张成生 (浙江省金华市金东区光南中学 321015)

《义务教育科学课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)将科学课程的性质定为:义务教育科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程。新课标强调,科学本质既是科学概念的组成部分,也是态度责任的基础。对于科学本质的含义,目前科学教育界的诠释并不完全一致。美国科学教育专家诺曼·莱德曼(Norman G.Lederman)团队认为科学本质应该具有七项要素:①科学知识具有实证性,是以经验为基础的,基于对自然界的观察;②科学理论不同于科学定律;③科学知识的创造性或想象本质;④科学理论的建构是从观察到推论的过程;⑤科学知识植根于社会文化;⑥科学知识具有主观性;⑦科学知识的暂时性。这是目前认同度较高的一种描述,可以作为确定科学本质教学目标的参考。分析莱德曼团队科学本质七项要素可知,科学本质涵盖了科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等科学课程核心素养的四个内涵。由此可知,促进学生科学本质的理解有助于促进学生科学素养发展。

浙教版初中科学的“地球和宇宙”部分包含“地球在宇宙中的位置”和“人类生存的地球”两个主题,与新课标中“宇宙中的地球”和“地球系统”两个核心概念相当。这部分内容宏观,较少能进行真实的探究或实验。从知识的角度看,学生对这两个主题内容或多或少知道一些,部分学生所知甚至超过教师。对这部分学习内容的要求不高,学生通过阅读基本能了解,可称为科普性内容,教学中容易沦为以识记为主。课堂教学大多紧扣教材,较为缺乏深度和广度,无法体现科学本质,较难促进学生对科学本质的理解、提高学生的核心素养了。在教学中,“地球和宇宙”部分内容已经成为初中科学中科学性最为薄弱的“洼地”。

一、创设情境主线, 促进科学本质理解

教材中的科学知识往往是目前所公认的知识结果呈现,鲜有过程。但对于科学的创造性、主观性、暂时性和形成过程及与社会文化的关系等本质内容,必定需要一个知识形成过程作为基础。如果没有这一过程,要让学生理解科学本质,只能是纸上谈兵。学生对于科学核心素养的提升,无论是从科学观念层面,还是科学思维,以及态度责任等方面,都需要有一个过程作为主线。如何让“地球和宇宙”部分内容形成可行的过程主线,一般是采用两种方式。

1.补充科学史实形成情境主线

每一点科学知识都有着鲜活的历史,“地球和宇宙”内容也是一样,大部分都能寻找到对应的科学史。科学知识的历史,不仅能体现出科学知识的形成过程,还会透露出科学思维的过程,同时体现实证性、科学知识暂时性等科学本质。

以“地球表面的板块”为例。教材中已经有魏格纳的大陆漂移等部分科学史实,在教学中可补充资料,从“坤舆万国图”与欧洲通用世界地图出发,直接带领学生对社会文化对科学发现之间关系的思考,然后是英国哲学家培根的发现、达顿的地壳均衡原理、魏格纳寻找证据及其学说的提出和沉寂过程、海底探测新发现、赫斯的海底扩张理论、威尔逊“板块”一词的提出、勒比雄六大板块的主张等,形成一条科学历史主线完成教学。补充科学史,丰富内容可使过程主线更丰满、更清晰,并且其中培根和魏格纳的比较、新发现带来的新理论的提出,体现了需要实证的科学本质观教育。同时,魏格纳学说的提出与被否决、新的观测发现带来的学说重现与提升完善,体现逐渐发展、逐渐完善的这一科学本质,达成科学本质的教育。而魏格纳等人在坚持自己学说中所采取的行动,更是一种态度责任学习的榜样,利于学生在精神上的熏陶和影响,更有利于学生科学素养的培养。

采用沿着科学知识形成的历史顺序进行,以发现过程为主线,将科学史按序融入教学的过程中,能让学生看到前人走过的路,以及沿途的风景,对于学生科学本质观的形成是大有裨益的。“人类对宇宙的认识”等许多科学史材料丰富的内容都可以采用此种方式进行。

除按照历史顺序作为主线外,也可以将科学史内容进行倒叙,让学生随历史逆流而上,在减除背景中显化科学发展与条件之间的科学本质。

以“地球的形状和内部结构”为例。对于地球是一个球体的事实,对于七年级的学生来说已经成为一个常识。本节课的教学可以采用倒叙的形式,先让学生讲述所知道的地球形状→他们获得这些知识的依据→减少所依据条件回到更早的认识→可能判断的形状→再将依据往前推→再作判断,以至得到类似于古代各民族所认为的地球形状,进而得知,远古人类对于大地形状的种种认识实际上是因为局限于他们能够观察到范围。在教学中,当我们在逐渐减去我们所拥有的依据时,如航天技术、环球航行等,慢慢就会形成人们对自然事物的认识会局限于视野范围、对于客观事物的认识发展受到技术发展的限制等。也就是说科学的发展是具有一定的局限性。当最后呈现各个民族所拥有的不同的大地观,结合各民族所生活的环境以及他们的信仰时,亦可得出,科学知识是植根于社会文化的。

