运用“相互作用力大小相等”概念，例如，人教版高中“摩擦力”一节中，便多处用到“压力等于重力或等于重力的分力”，并作出“下节会学到这一知识”的旁批.笔者观摩大量“一师一课”实录视频后还发现，几乎所有教师在此处都强调“压力等于支持力，支持力等于重力或者等于重力的分力”而不作任何解释，默认学生从初中开始就背会了这条结论并会运用牛顿第三定律，然而，2019年教育部发布的《义务教育阶段物理学科超标超前培训负面清单》中，牛顿第三定律却赫然在列，问题出在哪呢？

牛顿第三定律在经典力学范围内具有高度的普适性，即无论物体处于何种运动状态，都可被验证.但初中生没有学过矢量和加速运动等概念，仅从平衡状态显然不能全面论证牛顿第三定律，超前学习将导致科学实证性的严重缺失，学生会误认为无须充足证据也能获得可靠结论.很显然，面对既定教材，很多教师会将教学设计退化成孤立的知识取向，而忽视在知识冰山下隐藏的巨大的价值取向——科学本质.目前，由于科学本质的特殊性，使得教师进行教学设计时很难对其兼顾，从而导致了只讲授知识，却忽略传授科学本质价值的现象，因此，本文将以牛顿第三定律为例，展开突出科学本质的教学设计的研究.

1 突出科学本质的教学设计的建构

皮亚杰认为认识活动是主客体间双向建构的过程，建构主义的教学便是要将客体的知识结构先转化为课程或教学结构，再转化为主体理解的认知结构.［1］本研究中，学习的主体是高中生，客体是知识内容和科学本质；然而，科学本质作为一种内隐性知识，就要求学生在学习物理知识和物理模型的过程中不能仅仅停留在科学本质的表层，而必须对其深层内涵进行把握.［2］教学设计是教师为达成教学目标对教学活动所做的计划性过程，是连接客观知识和学生主观理解的桥梁，如图1所示，突出科学本质的教学设计便是从“客体—中介—主体”各个部分的逻辑讨论中建构出来的.

图1 突出科学本质的教学设计建构逻辑

1.1 科学本质内涵和知识体系结构

客体1.科学本质的内涵——多维性与动态性.

科学本质指对科学的本体论认识，它取决于认识主体看待科学的哲学倾向，［3］从历史发展上看主要有3种哲学倾向，即以绝对化为主要特征的实证主义、相对化为主要特征的证伪主义以及折中化特征的历史主义或科学研究纲领.［4］如表1，里德曼教授总结的科学本质内涵的维度已得到学界的广泛应用.［5］从整体上看这一框架所包含的8个维度内容都秉持折中化特征的哲学倾向；以“科学知识的实证性”为例，其具体描述为“科学至少有一部分来源于对自然界的观察结果，对于大多数自然现象，科学家都无法直接得到，需要借助工具进行观察，并通过精细的理论框架进行解释”.不难发现，里德曼既强调体现绝对性的“科学源于观察和实验”，也强调体现相对性的限定词“一部分”；然而折中化的哲学认识并非一蹴而就，而是伴随学生年龄及认知水平在不断动态发展过程中逐渐获得的，因此，突出科学本质的教学设计更要着重体现其结构内涵中多维性和动态性的特点.

表1 科学本质的内涵维度

客体2.牛顿第三定律的知识结构——整体性和顺序性.

以牛顿第三定律为例，在现行教材知识体系中，相互作用力是“定律”的前置概念，而动量守恒定律则是由“定律”推导而出，可视为“定律”的延续；受力分析（Free-body）指将研究对象孤立出来分析其受力情况的方法，是“定律”应用过程中逐渐凝练出的程序性知识，即高中生学习物理时必须掌握的智慧技能.［6］如图2所示，可见牛顿第三定律不是孤立的知识点，而是一个小的整体结构.这种知识结构的整体性和顺序性恰恰对应了科学本质结构的多维性和动态性，为教学设计提供必需的物理模型.

图2 牛顿第三定律知识结构

1.2 学生理解科学本质的方式

突出科学本质的教学设计的目标是让学生能更进一步正确理解科学本质及其内涵，反过来看，学生已有的科学本质观也同样制约着教学设计.例如，我们不能在牛顿第三定律教学之初就想着让学生领会“理论和定律的区别”，因为学生还没有经典力学理论的前概念；同样，我们也不能直接显化“科学的暂态性”，因为学生更需要的是先巩固认识中绝对性的那部分，而相对性的那部分可通过隐性渗透的方式传达给学生，学生理解科学本质具有显性和隐性并存的特点.随着学习进度的深入，特别是当学生学习完相对论之后，科学本质中相对性和绝对性这两部分则需要被更多地同时显化.

1.3 突出科学本质的教学设计要求

基于以上讨论可以发现，注重科学本质的教学设计应当具备如下四点要求：［7］① 由于科学本质内涵的多维性与动态性、知识结构的整体性和顺序性，内容分析（Content Analysis）时应当总览知识结构全局，并挖掘其物理模型背后具体科学本质的内涵要素；②由于学生理解科学本质的方式有显性和隐性之分，学情分析（Student Analysis）时应当认识到高中生在学习相对论之前应当更多地显化知识的绝对性、渗透知识的相对性，而学习完相对论后则可以更多地同时显化绝对性和相对性；③ 由于科学本质是多维的、动态的和内隐的，即它是属于不良结构领域知识的，因此依据认知弹性理论适合采用随机进入法的教学策略（Instruction Strategy）；［8］④ 由于对科学本质的注重不能喧宾夺主影响正常教学，教学过程（Instruction Process）应当秉持尽量在已有物理概念、规律和实验中突出科学本质的原则.总之，教学设计的各项环节都应侧重聚焦科学本质，从而达成突出科学本质的教学目标.

