以科学史为载体渗透科学本质的地理教学实践*
——以浙教版“大气层”为例

王乐楷

（浙江省杭州高新实验学校, 浙江 杭州 310051）

一、科学本质在教学中的内涵价值

《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出：“初中科学课程是以对科学本质的认识为基础、以提高学生科学素养为宗旨的综合课程。”[1]科学本质是科学教育的主要目的之一，对科学本质的理解已经成为科学素养的重要组成部分。美国学者莱德曼教授认为，科学本质的内涵包含：科学知识的经验性、暂定性和确定性，科学定律和理论的区别与联系，科学知识的社会和文化嵌入性及科学方法的多样性。落实科学本质的教育不仅能够帮助学生形成正确的科学观，更有利于培养学生的科学素养，领会科学精神。[2]

大量研究表明，融入科学史的教学能促进学生对科学本质的认识。以科学史为载体的教学方式可以为学生创设生动的学习情境，让学生置身于科学发现的情境中，跟随科学家一起经历知识的动态生成过程，了解科学知识的产生过程及其在社会发展进步中的意义。这个过程有利于培养学生的批判意识和社会责任感，逐步实现学生对科学本质的理解，提升学生的科学素养。

二、以科学史为载体渗透科学本质的教学策略

1.还原基于科学史实的真实情境

在“大气层”传统的教学中，教师常呈现大气温度的趋势图，让学生填表归纳，完成对大气分层内容的教学。这样的设计使科学知识缺乏情境性，在教学中显得枯燥乏味。

本节课通过搜索整理关于人类探索大气层的历史资料，呈现了科学史上格莱舍、波尔特等科学家利用气球探索大气的真实情境，挖掘了科学家们在研究大气层时面临的难题，如平流层的逆温现象等。此外，本课也融入了科学技术的发展对人类探索之旅的重要意义。

2.创设基于科学建模的探究活动

建模是科学研究的基本方法之一。科学建模不仅能加深学生对科学现象的本质理解，也能帮助学生体验“像科学家一样探究”的历程。[3]

在科学史上，大气分层本身就是一个科学模型，科学家对大气层的探究就是一个对模型认识不断深入的过程。从建模视角解读大气分层有助于加深学生对科学本质的认识。从教学内容上看，对流运动是“大气层”一节内容的重难点。本课在探究对流运动的过程中，对比平流层和对流层的现象，概括对流运动的模型，以此帮助学生理解对流规律。

三、融入科学史的教学活动设计与实践

基于以上融入科学史渗透科学本质的教学策略，笔者设计“大气层”一节的教学活动并开展实践。

1.设计思路

本节课在设计上采用“历史线”“探究线”“知识线”三线并行开展教学（见图1）。本设计以“探索大气”为主题情境，将科学家对大气层的探索历程（历史线）作为主线，利用科学史创设教学情境，从科学史实中提炼问题，引发学生思考，让学生在思考的基础上通过实验探究（探究线），理解科学规律（知识线），最终体会科学史实中蕴含的科学本质。

2.教学目标

（1）科学观念：了解大气温度垂直分布规律；掌握对流运动规律。

（2）探究实践：通过小组合作，实验探究对流运动，归纳对流运动规律。

（3）科学思维：通过科学建模认识大气分层模型和对流运动模型；运用对流运动的知识对生活中的问题进行科学解释。

（4）态度责任：通过了解科学家大气探险科学史，激发科学探索精神，认识科学事业进步需要大胆的实践。

3.教学过程

(1)创设情境，新课导入

【引入】播放电影《热气球探险家》片段。从古至今人们对于天空、云端充满了无限的向往。1862年，为了探索大气，英国气象学家詹姆斯·格莱舍乘坐热气球开始了一场穿破云端的冒险。

【提问】影片中科学家乘坐热气球不断上升，面临着缺氧、寒冷等困难，他们的探索精神值得我们钦佩。随着大气高度的上升，大气的温度会发生怎样的变化？

【设计意图】视频中科学家乘坐热气球飞向高空探索的片段，能够给学生带来深刻且震撼的感受。以科学史导入能够激发学生的兴趣。学生自然误认为大气高度越高温度越低，从而引出本节课的学习内容。

