科学本质视域下的单元教学设计模式探索——以“牛顿运动定律”单元为例

庄浩丽 李 峥 梁志成 谢翠婷

（1.广州市执信中学，广东 广州 510003；2.华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

科学本质是科学素养的重要组成部分，发展学生对科学本质的理解已成为全球科学教育改革的核心主张，2017年版高中物理课程标准也首次明确了科学本质的教育要求.［1］课标中强调“引领学生正确认识科学的本质”是高中物理课程的性质和目标之一，提出“通过物理学习认识科学本质”的教学建议，注重“学生在认识科学本质、形成科学态度和社会责任感方面的发展水平”的评价.因此，如何在课堂中落实科学本质教育，提升学生的科学素养，是新课程、新教材对物理教学的新要求.

但调查表明，近年来，师生的科学本质观发展仍不平衡，许多方面都低于理性水平.［2］究其原因，既有科学本质观念本身较难直接内化成学生意识形态的认知困难，也有教师在进行科学本质观教育时的缺失.实证研究表明，培育学生的科学本质观念是一项长期的、复杂的、且系统性的教学工程，并不仅仅体现在某一章节的某一课时.［3］而这个过程又要求教师对科学本质有着深刻的理解，需要教师能够敏锐地深挖教材中的科学本质素材，了解有效的科学本质教学策略，以及长远地、合理地规划教学内容.

而笔者在关于高中物理教材的科学本质表征研究中发现，教材中蕴藏大量科学本质的不同方面，但在教材中分布不均衡，且表征方式以隐性为主.［4］这在一定程度上使得科学本质教育教学内容分布零散、线索不明晰，导致无法长期有效地发展科学本质观念.

为此，深挖教材中的科学本质素材，以“单元”为科学本质教育的教学基元，规划设计科学本质的单元教学内容，选择恰当的教学策略，是落实新课程新教材理念的新尝试，是提升学生科学本质观念的突破口.

1 科学本质与科学本质教学

1.1 科学本质

尽管哲学家、社会科学家、历史学家以及科学教育家和科学家对科学本质（Nature of Science，NOS）的内涵仍持有不同的观点，但大体而言，一类是以美国科学促进协会（AAAS）为代表的广义的科学本质内涵，全面地涵盖了科学的本质，即“科学知识的本质”“科学探究的本质”和“科学事业的本质”.另一类是以Lederman、Abd-El-Khalick等人为代表的狭义科学本质内涵，主张科学作为一种认识方式，是科学知识及其发展所固有的价值和信念，简而言之更注重科学知识本身是怎么来的.［3］通过文献梳理，以下三大维度涉及科学本质的11个方面，在基础教育领域已基本达成共识（如表1所示）.

表1 科学本质具体内涵

续表

1.2 科学本质教学

目前，国际上广为采用的科学本质的教学策略主要有隐性（implicit）教学法和明示—反思性（explicit-reflective）教学法.［3］隐性教学法认为学生可以在一些科学学习活动中自行领悟对科学本质的认识，将提升科学本质观作为参与科学活动的附带效果.而明示—反思性教学法虽然也同样会结合科学探究或融合物理学史来开展科学学习活动，但这是经过教师有意设计的关于科学本质的教学活动，并将提升科学本质观作为课程目标，更重要的是在教学中会提供机会让学生从不同的角度讨论关于科学本质的不同方面.

大量实证研究表明，明示—反思性教学法通过“明示科学本质教学目标”，讨论“反思科学本质相关问题”，从认知层面认识科学的本质，再反作用于科学探究活动中的行为层或正确认识科学史的发展历程，从而能够有效地提升师生的科学本质观念.［2］因此，本文的科学本质教学策略如图1所示，在隐性教学法的基础上，结合明示—反思性教学法，是进行科学本质教学的有效策略.

图1 提升NOS观念的有效策略——显隐性教学法

2 科学本质视域下的单元教学设计

从目前的研究成果来看，并不缺乏针对某一具体章节内容来设计关于科学本质的教学，［5，6］但是缺乏系统地、长远地进行科学本质教育教学的规划设计.如何从整体化有序地设计关于科学本质的单元教学？马兰教授提出的“整体化有序设计单元教学”为我们提供了重要思路，其团队经过5年的探索，提出了整体化有序设计单元教学的5个步骤，［7］如图2所示.

图2 整体化有序设计单元教学基本步骤

结合目前关于科学本质教学与单元教学设计的研究成果，面对需要长期渗透培育的科学本质观念，单元教学也应是系统地、持续地培育学生科学本质观的基本教学单位.从科学本质视域下进行整体化有序的单元教学设计的基本模式如图3所示.

图3 科学本质视域下的单元教学设计模式

首先，钻研课标，从科学本质的三大维度11个方面，深入地对教材的某一单元进行科学本质表征分析.基于内容与学情，初定各章节内容的科学本质教学目标，并为构思关于不同科学本质方面的明示—反思性问题做准备.紧接着，从单元的角度来整合规划不同章节的科学本质教学目标，关注章节之间的联系，有所侧重.然后，围绕单元的科学本质教学目标，结合具体章节的内容与特点，选择相应的显隐性结合的教学策略，例如挖掘物理学史或设计科学探究活动，并重点思考设计科学本质的明示—反思性问题.最后，从单元教学设计的视角，设计单元的科学本质教学安排，并具体细化每课时的科学本质教学环节.