2.联系生活实际创设教学情境

并不是所有的教学内容都有详尽的科学史,许多内容没法利用科学史来串成教学的过程线。但实际上,我们还有许多路径去创设学习过程。如利用学生的生活经验创设具有生活化的教学过程或具有趣味性的过程、利用实物、模型等手段创设具有可触性的教学过程作为教学的主线素材。

例如,在“太阳和月球”第一课时“太阳”中,可将写“寻太阳启事”作为主线来进行教学。以学生对太阳的认识为基础写“启事”,再根据所写情况,进行补充和完善“启事”中完成这一课时的教学。学生刚开始写的“启事”,一般也都只涉及大小、温度、距离等表层的内容,只有更深入地学习,才能得到太阳的结构以及活动等更深层次的内容。通过写“启事”这一情境任务,能很好地由浅入深串好教学的主线。

而第二课时的“月球”部分则以完成到月球旅游的“旅月攻略”为主,以“奔月神话”“探月现实”“旅月攻略”“登月意义”为线索来完成月球知识的学习。这一线索较好地结合了学生的生活经验,在各小组的讨论、汇报及阐述攻略依据的过程中顺利达成“月球”这一内容的学习,既有趣味也有拓展。

二、增补模拟实验, 助力科学本质理解

科学是人类在研究自然现象、发现自然规律的基础上形成的知识系统,以及获得这些知识系统的认识过程和在此过程中所利用的方法。从知识系统角度看,科学的本质是对自然现象和自然规律的描述和解释,描述和解释需要有对自然的观察为基础;从过程方法角度看,科学的本质是一种感知和发现宇宙秩序的能力,这种能力的形成,也需要观察、实验的基础上,进行突破常识的想象。对于“地球和宇宙”这部分内容来说,学生能够直接进行的探究和实验确实太少。而如果没有实验观察的支撑,不仅不利于科学概念建构,也不利于科学本质的理解。在教学中,根据实际需要去创设一些模拟实验或模拟观察,在原理、成因、过程和缩放等方面帮助学生的理解。同时,创造的模型或实验也是对科学本质中的创造性、主观性的一种很好的补充。

1.利用模拟实验促进科学推论性的理解

科学知识具有实证性,是以经验和观察为基础的,在此基础上再通过推论才能建构成科学理论。在无法进行真实实验的情况下,利用模拟实验,进行类推得到知识系统的理解,也是一种不错的选择。同时,在类推的过程中,可以让学生体验科学所具有的本质——科学具有推论性。

例如,在“太阳”这一内容的教学中,学生对于太阳黑子的理解是一个难点。在教学中,在烧红的铁片上滴上几滴水,这时所观察到的便是较黑的点块,然后用火柴靠近,却可见这“黑点”也是能点燃火柴,以此实验,便可让学生理解太阳黑子虽“黑”,但温度依然是很高的这一事实。在“人类对宇宙的认识”中,所有星系都远离我们而去来理解宇宙膨胀,也是学生的一个认识难点,利用气球膨胀模拟宇宙膨胀来观察气球表面各点的距离的变化,对于理解膨胀的宇宙就简单多了。

类似的还有地球的自转与公转的模拟、月相形成的模拟等。

2.利用模拟观察加强科学创造性的感受

科学知识的形成具有想象本质,这想象需要基于自然界的观察。但在“地球和宇宙”这部分内容中,学生进行直接观察并不现实,而通过科普视频,在一定程度上能扩大观察的范围和深度,但学生的体验感并不强。学生的生活经历和科学课堂并不能完全满足学生观察“地球和宇宙”内容的需要。如果我们能够创造条件,增加学生模拟观测的机会,则在一定程度上弥补上述的不足,同时可以在教学过程中渗透科学研究创造性的本质。

如《探索宇宙》这节中的星座内容,理论上可以让学生在夜晚观察星空,但在目前光污染的情况下,城镇学生在夜晚能观测到的星星实在少得可怜。再加上,四季星空各有不同,如果要观察到星空的四季变化,需要学生长时间的坚持,几乎没法让学生办到。但如果我们用不同颜色的激光笔,在教室天花板上照射出模拟的星空,则能让学生有模拟观察的体验。如在天花板中间点模拟北极星,边上固定好北斗七星的大致位置,再让学生绕着“北极星”,也就是沿着教室转动观察,则能清楚北斗中的斗柄在一年中的变化。

通过这样的模拟观察,能让学生充分体验人类认知自然过程中的创造性思维和想象能力,不亚于一种超级精神震撼。这些模拟实验,也可以来自于学生的创造,即使不是学生的创造,也能让学生在创造性的教学内容中长大,对于学生理解科学的创造性本质,会有着更为切身的体验。