(2)激发兴趣，任务驱动

【引导】科学家们经过对地球大气的不断探索，发现大气温度并不是随着高度的升高一直降低。阅读科学史资料，完成任务一。

材料一：1862年，英国气象学家格莱舍乘热气球升至8.8千米的高空，发现气球高度越高，感觉越寒冷。

材料二：19世纪末，法国气象学家波尔特利用携带气压计、温度计等的气象气球飞上更高的大气。他发现，达到约11千米的高度后，空气停止变冷且温度随着气球的上升而升高。

材料三：20世纪20年代，英国两位气象学家多布森和林德曼通过对流星尾迹的研究发现，距离地面55千米的大气温度会降低。

材料四：现代研究发现，在大气的最边缘85千米之上，来自太阳的辐射最先被外侧的大气吸收而增温。

【任务一】阅读资料，根据数据信息绘制大气温度随高度变化的图像（见图2）。

图2 大气温度随高度垂直变化图像绘制

高度0～12km，温度随高度的增加而降低，其热量来自地面辐射。

高度12～55km，温度随高度的增加而增加，臭氧层吸收辐射。

高度55～85km，温度随高度的增加而降低。

高度85km以上，温度随高度的增加而增加，其热量来自太阳辐射。

【引导】根据科学家的研究数据，我们得到了大气温度垂直分布的模型，这个模型可以作为大气分层的重要依据，请根据图像信息完成任务二。

【任务二】阅读课本，根据大气温度垂直分布模型对大气进行分层（见表1）。

表1 大气温度垂直分布表

【设计意图】本环节以大气探索的教学主题引发学生的学习兴趣，以任务驱动的形式组织教学内容，以科学建模的思路帮助学生建立大气分层概念。学生通过阅读几则史料，转变前概念，对大气温度的垂直变化产生感性认识；通过数据处理和图像绘制，形成对大气分层的理性认识；通过了解科学史，认识到人类对某一科学知识的认识是不断发展变化的，理解科学知识累积性和暂定性特点。

(3)探究对流，总结规律

【思考】科学家在进入平流层以后，发现平流层的空气几乎不存在垂直流动的现象，这是否和平流层的逆温有关？进一步思考，对流层中对流运动和温度分布之间存在什么规律？

【探究一】水的对流实验（见图3）。

图3 水的对流实验

步骤一：在装满水的对流管中滴加一滴红墨水，红墨水向下扩散。

步骤二：迅速用酒精灯加热对流管A点位置，红墨水顺时针运动。

【探究二】空气对流实验（见图4）。

图4 空气对流实验

步骤一：在U形管A处点燃一根线香，发现烟从U形管右侧向上冒出。

步骤二：点燃的线香仍放在A处，同时在B处用酒精灯加热，发现烟从U形管左侧向上冒出。

【归纳】总结以上两个实验探究的现象，得出对流运动的模型——热的物质（水、空气）向上运动，冷的物质（水、空气）向下运动，从而得到对流运动的规律。

【解释】根据对流规律进一步解释平流层空气几乎不存在垂直流动的现象。平流层存在逆温现象，难以发生对流。联系生活，解释与对流运动有关的现象，如家中壁挂式制冷空调和暖气片的安装位置。

【设计意图】本环节由科学家面临的难题——平流层空气运动和逆温关系，引出对流规律的探究，引导学生从科学现象出发思考背后的科学规律。水和空气对流实验探究中利用转换思想，使实验现象更加明显。教师根据水和空气对流实验现象，归纳总结，帮助学生建构对流运动的模型，进而应用模型解释平流层无对流的现象，并运用对流概念迁移解释生活中的有关现象。

(4)追溯历史，畅想未来

【总结】科学家发现利用热气球对大气的探索存在飞行高度的极限问题。随着科技的进步，人类目前已经拥有气象卫星、航天载具等新的手段探索大气。人类探索大气的时间轴如下（见图5）。虽然研究方法、工具在不断发生变化，但是人类对未知自然的好奇心始终没有改变，对广阔云端的探索脚步从未停歇。

图5 大气探索时间轴

【设计意图】本环节站在大气探索的时间轴上，总结人类探索大气之旅，帮助学生感受科学研究与科技发展的密切关系；提炼科学家的探险行动背后的对自然的好奇心和求知欲，培养学生的科学精神。

四、渗透科学本质的科学史教学实践思考

1.聚焦关键事件：科学史教学不等于故事叙述

科学史从时间维度概述科学发展的历史进程，但科学史教学不能在时间线索上平均地堆叠科学家的故事。在教学过程中，教师需要意识到科学史中蕴含的科学思维和科学方法，抓住主要矛盾、聚焦关键事件设计教学情境。

本节课设计的“探索大气”情境，主要围绕大气层中平流层和对流层的温度分布研究开展，对其他方面的大气分层研究历史进行简略化的处理。这样的科学史融入有效拓展了课堂教学的宽度，让学生切实感受科学精神及科学探索的魅力，也促进了学生对科学本质的认识。

2.发展核心素养：科学史教学的出发点和落脚点

发展学生的核心素养是课堂教学的目标指向，所以科学史教学必须以落实核心素养作为教学设计的出发点和落脚点。这就需要让科学思维与科学史的情境有机融合，培养学生的科学素养。

本节课在大气分层和对流运动内容的教学设计中，将科学史和科学建模思维进行有机结合，注重科学方法的引导，以建模的思维帮助学生在头脑中完善相关概念，培养学生“以怀疑作审视的出发点，以逻辑作论辩的武器，以实证为判断尺度”的科学态度，加深学生对科学本质的理解。