2.1 依据课程标准分析教材的科学本质表征

教材是课程标准落实到教学实践的中间媒介，反映了课程标准的理念和教学的核心内容，是教师教和学生学的主要资源.因此，分析教材中某一单元的科学本质表征是开展科学本质单元教学的基础.在分析教材的科学本质表征情况时，可从“具体维度”“表征的明确性”和“表征的准确性”3个方面入手.“具体维度”是指针对教材中的某部分内容，归类到科学本质的11个维度中的具体方面.“表征的明确性”分为显性表征和隐性表征.显性表征即教材直接呈现了科学本质的论述，或提出关于科学本质的相关问题，让学生通过反思讨论来形成对科学知识产生与发展的正确理解；而隐性表征则将科学本质隐含在文本材料中，需要学生自己推敲或教师加以引导才能理解.“表征的准确性”可分为正确且完整、正确但不完整以及质朴这3个水平.其中，正确且完整的表征传达了与科学本质观完全一致的信息，正确且不完整则传达了理性的但不全面的科学本质观念内容，而质朴则表征出与科学本质观念相矛盾的信息.

下面以粤教版必修一的“牛顿运动定律”单元的“牛顿第一定律”为例，如表2所示.

表2 教材科学本质表征分析示例

2.2 以素养为本制订恰当的显隐性教学策略

在分析教材的科学本质表征情况的过程中，教师对每章节内容有了更全面的了解.这为具体到每一章节内容是选择科学探究的方式或是融合物理学史来展开教学，以及设计哪些与之相关的科学本质方面的反思性问题做了铺垫.

例如“牛顿第一定律”的发展蕴含了丰富的物理学史，应选择以物理学史为主线，并在合适的教学环节融入相应的科学本质问题，如表3所示.为了让学生理解“观察与推理的区别”，可以展示亚里士多德与伽利略这两个历史人物在研究力与运动关系时的“观察与推理”，也可以教师现场演示符合他们不同观点的实验，让学生亲历“观察”与“推理”，最终再讨论小结二者的特点与区别.

表3 针对具体章节设计显隐性教学策略示例

而在“加速度与力、质量之间的关系”这节中，则适合采用实验探究的方式，从提出问题、猜想假设、制订实验方案、收集数据、分析论证、评估交流等角度渗透科学本质的“实证性”“科学方法的多样性”和“科学的社会性”等特征.例如先列举生活实例猜想力与加速度间的关系，引导学生验证猜想的有效手段是用实验证实.然后设计进阶任务，简化模型，从恒力作用质量不变的物体入手，讨论设计多种定量测量的实验方案；再进一步思考如何改变条件，使得加速度发生变化，并试图找到其中的等量关系.通过这一探究任务，联系上一节牛顿第一定律的研究过程，引导学生更深入认识科学研究方法的多样性.

2.3 有序构思关于科学本质的单元教学安排

科学本质作为核心素养的重要组成部分，钟启泉教授认为“核心素养—课程标准—单元设计—课时计划”是落实素养环环相扣的基本环节.以往的备课通常是从课标直接指向课时计划，忽略了课时之间的联系，不利于学生形成大概念.新一轮课程改革倡导在课时计划前，进行单元设计能更好地整合学科内的关系，更有利于核心概念、规律、能力、方法、思想的形成与长期发展.因此，在教学实践中融入科学本质教育，尤其需要教师从单元设计出发整体规划教学，不能片面地将内容硬塞到每节课时中，而是应当有所权衡、系统地分配到每节课堂当中.

安排一个单元的科学本质教学前需解构章节之间的联系，再结合前面的分析，制订单元教学目标与课时安排，以“牛顿运动定律”单元为例，如图4所示.“牛顿运动定律”这一单元是学生形成运动与相互作用观念的核心单元.从牛顿第一定律到牛顿第三定律，是从定性到定量认识力与运动间的关系，从理论到实践应用的学习进阶过程.每节内容蕴藏的科学本质方面虽有重叠，但各有侧重，互相联系.例如前3节内容几乎都包含了“实证性”与“科学方法的多样性”，因此，可以在横向上进行单元联结，在“牛顿第二定律”这节实验探究后，再强化“实证性”与“科学方法的多样性”（具体操作可见上表3的示例），从而从整体上凸显研究不同问题的有效手段是实验，但具体的科学方法却不唯一.而在每节课时中，则有所侧重地从纵向的角度突出本课时较独立的科学本质方面.例如“牛顿第一定律”的历史发展历程，通过不同的科学家的观察，推理出了不同的运动与力的关系的认识，很好地表现了“观察与推理”这一科学本质.

图4 单元的科学本质教学目标与课时安排示例

2.4 拟定融入科学本质内涵的最佳教学设计

在详尽的教材分析与单元设计后，把科学本质融入到每节课时的具体教学设计将是水到渠成的过程.基于前面的准备工作， 根据具体的教学内容，收集教学资源，设计恰当的教学环节，梳理逻辑清晰的问题链，融入适当的科学本质反思性问题，是进一步细化每节课科学本质教学设计的关键.教学示例如表4所示.

表4 牛顿第一定律的科学本质教学示例

3 结语

目前，关于培养学生科学本质观念的教学设计案例越来越多，但都是零散地针对某一章节，这与需要长期培育渗透的科学本质观念教育不适配.因此，应考虑以单元为教学基元，系统地、长远地设计关于科学本质的单元教学.

科学本质视域下的单元教学设计，从教材的科学本质表征分析开始，再到整体单元的思考与规划，最后又细化到每一章节的科学本质教学设计.这种从“点”到“面”再回到“点”的单元教学设计模式，是在如今倡导的单元教学模式下的拓展与创新.这也意味着科学本质视域下的单元教学，要求教师对科学本质有着深刻的理解，才能有效地进行设计.

简而言之，这一单元设计模式既契合国家基础教育课程改革的理念，又适应科学本质观念并非一蹴而就的发展特点，是提升学生科学素养的有效探索.