基于科学史的初中物理复演教学探讨

摘 要：基于科学史提出初中物理复演教学，本文结合初中物理仪器“温度计”的创生历程，还原历史情境，开展复演教学实验探究，挖掘历史与现实的认知冲突，以培养学生的科学核心素养.

关键词：科学史;复演教学;核心素养;亚研究;类创造

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0051-03

作者简介：梁莉红（1974-），女，江西萍乡人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学.

1 基于科学史的意义

科学的基础是从直觉到理性的变化，是通过思考、观察和实验获得.“复演教学”即在核心素养导向下追溯科学发展的起源，基于科学创生事件的历程中所产生的问题进行知识探究，关注问题形成与发展过程的关键性环节来培养学生的核心素养.让学生感悟在科学发展史中，科学家在不断摸索过程中所获得的知识并不一定就是正确的，在物理科学发展历程中，不仅要弄清楚知识内容，更要弄明白知识形式和知识旨趣，即如何形成这样的知识，为什么要有这样的知识，研究过程中出现了怎样的问题，要明白知识创生历程所嵌入的“方法、思想与思维”.例如千百年来所探寻的“永动机”因本身有理论缺陷而无法制造出来，但我们发现对永动机的探索历程充满着科学的智慧和天才的设计，永动机理论是科学史上一朵难得的奇葩，它催生出来的两大热力学定律——热力学第一定律（或称能量守恒定律）、热力学第二定律（或称熵增加原理），都是依靠相应类型永动机“无法制成”这一“证伪”的工作而获得的.

2 基于科学史的复演教学

核心素养导向的复演教学浸染着基于客观的证据、理性的怀疑、多元的思考、平权的论争和实践的检验[1].要求课堂从知识传递转向知识建构，用生活化、碎片化、网络化、个性化替代原有固定化的教学方式，打破课堂边界，优化学生思维.由“教会、会学”转向“想学、享学”， 站在学科知识所蕴涵“育人”的至高点上，关注过程性学习目标的落实.

2.1 从科学史入手，发掘蕴涵的科学态度

在现代科学情境下复演仪器的发明历程，可引领学生极其审慎地感悟科学家的思维方式、科学方法，理解科学发端于对日常经验的整理和总结，继承漫长的科学活动中形成的被人格化的精神气质和人格力量.科学学者在探究活动中延续下来的实践精神、探索创新精神、批判的继承精神，对学生后期开展“亚研究”“类创造”活动有丰富的启示作用.

温度计是课程标准“物质的形态和变化”二级主题下内容，鼓励学生积极大胆地开展科学探究，养成习惯对所做的工作进行评估，从而培养科学态度[2].温度计具有直观、可操作、易改进的特点，大多数学生对温度计有生活体验，但对温度计的发明历程存在认知障碍.笔者曾将历史上出现的第一支体温计图片发给学生进行调查，几乎没有学生知道它曾用于测量体温.温度计的诞生从古希腊时期开始，感温物质经历了由气体到液体的转变;温度标准和选择经历了由随意性到精准确定;温度计的外形由松散粗陋转变为紧凑精美.温度计发明历史经历了曲折性和创新性，其发明过程中的知识、规律、典型事例、科学思维是一笔巨大的财富.

2.2 以科学史为主线，架构复演的教学框架

当前，核心素养导向下的物理学习要求学生学会物理学家在科学发现过程中所使用的创造性思维方法：如科学想象、科学直觉、试探猜想、理想实验等，开发以科学知识起源顺序为主线的复演教学是对现行物理教材的有效补充.

温度计复演以时间轴为主线架构出大体教学框架，复原发明家和科学家所做过的创造性工作过程.复演教学不仅建立在学生已有知识的基础上，更重要的是建立在知识所赖以产生的科学历史基础上，在模拟的历史场景中，让学生体验科学家曾经的思维过程，将前人创造的技术和知识重新模拟发明或发现一次.

讲述知识创生故事是复演教学重要方略，图1对比中国古代与西方国家温度计发展历史的异同[3]，温度计复演教学校本课程以此为开发框架.

2.3 以科学史为依据，开展证伪的实验探究

发明温度计的曲折历程中，科学家采用了批判性继承的思维方式，创新发展的关键性环节主要为以下几个方面：

（1）认识空气的热胀冷缩;

（2）测温物质的选择;

（3）摆脱外界大气压的影响;

（4）温度标准的确定与选择;

（5）温度计的构造.

