基于HPS理念的《昼夜交替现象》教学设计探析

◇张 驰 王思锦 谷玉兰（中国人民大学附属小学 北京市海淀区教师进修学校 中国人民大学附属小学）

HPS（History and Philosophy of Science）是科学史与科学哲学的英文缩写。迈克尔·马修斯认为将HPS融入当代科学教学，是指向科学本质的教学。科学不仅包含科学事实、科学定律、科学理论等科学产物，还应包含科学过程性的知识——在科学发展与科学主张检验过程中出现的社会性、技术性以及知识性的方法，科学教育应将历史与哲学融入其中。

但科学涵盖的领域并不单一，每个领域都有自己独特的方法论与认识论。地球科学哲学认为，地学的学习方法主要是模型建构，要经过实体观察、提出假说、构建模型、模型验证的学习过程。同时，小学科学学科核心素养关注科学思维的培养，其中的模型建构，既是科学思维的基本要点，也是研究地球与宇宙科学的核心方法。

《昼夜交替现象》是教科版《科学》六年级上册“地球的运动”单元第二课。本设计是以HPS的视角探讨科学本质的教学，使学生认识到隐藏于地球科学知识背后地学发展的历史、呈现的地学的研究方法以及蕴含的地学精神。

本课的教学目标如下。

科学观念：

1.知道昼夜交替现象有多种可能的解释。

2.了解昼夜交替现象与地球和太阳的相对圆周运动有关，认识到昼夜交替现象的产生主要是地球自转引起。

科学探究：

1.经历地球科学学习的过程，观察并搜集昼夜交替的科学现象，提出地球产生昼夜交替现象的多种假说；合理构建模型，在模拟实验中验证假说，在真实情况中寻找更多依据解释假说。

2.发现模拟实验的利弊，模拟现象需要在真实情况中进行验证。

科学态度：

尊重每种假说的提出与判断，感受昼夜交替现象对地球上生命的重要。

科学、技术、社会与环境：

了解人类对地球的运动的认识是不断发展的，爱护地球保护环境。

本课的教学资源如下。

演示材料：地球仪、灯泡、多媒体课件、地球和太阳充气模型。

分组材料：地球仪（北京处做标记）、灯泡、记录单。

教学资源（部分）

以下为本课的教学过程。

一、集中话题

（一）实体观察

昼夜交替现象视频，聚焦话题，引导学生思考两个问题：从视频中你看到了哪些自然现象？这种变化出现一次需要多长时间？

（二）解释课题

夜晚我们也可以称它为“夜”，白天我们也可以称它为“昼”，每天都有一个昼和一个夜，然后又会有一个昼和一个夜，它们交替出现，我们称这种现象为“昼夜交替”，出现一次昼夜交替的时间是24小时。

设计意图：通过录像结合自身体会，集中话题。通过谈话明确什么是“昼夜交替现象”。

二、探索与调查

（一）原型交流与讨论：昼、夜以及昼夜交替的自然现象特征

课前分发记录单，观察并记录昼、夜以及昼夜交替的特点，通过学生交流，梳理出常见自然现象。

随着学生说，在黑板上提取。

预设：1.太阳升起，天亮了；太阳落下，天暗了。2.昼夜的交替不是瞬间完成的，是慢慢进行的。3.在昼夜交替过程中，太阳和月亮也在交替出现。4.昼夜交替的总时间是不改变的，都是24小时。5.每天都会有昼夜交替。6.人们的生活伴随昼夜交替发生变化，动植物也是如此……

设计意图：从自然现象中提取科学问题，聚焦课题，做出昼夜交替产生的假说推测并交流。

（二）提出假说：昼夜交替是怎么形成的？

转化为两个具体问题：昼夜交替和什么有关？它们怎么运动能够实现昼夜交替？

预设：很多学生能够说出地球的自转与公转现象，因此相当一部分学生会认为这种看似“正确、权威”的观点就是昼夜交替现象产生的原因。阅读量大的学生已经知道是由于地球自转引起的，还会有学生认为和月亮有关系。