2 突出科学本质的牛顿第三定律教学设计方案

根据随机进入教学法，选取高中“摩擦力”“牛顿第三定律”“受力分析”和“动量守恒定律”内容进行注重科学本质的教学设计.

方案1：“摩擦力”中的教学设计.

将现有人教版“牛顿第三定律”一节“用弹簧测力计探究作用力和反作用力的关系”实验，如图3所示，前置于“摩擦力”一节进行探究，得出“物体静止状态下，相互作用力大小相等”的结论.这样安排既能解决本文开头所述的逻辑悖论，又能为后续“定律”的学习搭建脚手架.在实验探究过程中通过师生共同对实验结论（尤其是“物体静止状态”这一条件）的解释讨论，可直接显化科学本质中的“科学的实证性”，然后，还可以通过引导性问题“如果物体是运动的，这个结论又是否成立呢？”来渗透“科学的暂定性”.

图3 用弹簧测力计探究作用力和反作用力的关系

方案2：“牛顿第三定律”中的教学设计.

在现有粤教版“用力传感器探究作用力和反作用力的关系”这一实验中，如图4所示，可体现如下几点科学本质的内涵.

图4 用力传感器探究作用力与反作用力的关系

① 通过“猜想与推理”引导学生从已学过的“物体静止状态下，相互作用力大小相等”来外推出“任意状态下，相互作用力大小相等”的结论，在此直接显化观察与推理的区别.

② 通过“实验与探究”得出“任意状态下，相互作用力大小相等，方向相反”的结论，进一步显化“科学的实证性”.

③ 通过实验前后相互作用力的结论对比，隐性渗透新证据导致科学认识的改变，即“科学的暂定性”.

方案3：“受力分析”中的教学设计.

受力分析被广泛用于各种力学、电磁学等物理模型的教学和习题解决，但它更多是被教师当作分析、推理和演绎的工具，而大量的隐藏其中的科学本质价值还未曾被挖掘.以天体运动模型为例，教材是通过受力分析运用牛顿第三定律确定万有引力公式中存在F引∝Mm的关系.首先，此处教师完全可以渗透“站在牛顿运动定律的视角去观察和分析天体问题”这一点，即“理论的负载性”；其次，通过理论推导得出的平方反比关系需要地月检验这一点又可直接显化“科学的实证性”；最后，通过万有引力定律在社会、技术和文化方面的广泛应用还能显化“社会文化嵌入性”.可见，在各个受力分析出现的地方，教师都只需在推理演绎时合理地讲授引导，便能达到侧重科学本质的目的.

方案4：“动量守恒定律”中的教学设计.

HPS策略是加强科学本质教育的重要途径，［9］近年来已被广泛应用于物理教学中.与教材中通过牛顿第三定律演绎生成动量守恒定律的逻辑不同，物理学史上，牛顿是在笛卡尔、惠更斯和马略特等人碰撞研究的基础上，由实验先验证动量守恒定律继而总结出牛顿第三定律的，［10］因此，笔者建议在验证动量守恒定律时，如常规“研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒”实验课中，同时采用自制教具进行分组探究，该教具制作原理源自牛顿《自然哲学的数学原理》中单摆碰撞实验；同时，可让学生阅读两条定律发现物理学史料的研究过程，使学生在古今实验的对比和史料中领悟科学本质的内涵.

如图5所示，牛顿所做单摆碰撞实验中，［11］创新性地用补偿法排除了空气干扰，推导出真空中单摆小球碰撞前后的初末速度，从而得出动量守恒定律.按照此原理可制作如图6的实验教具，为方便阅读，按如下关键步骤对《自然哲学的数学原理》中的实验进行翻译.

图5 《自然哲学的数学原理》中单摆碰撞实验图

图6 《自然哲学的数学原理》中单摆碰撞实验的复原教具

步骤1：拿开B球，将A球拉至任意点R下落一个周期后回到V点（可反复实验用笔尖靠近小球的方式确定此位置）；在RV上取得S、T两点使得RS∶ST＝3∶2，由此便巧妙地修正了空气阻力的影响，使得空气中小球从S下落到达最低点速度等价于真空中小球从T点下落到达最低点的速度.

步骤2：放置B球在最低处，球A自S点下落，碰撞后A球到达s点，B球到达k点.重复步骤1的方法修正可得，真空中A球实际在t点，B球在l点.

步骤3：数据分析：根据真空中小球下落过程机械能守恒，有

故只需将弦长数据代入关系

即可验证动量守恒定律

如表2所示，最终可在本实验和教学设计中突出体现7个科学本质内涵维度.

表2 “动量守恒定律”教学设计中的科学本质

3 总结与启示

基于教育学理论，本文总结出了突出科学本质的教学设计的若干要求，即教师应当总览知识结构全局，根据教学进度选择显化教学或隐性渗透的方法，在各个相关联的物理概念、规律和物理模型中统筹设计多个体现科学本质内涵的教学活动，并以牛顿第三定律及其相关知识为例，阐明应用这些要求的详细过程.同时，通过本研究还可以发现，科学本质观教学的过程就是合理选取现有教材内容、物理学史料、实验现象和生活常识等事实性素材，在常规知识教学的基础上，努力创设适于学生进行哲学性思考的物理情境，引导学生深度思考并逐渐习得相对稳定和全面的科学本质观，这种从事实性知识通向概念理解的理念与时下流行的大概念教学又不谋而合，这或为长周期（学期的、学年的、非单个课时的或单个单元的）下的大概念教学予以理论和实践的启示.