学习过程中，可以某一关键性环节为主线，以历史上的温度计为素材，复演历史情境，还原历史实验探究活动，分析论证出现的问题，并提出改进性建议，探究活动可采用以下教学策略开展：

复演旧作—实验原理—分析论证—类创造.

例：复演历史情境——伽利略发明的气体温度计.

2.3.1 复演小制作——气体温度计

如图2所示，由一根带有细长弯管的玻璃球和一个盛水容器组成，加热玻璃球，使球内气压增大，排出球内部分气体后，玻璃管内吸入一段液体（如图3所示）.当气温上升时，球内气压增大，液面下降，反之，液面上升.

2.3.2 实验原理——空气的热胀冷缩

验证空气的热胀冷缩：如图4所示，将插入吸管的玻璃瓶密封后浸入溫水中，用热毛巾捂热玻璃瓶排出瓶内气体.接着换包有冰块的冷毛巾冷却玻璃瓶，直至瓶内水面不再上升为止.此时倒转瓶子（如图5所示），吸管内有部分水，将瓶子放入热水中，观察吸管里水位升高，因为瓶内空气遇热膨胀[4].

2.3.3 分析论证——气体温度计所存在的问题

引导学生讨论气体温度计的不足之处有：

（1）会受大气压的影响而改变温度显示，实际为温度气压计.

（2）温度升高，液柱下降;温度降低，液柱升高，不符合读数习惯.

（3）无刻度，只能定性显示冷热等.

2.3.4 类创造——假如我是伽利略

开展以科普小论文、科幻画、小制作（如图6所示）等形式还原或模拟发明伽利略时期、现代或未来可能出现的各类温度计，分析判断问题出现的原因，鼓励学生融入现代元素创新改进，实现现代文明到古代、未来发明的思维穿越[5].

2.4 用科学史事例，产生冲突的复演教学

教学中可利用学生的认知冲突，甚至制造认知冲突，从而使其主动求知，打破旧有认知误区与不足，利用学生形成新的观念，优化物理思维[6].

认知冲突1：历史上伽利略制作的温度计，是根据液体的热胀冷缩原理制成的.

学生在初中学過的温度计和生活中常见的温度计都是根据液体的热胀冷缩原理制作而成，容易形成只有液体才能作为测温物质的思维定势，通过复演制作伽利略气体温度计模型，学生观察到温度变化对气体体积的影响而改变温度示数.引领学生摆脱只有液体可做测温物质的束缚，继而思考有更多范畴的物质可作为测温物质.

认知冲突2：“天气瓶”可预测天气.

“天气瓶”是海军上将罗伯特·菲茨罗伊在1834-1836年间陪同查尔斯·达尔文探险时发明的，用蒸馏水、乙醇、硝酸钾、氯化铵和樟脑按比例混合而成.发明时认为可根据瓶内展现出结晶的不同型态，预报天气的变化.

指导学生制作“天气瓶”并观察探究发现，瓶内结晶的变化，主要是樟脑在乙醇内的溶解度随着温度变化，与天气的对应关系成随机分布，无预测价值.“天气瓶”是温度计发明史中衍生出来的产物，它晶体型态万千的美丽变化只可作为装饰品.

核心素养导向下的初中物理复演教学的实践研究是立德树人落地物理课堂的有效途径，指向物理学科知识所蕴涵的“育人”的至高点，能有效培养学生科学素养[7].

参考文献：

[1]李润州.知识三重观视域的核心素养[J].教育发展研究，2016（24）：37-44.

[2]廖伯琴，张大昌.义务教育物理课程标准（2011版）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2012.

[3]朱敏.温度计及温标的发展历程[J].中学物理教学参考，2009（03）：31-33.

[4][英]费利西娅·劳 格里·贝利等.给儿童的物理科学书[M].北京：电子工业出版社，2016.

[5]鄢超云.朴素物理理论与儿童科学教育（学前教育新视野丛书）[M].南京：江苏教育出版社，2007.

[6]刘通，罗茜.探析中国物理学史料在初中物理教学中的应用[J].中学物理，2020，38（08）：61-64.

[7]许花.实验室里的故事——研究性学习方式在物理教学中的应用[J].中学物理，2019，37（03）：15-18.

（收稿日期：2020-12-03）