科学本质视域下的大单元教学探讨——以高中“光现象及其应用”为例

田春凤

包头师范学院物理科学与技术学院，内蒙古 包头 040130

物理学科核心素养是立德树人教育根本任务在物理课程中的集中体现，应在课程设计和实施中充分落实物理学科核心素养的培养，体现物理课程的育人功能。很多研究者指出碎片化的课时教学不利于学生学科核心素养的培养，应重视单元教学的研究，特别是基于大概念、大思路、大情境和大问题的单元教学。

伴随着物理学科核心素养的提出，科学本质也以显性的方式进入了高中物理课程与教学之中。从某种意义来讲，物理教育的根本目标就在于提升学生的科学本质认识，树立正确的科学观，从而形成良好的科学态度与社会责任感，落实立德树人的根本任务。当前科学本质教育已取得了相当丰富的研究成果，大多从科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质三个维度阐释科学本质的含义，并提出了包括科学史和科学探究等很多切实可行的教学策略。

立足当代科学本质观，以三个维度为切入点，从知识的结构、知识的建立途径、知识的应用等几个方面对单元内容进行深入分析，把握内容间的内在逻辑关系，找到便于单元整合的关键线索，以此整合教学内容，整体设计单元教学思路，开发学生互动活动，实现物理学科核心素养的课程目标。以高中物理选择性必修一“光现象及其应用”为例，从科学本质教育视角对单元教学进行探讨，以期对物理单元教学及核心素养目标的落实提供有益的借鉴。

1 立足知识结构，促进物理观念的达成

1.1 教学内容分析

科学首先就是科学的世界观，当代科学本质观认为，科学是人们对自然界的描述和解释，在寻求解释的过程中，必须以观察和实验为基础，并依赖于经验事实的检验，但是科学知识并非外在物质世界的拷贝，它包含着人类丰富的想象力和创造力，是建构出来的；科学知识具有稳定性和持久性，但未来也可能改变，并不断发展和进步［1］。

光学既是一门古老的基础科学，又是最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景。回顾光学发展史发现，人们一方面通过对光现象的观察和实验，发现了大量的光学定律，获得了关于光现象的客观、深入的描述；另一方面，为了解释光学现象，开始了对光本性问题的思考，并逐步形成了光的微粒说与波动说，最终确立了光的波粒二象性的认识。因此，光现象的研究和定律的发现与光本性的认识发展相互作用，以科学论争的方式贯穿于光学发展的始终，并将所有光学知识建构成一个有机的整体，很好地体现了上述的科学本质特征。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《标准》）在“光现象及其应用”中主要围绕光的折射定律、光的全反射、光的干涉、光的衍射、光的偏振和激光等提出要求。可见，高中物理是以光现象及其规律作为单元的重点，构成了单元知识的明线。《标准》还在光的偏振中提出“知道光是横波”的要求，并在教学提示中进一步明确要求：“通过光的干涉、衍射等现象来论证光具有波动性，增强学生的证据意识，提升科学论证能力……了解波动的特征，为深入学习和研究电磁波打好基础。”［2］此外，在学业要求中也指出：“知道光的干涉、衍射和偏振现象及其应用，认识光的波动性，知道光是横波。”因此，光本性的认识是本单元的重要内容，构成了单元知识的暗线。

1.2 光单元的知识结构

基于以上分析，本单元的知识结构如图1所示，明暗两线相互融合、相互促进。一方面，在初中几何光学基础上进一步拓展对光现象的认识，学习并认识光的折射定律和全反射现象；另一方面，以机械波知识为基础，通过光的干涉和衍射现象认识光的波动性，再通过偏振现象知道光是横波，从而建立起光的波动学基本观念；而激光的安排，为后续拓展对光波动性的认识做好了铺垫。光单元的知识结构充分体现了人类描述和解释自然的各种尝试，体现了科学知识的若干本质特征，如建构性、实证性、暂定性、解释与预测功能等。

图1 光单元的知识结构图

1.3 问题串贯穿，促进深度学习

充分考虑物理学科的特点和学生的认知规律，以学生已有知识为基础，将光本性的论证作为单元教学的主线，变暗为明，以光现象的认识为辅助，精心设计问题串，引导学生基于证据展开论证。不仅可以帮助他们认识光的折射、全反射、干涉、衍射和偏振等现象，提升他们的观察能力、探究能力和分析概括能力，而且可以发展他们对光本性的认识，认识光的波动性，知道光是横波，提升他们的科学论证能力和逻辑思维能力。以此为基础，最终实现他们关于运动和相互作用观念、科学本质认识和物理学科核心素养的全面提升。具体设计如图2所示。

图2 光单元的问题设计

2 丰富知识建立途径，促进能力提升

2.1 知识建立途径分析

科学探究是科学家描述和解释自然的一种基本方式，它源于人类的好奇心和探索欲，具有建构性、创造性和主观性的特点，问题、证据、解释、交流与评估构成了科学探究的全过程，但并不存在标准的或固定的研究步骤或程序。科学家工作的重要方面就是不断地提出问题和寻求答案，之后引发新的问题［3］。

基于前面对光单元知识结构的分析，不难发现，从几何光学到波动光学的发展很好地体现了科学探究的上述特点：从初中已有知识出发，不断提出问题、解决问题，又发现和提出新的问题，最终形成对高中光学知识的意义建构。在这一过程中，人们运用了多种研究方法，既包括对现象的观察和实验，也包括对规律的探究，还包括基于证据的论证。此外，光学知识的建立过程中不仅包括着证据和逻辑，而且也蕴含着主观性和创造性。