三、加强思维拓展提升科学本质理解

我们还可以将科学理解为一种视角,一种批判地看待世界的能力。科学教学的目的,是提高学生科学核心素养,是让学生对科学有更深的认识。深刻的认识源于反思,需要批判性思维和质疑能力的培养。“地球和宇宙”部分的内容教学,也是需要加强反思的教学,来让学生理解科学本质、更新科学观念、形成批判性思维。

1.在反思史实中理解科学本质

作为科普性的内容,如果停留在知识系统的层次,本身非常简单,但从科学本质的维度来看,则蕴藏着丰富的内涵,如果能够充分利用,对学生科学核心素养的提高大有裨益。

如“地球的形状和内部结构”这一内容,如果按照教材,从“天圆地方”等古代人类的认识开始,虽然体现了“科学知识的正确形成往往需要一定时间积累”的发展性,但对于“科学知识是以经验为基础的,基于对自然界的观察”“科学知识植根于社会文化”“科学理论的建构是从观察到推论的过程”等科学本质的理解就不会那么透彻。而加上人类对地球形状认识逐渐逼近真实的过程的反思,就是给学生创造机会知道科学的发展是离不开技术工具的发展,而对于古代各民族对于地球形状的猜测,如果没有进一步的反思,是不可能得出人类的科学认识是以观察为基础的,而观念的形成,更离不开社会文化的基础。

又如,“人类对宇宙的认识”的教学中,在提供充足的科学史资料的基础上,按照历史的进程和各种科学假说形成的过程,通过不断追问,促进学生的反思,提升学生的思考能力。在这样的学习和反思中,逐渐让学生知道科学源于观察,而观察有其局限性,所以所得出的结论往往还带有其文化的特征、科学具有主观性和创造性;并且科学是不断发展的,具有累积性、暂时性;科学是基于观察和技术的发展,具有实证性等科学本质的内容。

2.在开阔思维中更新科学观念

发展学生的思维,也是科学所必须具有的典型特征。“地球和宇宙”的内容,也有许多地方值得去挖掘学生思维的起点,开拓学生的思维,更新学生的科学观念,进而提升学生的素养。

如在“太阳黑子”的教学中,很多时候我们会让学生关注黑子变化的规律,而这变化,也仅仅是关注了黑子多少的变化规律。由此,学生也仅仅知道黑子的变化是数目的变化。但事实上,黑子的变化规律,除了数目,还有大小、位置变动和极性变化等等的规律。这些变化是相联系的。当然,我们不一定要去和学生讲“卡林顿太阳活动周”“斯波勒定律”“海尔周期”等,但我们在教学必须给学生介绍一下这一些相关的变化。这些内容似乎与教学的目标没有关系,然而对于开阔学生的思维与视野的同时,也能加深学生对科学本质的理解。

在“地球表面的板块”这一内容教学的导入中,教师可展示我国明末清初时期的“坤舆万国图”,一方面是与现在学生熟悉的世界地图对比,来对比陆地位置变化的情况。另一方面,与欧洲通用的世界地图去比较,让学生思考为什么欧洲会有这么多人去猜想大西洋两岸曾在一起,而鲜有中国人的参与,进而拓展科学的发展与社会文化基础的关系来拓展学生的思维。

3.在质疑成见中体验科学本质

科学核心素养是科学能力和价值观念融合而形成,而批判性思维是其中一项最为重要的能力和价值观,也是体验科学知识的创造性这一科学本质的路径。作为科学课程重要内容的“地球和宇宙”部分,必不可少的需要进行批判性思维的培养。而有依据地质疑成见,培养学生批判性思维,进而体悟科学本质。

在“地球的自转”这节内容的学习中,往往会将昼夜交替现象当成地球自转的一个重要的证据。昼夜交替现象确实是由于地球自转所形成。当我们知道这一前提,将这一现象确实可以作为证据。在这一节内容的教学中,教师通过昼夜现象,然后是昼夜交替现象,再到地球自转进行的。而在昼夜交替现象的产生中,通过学生的模拟实验,往往会得出无论是地球自转还是日月星辰绕地球转,都是可以产生昼夜交替现象的。

促进学生科学本质理解的教学,其途径一般可归纳成两种。一种是通过科学探究、实验活动、做中学等方式,将科学本质的内容嵌入教学中,以间接的方式让学生体会科学本质。另一种方式是从科学史哲等视角去诠释科学本质,并通过课堂教学活动直接明示科学本质。以通过创设过程线为主,适当增加实验为基础,以培养学生思维为中心,才能使“地球和宇宙”的内容走向“科学”的道路,才有利于促进学生对科学本质的理解,进而促进学生核心素养的提高。