促进科学本质理解的教学路径研究

摘 要：本轮新课程改革已将科学本质纳入高中物理学科核心素养体系，标志着我国对科学本质的认识已从理论层面上升到实践层面。如何将科学本质融入物理教学之中，是高中物理教师亟待探索的主题。从“轻重物体谁下落得快”这一古老话题入手，将科学知识回归于历史长河，显化教学内容的科学本质内涵，分析传统教学的不足之处，采用针对性的教学策略，让学生经历不断更新、不断完善的建构过程，探索促进学生科学本质理解的教学路径。

关键词：科学本质；课程改革；自由落体运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0010-3

《普通高中物理课程标准（２０１７年版）》提出以核心素养为课程理念和目标，将科学本质作为“科学态度与责任”维度的第一要素，指出要引导学生认识科学的本质［１］。科学本质作为科学教育的重要目标，受到越来越多的关注。然而，目前高中物理教师自身的科学本质观水平普遍不高，在科学本质教学中缺乏行之有效的策略。本文以人教版（２０１９版）高中物理必修一第二章第４节“自由落体运动”为例，从科学本质视角审视教学内容，综合运用多元教学策略，以期为科学本质教学的开展提供参考。

１ 科学本质与科学本质教学

随着科学的发展，人们对科学本质的认识不断深化。目前，有关科学本质的内涵仍有争议，但学者在基础教育领域对科学本质的认识基本达成共识，广受认可的有莱德曼提出的科学本质八个方面：科学知识的实证性、科学知识的主观性、区分观察和推理、理论与定律具有区别、科学方法的多样性、科学知识的创造性、科学知识的暂时性、科学受社会和文化的影响［２］。长期以来，众多学者一直主张将科学本质融入物理教学之中。国际研究表明，科学本质观具有内隐性、深层性等特点。国内黄晓等教授认为，促进科学本质理解的教学需要教师有意识地以科学本质观作为教学目标，将其作为一种“认知”方面的教学结果融入到教学过程中［３］。

２ 科学本质视角下的“自由落体运动”教学过程

“自由落体运动”是高中物理的经典内容，许多教师从不同角度对本课进行了大量探索。下面从科学本质视角重新审视教学内容，依据莱德曼提出的科学本质八个方面，以“自由落体运动”的教学过程为载体，显化各教学内容的科学本质内涵，分析传统教学的不足之处，采用针对性的教学策略，促进学生对科学本质的理解。

２．１ 科学源于问题

２．１．１ 教学内容：亚里士多德的观点

科学的萌芽由来已久，最早可以追溯到古希腊时期。亚里士多德最早研究落体运动，他认为人类知识的来源主要来自于经验，基于科学观察得出观点：“体积相等的两个物体，较重的下落得较快”。

２．１．２ 传统教学的不足

从科学本质视角审视教学内容，亚里士多德的观点是以反面结论的形式简单呈现在教材之中，加之后面学习牛顿运动定律时亚里士多德“物体的运动需要力来维持”的错误观点，学生容易将亚里士多德视为反面典型，不利于形成正确的科学本质观。

２．１．３ 教学策略：以物理学史为线索

以物理学史为线索，将亚里士多德的观点回归历史长河。诚然，亚里士多德的理论存在错误，并被后世伟大的科学家们进行了修正。但是，他是在经过了大量的观察、细致的总结、严谨的思考后，提出了在他那个时代最能解释人们日常生活中观察到的现象的理论。引导学生结合当时的历史背景正确评价亚里士多德的贡献，正是学生理解科学知识具有主观性、科学受社会和文化的影响等科学本质内涵的大好时机。通过该课教学，应该让学生认识到：科学始于问题，亚里士多德最早开始对落体运动开展研究；尽管亚里士多德的观点是错误的，但他开创了通过观察认识自然的科学方法；亚里士多德是古希腊最重要的哲学家之一，也是物理学的创始人之一。

２．２ 科学倚重思维

２．２．１ 教学内容：伽利略的质疑和研究

１６世纪末，伽利略对亚里士多德的观点提出质疑，他从逻辑的角度驳斥了亚里士多德的观点，认为“轻、重物体下落一样快”。伽利略大胆猜想，通过实验、数学推演、冲淡重力、合理外推、完美修正，进一步探明了自由落体运动的规律。

２．２．２ 传统教学的不足

从科学本质视角审视教学内容，教材叙述了伽利略通过逻辑推理的质疑过程，让学生充分感受了逻辑的力量，使学生能更好地理解“区分观察和推理”科学本质。可惜的是，“伽利略对自由落体的研究”内容在教材中通过“科学漫步”形式呈现，由于老师们更注重教材中正文内容的教学，寄希望通过学生自主学习领悟其中蕴含的科学本质显然比较困难。

２．２．３ 教学策略：以思维活动为中心

以思维活动为中心，重演知识的发生过程。还原伽利略的研究过程（图１），展现其科学方法及巧妙的实验设计，寻找证据支撑理论的观点，解释证据的有效性、局限性。通过该课教学，应该让学生明白：伽利略不仅得到了自由落体运动的规律，还开辟了一种新的科学方法——假说演绎法，理解科学方法的多样性；体会伽利略的创新、灵感和想象，理解科学知识的创造性。