《标准》和教材非常重视观察、实验和探究。《标准》明确提出，通过实验认识光的折射定律和激光，通过观察认识光的干涉、衍射和偏振现象。教材也大多设计观察、实验和探究活动来形成光现象的认识和建立光学定律。此外，《标准》和教材都非常重视科学论证活动，例如，教材在波动光学部分的编排往往是按照问题提出—呈现证据—基于证据进行解释，从而引导学生逐步深化对光的波动性的认识，提升他们的科学论证能力。

2.2 过程与方法结构

基于科学探究本质的认识，以及对光单元知识建立途径的分析，依据物理学的学科逻辑及学生的认知特点，光单元知识的建立，就是基于证据进行解释的不断尝试的过程，开展论证式教学有利于实现理论与实验的相互促进。因此，应以光本性的论证为主线，将学生对光现象的探究与对光本性的论证有机结合（图3），二者相辅相成，丰富知识建立的途径，不断推进学生对光现象与光本性的认识，不断提升学生的科学探究能力、科学论证能力。

图3 光单元过程与方法结构

2.3 多样化的教学，全面提升能力

以论证为主线创设情境，以观察和实验作为证据支撑，不断深化对光现象及其本性的认识，从而完成光学知识的建构。在教学中，应注重开发和设计多样化的教学方式，体现不同的知识建立途径及研究中的主观性和创造性，更好地帮助学生建构知识，提升能力，拓展对科学本质的认识。

首先，基于知识间的内在逻辑提出问题，借助观察和实验，引导探究逐步深入（图2）。例如，光的全反射教学中，引导学生观察光由光密介质进入光疏介质时，随着入射角不断增大，反射光线和折射光线的变化，发现并提出新的问题，从而提高学生的观察能力和发现与提出问题的能力；而问题的解决，则可以让学生通过实验探究与理论探究两种途径发现并理解全反射的条件。又如，在学生学完光的干涉后，可以提出问题：波能绕过障碍物发生衍射，既然光是波，那为什么在日常生活中我们观察不到光的衍射呢？ 从而体现学生对光波动性的进一步确认，进而引导学生思考不容易观察到光的衍射现象的原因，并猜想其产生的条件，最后通过实验演示认识光的衍射现象。

其次，丰富探究的教学模式，适当开展融合历史的探究、体现论证的探究等多种形式。例如，对于光的折射定律的教学，在已有的光的折射现象的基础上，引导学生深入探究折射角与入射角的定量关系，但由于规律隐秘，学生很难猜想出或者根据数据发现两角度之间的定量关系，此时可以介绍历史上托勒密、开普勒、笛卡尔、斯涅耳等人的研究过程，将历史探究与学生探究结合进行，体现研究方法的多样性。又如，对于光的干涉教学，可以创设历史情境，提出光是粒子还是波的问题；进而猜想光是一种波，并提出如何观察光的干涉现象的核心问题；引导学生在已有的机械波基础上，自主进行实验设计，在遇到困难时给出托马斯·杨的双缝干涉实验，才能让学生更好地体会该实验的巧妙之处，感悟物理学实验之美和科学研究的创造性；最后，演示光的双缝干涉实验，获得光的干涉图样，并进一步分析光的干涉的产生条件及其特征。

3 践行STEM理念，项目化设计知识的应用

3.1 知识应用分析

科学是社会及文化传统的一部分，科学既是科学家的一项事业，也是全社会的一项事业，与人类社会的发展密切相关，科学与社会的作用是相互的，科学利用技术造福社会，但盲目或不当运用科学也会产生不良后果，科学与技术存在差异，二者具有相互作用。因此，认识科学、技术、社会、环境的相互关系是科学事业本质的重要方面，知识的应用教学是认识这一复杂关系的重要途径和方式。

光现象与人的生活息息相关，在实际生产生活中有着广泛的应用。课程标准对光现象的应用提出了明确的要求，具体包括：会测量材料的折射率；初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用；知道其（光的干涉、衍射和偏振）在生产生活中的应用。会用双缝干涉实验测量光的波长；能举例说明激光技术在生产生活中的应用。可见，光的应用范围广，类型丰富，能很好地体现科学与技术、科学与社会、科学与工程的联系，使学生了解物理知识在生产生活中的应用，体会物理学的价值，从而更好地认识科学事业的诸多本质特点。

3.2 项目驱动，形成科学态度与责任

知识应用的教学（或称问题解决教学）不仅可以深化学生对物理知识的理解，提升物理观念，而且可以提高他们分析和解决问题的能力，锻炼科学思维，促进良好的科学态度和社会责任感的养成，从而全面提升他们的学科核心素养。为了实现上述目标，光现象的应用教学不能一味地叙述式介绍与讲解，而应以问题解决教学、STS教育或STEM教育等理论为指导整体设计单元知识应用，开发能促进学生深度思维的学习活动。据此，可设计如表1所示的STEM项目。

表1 光现象及应用的项目化设计

4 总结与反思

单元教学的核心素养教育价值备受物理教育研究者和一线教师的重视，但物理单元教学的现状却不容乐观，存在着很多问题与不足。针对“光现象及其应用”单元，站在科学观的高度，以科学本质的三个维度为切入点，从知识的结构、知识的建立途径和知识的应用等几个方面进行全方位分析，挖掘其物理学科核心素养的教育价值，进而考虑物理学科特点与学生的知识与经验基础，以HPS教育、STS教育和STEM教育等理论为指导，从光本性的认识、光学规律的探究、光现象的应用，即知识线、探究线和应用线三条线索设计单元教学思路，开发和设计促进学生深度学习的互动活动，落实学科核心素养的目标。

综上所述，以当代科学本质观为指导，结合单元内容特点，从多维度、全方位进行分析，确定单元教学目标，设计贯穿整个单元的线索，开发有意义的学习活动，将物理现象的探究、物理观念的建构有机融合，更好地实现单元教学的核心素养教育价值。