根据预设情况，在此可以做以下处理。

问题1：你是从哪里知道的这些信息？

问题2：这些观点你亲自验证过吗？如果只是今天想到而未验证过，那这只能算作一种假说。

问题3：月亮有什么特点？

排除干扰因素后，接着提问：还有没有其他假说能够解释昼夜交替现象？组织学生小组讨论，并记录假说，教师现场拍照并投影交流。

设计意图：通过几个追问，能够帮助学生初步把干扰因素排开，将话题聚焦在地球、太阳以及二者如何运动上。

（三）构建模型

1.出示实验材料，组织学生思考、交流以下问题：

（1）用什么模拟什么？

（2）怎么知道哪里是昼，哪里是夜？又怎么看出来昼夜交替？

预设：灯泡模拟太阳、用地球仪模拟地球、用乒乓球模拟月亮（如果依然有学生想验证月亮）。

提示：可以在地球仪上标示出北京、纽约两个地点，进行对比观察。

（3）怎样模拟实验，能更加逼真地还原昼夜交替现象？

提示：要缓慢地进行模拟实验；认真观察，思考实验方法是否与假说一致。

2.学生分组模拟实验

3.汇报交流

帮助学生梳理，能够产生昼夜交替现象的情况主要有以下几种：

（1）地球绕太阳自转；

（2）地球公转；

（3）地球自转又公转；

（4）地球不动，太阳绕地球自转；

（5）地球不动，太阳绕地球公转。

设计意图：通过讨论原型特征构建模型，让学生认识到，模拟实验应该尽量逼近真实的自然情况，从而在模拟实验过程中验证假说。

三、形成解释

（一）讨论几种产生昼夜交替现象的方法共性：地球与太阳产生了相对圆周运动。

科学史渗透：其实在人类认识地球的历史过程中，这些假说都曾经出现过，并在当时被认为是正确的。

（二）原型解释：对比原型与模型

随着学生交流，用形成的共识对照开始的假说，检验其是否成立，并在黑板上标示清楚。

预设：地球围绕太阳公转一圈出现一次昼夜，而公转一圈的时间是一年。与实际情况不符合。

地球自转一圈产生一次昼夜，自转一圈的时间为24小时。符合实际情况。

对于不好判断的假说，教师做出以下解释，比如：

地球绕太阳转与太阳绕地球转，只是参照系不同。（结合玩旋转木马时周围景物的运动方向解释。）

出示太阳与地球的充气模型，对比发现太阳与地球的质量与体积的差异，所以太阳围绕地球转不符合实际。

谈话：科学认识是不断发展并可以被推翻的。因此目前为止，我们可以认为昼夜交替现象产生的主要原因是地球自转。但是随着人类对宇宙认识的增多，可能会出现更多的证据，今天的认识也有可能被推翻。

（三）小结

谈话：梳理我们目前的发现，对于昼夜交替现象我们依次经历了“观察与搜集自然现象—提出假说—构建模型—模拟实验—与真实情况对比修正假说”这样的过程。面对浩瀚的宇宙，这样的研究方法会帮助我们收获更多。

设计意图：通过交流发现几种产生昼夜交替现象的假说的共性：地球与太阳做相对圆周运动，并渗透科学史；在与原型（真实情况）做对比的过程中，利用更多的证据推翻不合理的假说；通过梳理研究过程，渗透地球科学的学习方法，即实体观察—提出假说—构建模型—模型验证。

四、拓展与应用

思考并交流：如果昼夜交替不是这样有规律地出现，对地球上的生物有怎样的影响？

设计意图：感受到昼夜交替现象对生物的影响，感悟地球科学“天人合一”的思想。

学生记录单

板书设计

从以上教学过程可以发现，本设计主要具备以下特点。

首先，聚焦小学科学核心素养，基于HPS科学教育理念，探索科学本质的学习。在昼夜交替现象的研究中渗透科学史，让学生感受到自己提出的假说在人类认识地球运动的历史上都曾经存在过，而且非常重要，感受到对于一种现象可以有多种可能的解释，但随着依据的增多，总会出现更合理的解释。同时，让学生经历完整的地球科学的学习过程：原型观察—提出假说—构建模型—模型验证。这种模型建构的过程，帮助学生在学习单元首课时就建立稳固的基础以及更广阔的地学观念，方便培养学生的科学思维。

其次，基于大概念下的概念进阶理念，帮助学生形成更广的概念联系。在单元教学分析时，我们对学生做了测查，发现学生对已有相关学习已经掌握良好，大多能够认识到地球内部的运动会影响到地表的形态、地球与生物间的关系等。而前测本身对学生也是一种学习培养，让他们认识到对于复杂的地球系统，还有更多需要探寻的，而以往的研究都与其有所联系。在本节课的设计中，我们特别安排环节让学生思考：昼夜交替现象对地球上生命的影响，这又是一次强化。

以上尝试，都是在帮助学生建立一种良好的地学思想积淀，感悟地学“天人合一”的思想，在每一次学习体验中逐渐渗透更深的地学观念。■