２．３ 科学贵在探究

２．３．１ 教学内容：自由落体实验

虽然伽利略意识到了空气阻力对落体运动的影响，但由于实验手段的限制，直到发明了抽气机，才由“钱羽管实验”进行了验证。１９７１年，大卫·斯哥特在月球上做了著名实验，他一手拿鹰羽，一手拿铝合金，同时放手，鹰羽与铝合金同时落地，演示了伽利略的猜想。

２．３．２ 传统教学的不足

从科学本质视角审视教学内容，教材中将“钱羽管实验”作为演示实验呈现，体现了科学知识的实证性。遗憾的是，该实验隐蔽性强，操作困难且成功率不高。虽然韩伯林等老师就实验进行了改进［４］，但视觉效果依然欠佳。播放的“月球落体实验”视频由于当时技术限制画质模糊，同样无法取得满意的教学效果。

２．３．３ 教学策略：以实验变式为手段

以实验变式为手段，拓展实验的探索性。建构主义认为，科学的本质即科学探究。尽可能为学生提供一种探究的情境，引导他们通过不同的角度和方法去认识物理，有助于学生正确领悟科学的真谛，提升他们的科学素养。

实验探究：碟片与纸片谁下落得快？

提供器材：碟片、纸片等材料。

实验：首先，学生把碟片和纸片并排放置，碟片自然比纸片下落得快（图2甲）。

变式１：接着，把碟片压在纸片上方但不粘牢，碟片和纸片下落得一样快（图2乙）。

变式２：然后，将碟片放在纸片下方再次进行实验，结果居然还是下落得一样快（图2丙） 。

变式３：最后，把纸片揉成一团，纸团竟然比碟片下落还快（图2丁）。

结论：找到造成“重的物体比轻的下落快”假象的真凶——空气阻力。

问题：如果没有空气阻力谁下落得快？

２．４ 科学有待发展

２．４．１ 教学内容：现代版“比萨斜塔”实验

教材中关于“自由落体运动”的内容以ＳＴＳＥ“从伽利略的一生看科学与社会”作为结尾，然而人类的研究却从未停止。１９９９年，诺贝尔物理学奖获得者朱棣文领导的科研小组，通过坠落原子精确测算出单个原子所受重力加速度，发现其与宏观物体所受重力加速度相同［５］。

２．４．２ 传统教学的不足

现代版“比萨斜塔”实验说明，随着新观察、新思考的深入和技术的进步，科学知识不断被补充或修正，体现了科学知识的暂时性。至此，“自由落体运动”的教学过程看似已近“圆满”。然而，从科学本质视角审视教学内容，上述教学过程仍有缺憾。现代科学本质观认为，科学知识不过是科学家为解决科学问题而提出的尝试性、探索性的理论假设，通过归纳和证实方式获得的科学知识是不可靠的，是可错的［６］。

２．４．３ 教学策略：以教学留白为艺术

以教学留白为艺术，巧妙运用“空白效应”。给学生留好“接口”，为后续学习埋下伏笔；给学生开好“窗口”，帮助他们拓宽视野。通过介绍费希巴赫科研小组的研究成果，让学生意识到：科学的过程是证伪的过程，是在寻找错误的过程中，不断逼近真理的过程，科学永远面临挑战。只有让学生真正理解了这一点，才能帮助学生树立正确的科学本质观。

新的挑战：费希巴赫科研小组的研究。

费希巴赫科研小组通过实验发现，实际上不同物体在真空中的加速度并不相同。推测其原因，可能是在物体下落时受到了一种尚不为人知的力所致，许多科学家在进行各种实验时也找到了相应的证据。科学家们认为，可能很快将掀起一个以现代先进技术重新证明伽利略论断和牛顿定律的高潮。

３ 教学启示

回顾整个教学过程，并没能将“理论与定律具有区别”科学本质融入教学之中，科学本质观的形成是一个漫长的过程，不能期望在一节课中涵盖全部科学本质内涵并加以体现；梳理每个教学环节，只是着重选取科学本质部分方面进行凸显，科学本质的内涵实际上并不是孤立的，而是相互交融的，教师要有意识地挖掘，并将科学本质作为教学目标；分析所用教学策略，正如科学没有唯一方法，体现科学本质的教学同样没有固定策略，教师要不断丰富教学方法并能灵活运用。希望通过本文的实践研究，引发更多教师的关注，共同探索科学本质教学路径。

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）［S］．北京：人民教育出版社，２０１８：１－５.

［２］杨杰，郭玉英．高中物理课程标准中的科学本质教育研究［Ｊ］．课程·教材·教法，２０１９，３９（７）：１１３－１１９.

［３］黄晓．促进科学本质理解的多元教学路径——科学本质教学的国际视角与启示［Ｊ］．教育科学研究，２０２３（９）：５２－５９．

［４］韩柏林．钱毛管实验的改进方案［Ｊ］．物理教师，２００８，29（６）：２３－２４．

［５］朱棣文完成现代版“比萨斜塔实验”［Ｊ］．物理通报，２０００（２）：１５．

［６］袁维新．科学本质理论：基本观点与范畴［Ｊ］．科学学研究，２０１０，２８（６）：８０９－８１５．

（栏目编辑 赵保钢）