邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:16.00

[追踪]“科技馆活动进校园”项目案例:时间信使 ——光之旅

文_陈 涛 惠朝晖/陕西科学技术馆

2021-12/总第309期

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“时间信使——光之旅”科学教育项目采用建构主义下HPS教育理念,将科学史、科学哲学融合并统筹于活动设计中。项目对接小学科学课标中“光现象”内容,并拓展到《科学教育的原则和大概念》([英]温·哈伦编著,韦钰译,2011)中“科学中的14个大概念”第12条“科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内和事实最为吻合的”,以及第14条“科学的运用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响”。课程教学对象为小学5—6年级学生。


项目简介

课程划分为6个阶段。第1阶段以科幻故事引入;第2—5阶段是课程的主体,学生扮演“时间信使”依次穿越4个时空,每个阶段都会涉及典型人物、时代特征、科学范式和光的知识,均以HPS理念中孟克和奥斯本的融合模式6环节(提出问题、学生观念、历史观念、设计实验、科学观念、总结评价)开展教学,但根据具体内容进行了一些变化和调整;第6阶段进行总结与拓展。

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教学目标

科学知识 光的传播(知道光在同一种介质中是沿着直线传播的)、光的反射(了解镜子可以改变光的传播路线)、光的折射(知道凸透镜和凹透镜可以聚光和散光)、光的色散(知道光是有颜色的,了解阳光的色散现象)等科学知识。

科学探究 能在观察中提出问题,提出质疑;能在思考中形成观念;能在讨论中修正观念;能操作简单的实验;能尝试设计实验验证观念,尝试利用实验解决具体问题。

科学态度 培养学生实事求是的科学态度;感受科学家探索世界的精神;体会分辨现象与证据的关系,以证据支持结果的重要性。

科学、技术、社会与环境 体会人们探索自然、思考自然的乐趣,了解科学思维的历史与变迁,初步体会科学与社会、宗教、文化的关系。


教学过程

时间信使的故事

召集参与者集合,在布置好的场景中,以角色扮演的形式,辅以多媒体讲述时间信使的故事,将学生以时间信使的身份引入活动,增强学生的代入感。

教师说明活动的流程、要求、注意事项,并发放学习单。强调时间信使的任务,是最终向未来议会汇报“什么是科学”这个问题,提醒大家在过程中思考。

欧几里得的思考

配合PPT,教师声情并茂地带领学生“穿越”回古希腊。以“洞穴比喻”简要介绍古希腊人为什么不相信日常经验,而只相信理性,即思辨科学的由来。

配合PPT创建情境,“遇见”欧几里得并介绍其人,欧几里得提出他的疑惑:“为什么同样的东西,近处看起来大,远处看起来小?”学生完成学习单上相应的内容:“欧几里得的问题是什么”。教师引导学生结合日常经验,对欧几里得的问题进行小组讨论,每组派代表说出自己的解释,并思考如何进行验证。学生完成学习单上相应的内容:“简单描述自己对于问题的想法”。

结合PPT和黑板画图,教师给学生讲述欧几里得对“近大远小”问题的解释——人类视觉的“灯塔模式”和光的直线传播。学生完成学习单上相应的内容:“选择欧几里得的想法”。

教师展示2幅画,一幅是无近大远小的水墨画,一幅是运用透视画法的风景画。通过对比,让学生直观感受运用透视画法后所呈现的立体感。教师教授学生最简单的一点透视画法,在实践的基础上验证欧几里得的想法——光的直线传播。学生完成学习单上相应的内容:“用透视画法画出给定正方体的立体感”。

阿尔哈曾的质疑

配合PPT,教师带领学生“穿越”至中世纪的埃及,简要介绍阿拉伯科学对古希腊科学的继承。讲述阿尔哈曾入狱,在黑暗中质疑“眼睛发射光线”的故事,并提出问题:“如果眼睛不发射光线,是太阳发射光线,光线如何从别的物体进入眼睛?”学生完成学习单上相应的内容:“选择阿尔哈曾质疑眼睛发射光线的理由”。

教师讲述阿尔哈曾在狱中用石子打墙壁获得了启发,留下悬念。让学生玩“碰撞小球”的游戏,引导学生展开类比思维,从小球的反弹联想光的反射。达成游戏目标后展开分组讨论,并派代表发言。学生完成学习单上相应的内容:“简单描述‘碰撞小球’对自己的启发”。

教师带领学生至常设展厅使用“光路演示”展品,验证自己的想法。讲述阿尔哈曾所获得的启发,得出光的反射规律。学生完成学习单上相应的内容:“选择阿尔哈曾的想法”。让学生用小镜子(增减镜子数目可调整难度)和激光笔完成“引光入室”小游戏,并完成学习单上相应的内容:“画出光传播的路线”。

罗杰·培根的发现

配合PPT,教师带领学生“穿越”至大翻译运动后的欧洲,介绍黑暗的中世纪之后,科学思想在基督教内部的复兴与发展。讲述罗杰·培根探索彩虹、研究玻璃球的故事。学生完成学习单上相应的内容:“选择关于罗杰·培根叙述中错误的一项”。

教师发给学生玻璃球,让学生观察从玻璃球中看到的世界,分组讨论为什么会出现这样的情况(颠倒的世界),并派代表发言。学生完成学习单上相应的内容:“简要描述自己的想法,并尝试思考如何验证”。

然后,教师讲述罗杰·培根的想法,并请学生用激光笔和玻璃球验证。学生完成学习单上相应的内容:“画出自己验证实验的光线传播路径”。教师提出罗杰·培根设想了一个望远镜模型,并引导学生思考是否可以设计一个望远镜模型,把远处的物体放大。学生完成学习单上相应的内容:“尝试画出运用组合透镜的想法”。

牛顿的绝妙设计

配合PPT,教师带领学生“穿越”至17世纪的欧洲,介绍炼金术与占星术的科学部分,引入哥白尼与伽利略掀起的近代科学革命。

接着,教师发给学生三棱镜,演示光的色散现象,并介绍牛顿、笛卡尔和波义尔对此现象的3种不同解释。学生完成学习单上相应的内容:“选择科学家们都提出过的观点”。分组展开讨论“你支持谁的观点,为什么?有没有办法证明,或者证伪其中一位科学家的观点”,并派代表发言。学生完成学习单上相应的内容:“挑选一位科学家的观点,简要描述如何验证”。

然后,教师讲述牛顿证明自己观点的想法,并指导学生用彩光手电和2个三棱镜复现牛顿的实验。学生完成学习单上相应的内容:“在实验操作后,画出牛顿色散实验的设计思路”。

总结与拓展

教师带领学生回顾前4个阶段的思考与实验,梳理从古希腊科学到近代科学的历程,和学生一起探讨每一个时代科学的特征与发展。着重强调古希腊科学的纯思辨,阿拉伯科学开始重视观测,欧洲继承思辨并开始重视实验,17世纪近代科学诞生,“逻辑+实验”的综合也是如今科学探究方法的范式。

学生分组展开讨论,作为时间信使最终如何向未来议会汇报“什么是科学”这个问题,并完成学习单上相应的内容:“选择向未来议会报告的内容”。利用“光学—时间线”游戏卡牌,组织学生开展游戏竞赛,并完成学习单上相应的内容:“选择对本次活动的评价选项”。


活动评估

通过此项教育活动的开展,使小学高年级段学生掌握有关光学的知识,体会科学探究的方法,了解科学思维(范式)的由来。教学设计贴合小学科学课程标准,并进行了适度升华和拓展。


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