(杭州第十四中學，浙江 杭州 310000)

1 證據意識的重要意義

“證據”是指材料,泛指支持觀點的理由和依據;科學探究過程中的證據則是科學探究過程中材料、數據、原有認知的總稱．[2]“證據意識”指的是對證據作用價值的一種覺醒和知曉的心理狀態(tài),并在探究活動中尋求證據、分析證據、表達證據的一種科學理性能力．

1.1 科學的本質將證據置于科學探究的核心地位

科學講究證據．科學知識必須經常面對質疑、驗證,進而發(fā)現其錯誤的地方,再加以修改,甚至完全推翻,或證實其合理性從而接受它,都必須以證據為基礎．這是科學本質的必然反映與要求．當科學家面對一個新觀點時,往往首先會問: “有什么支持的證據?” “所提供的證據可靠嗎?” “如何作出證實?”而不是無條件地、不加懷疑地接受．證據之所以置于科學探究的核心地位,是因為科學最基本的特性是求真,它以實證為判別的尺度,以事實為最高的判斷依據．例如,愛因斯坦狹義相對論的提出,由于這些假說與人們的常識相距甚遠,開始很難接受．只是當它們在隨后大量的觀測實驗中獲得證實之后,才被人們廣泛認同;相反,如果一個假說始終得不到可觀察到的事實證據的支持,即使它看上去無比美妙,也無法被人們普遍地接受．例如,1931年英國著名科學家狄拉克首先通過理論論證,預言在微觀世界中存在著只有一個磁極的粒子——磁單極子．此后,許多科學家致力于尋找磁單極子,但始終沒能成功．科學家拒絕確認磁單極子存在的最重要理由,就是磁單極子存在的現象并沒有被多次重復地觀察到．

1.2 強化證據意識對提升核心素養(yǎng)至關重要

“證據”除了在科學中的重要地位之外,還具有特殊的教育功能．讓“證據”成為一種“意識”,有利于發(fā)展學生的核心素養(yǎng)．《普通高中物理課程標準》2017版在關于物理核心素養(yǎng)發(fā)展水平要求的表述中,曾有7次提及“證據”,可見證據意識對提升學生核心素養(yǎng)的意義非同一般．對應于物理核心素養(yǎng)的四個方面,具體闡述如表1.[3]

表1

2 培養(yǎng)證據意識的方法

楊振寧明確指出:“絕大部分物理學是從現象中來的,現象是物理學的根源．”丁肇中更是斷言:“所有的自然科學都是實驗科學．再好的理論如果與實驗不相符,那么理論就不存在．實驗可以推翻理論,而理論永遠無法推翻實驗．”他還說:“曼哈頓下了一場雨,如果在一千滴雨水中,有一滴是有顏色的,我們就要抓住這一滴不放,去研究它的成因．”

物理學科的特色就在于“物”和“理”:“物”指事實證據,“理”即理性思維．物理這種講求事實證據、崇尚理性思維的學科特色,正是培育學生證據意識的優(yōu)勢所在,尤其是物理實驗教學,不失為培養(yǎng)學生證據意識的有效途徑．一般而言,物理實驗探究的基本環(huán)節(jié)如圖1所示.

圖1

我們在物理實驗教學中,應著力引導學生養(yǎng)成基于證據來思考、來對話的方法與習慣,不斷提升他們的證據意識．下面筆者結合教學實踐就其中幾個環(huán)節(jié)來談點體會．

2.1 基于“證據”猜想假設

科學假說是對觀察現象的一個假定性的解釋,或是對所提出的科學問題的一個推測性回答,必定要有驗證活動緊隨其后．教師應當培養(yǎng)學生一種習慣,即每提出一個主張,就必須有支持該主張的“資料和理由”,認識到自己的主張不能是毫無根據的,而需要在一定的理性、邏輯和事實的基礎上進行論證．

科學猜想本質上是一種創(chuàng)造性的科學思維活動,其顯著特點是發(fā)散性思維與收斂性思維緊密結合．由此,我們既要鼓勵學生大膽的“猜”(發(fā)散思維),提出各種可能性,更要引導學生縝密地“想”(收斂思維),分析論證合理性．

例如,學習“庫侖定律”一節(jié),在討論電荷間相互作用與哪些因素有關時,學生會提出很多猜想,諸如電荷量、電荷間距離、質量、形狀、介質、溫度……,等等．但猜想不是胡猜亂想．這里重要的不僅是猜想本身,更是其背后的依據,即需學生說清“如果出現什么樣的情況,證明我的想法是正確的”．教學中要力戒學生“猜而不想”、教師“生拉硬拽”的現象．

為此,教學中就讓學生對此展開充分的討論與交流．有許多學生根據日常生活經驗或現象,比如牛角梳子梳頭發(fā)的例子,來說明電荷相互作用力與電荷量及距離有關,也有同學通過與萬有引力定律類比,對猜想提供進一步的佐證;通過討論,大家認為帶電體的質量應與萬有引力相關,而不是影響電荷間作用力大小的因素;至于帶電體的形狀大小、介質、溫度等因素,它們可能會對電荷間的作用產生影響,但鑒于以前研究物理問題的方法與經驗,同學們主張從最簡單的情況入手,他們運用理想化的方法,提出以“點電荷”為研究對象,以“真空中”為介質條件,最終形成了合理的猜想,并自主完成了相應物理模型的構建．顯然,這樣的教學過程有利于學生證據意識的培育,其本質也是一種“有意義的學習”過程．

2.2 基于“證據” 設計方案

實驗教學中,教師應當努力把發(fā)現的任務交給學生,讓學生成為實驗探究的主人,讓他們充分體驗到智力勞動的艱辛以及科學發(fā)現的喜悅,從而激發(fā)其強烈的探索精神,培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力．

但在實際教學中,為讓學生順利完成實驗任務,常有教師會事無巨細地做好各種準備,如實驗器材的選擇、儀器的裝配等,也會不厭其煩地向學生告知實驗的步驟、注意事項,甚至還要親手操作示范……,留給學生做的就只需“照方抓藥”、機械操作了．這樣做看似簡捷省時,但效果定然不好．實驗教學中我們不能只關注實驗結論的重復性,更要突出實驗思想的探索性．學生在實驗過程中不僅要動手,也要動腦,更要動心．教師要善于抓住實驗的“牛鼻子”,引導學生緊扣實驗原理,自主設計方案,并養(yǎng)成“實驗三問”的意識與習慣:一問實驗“怎么做?”(知其然);二問實驗“為什么這樣做?”(知其所以然);三問實驗“還可以怎么做?”(知其所盡然)．

以測定本地重力加速度的實驗為例．在明確實驗任務與要求后,我們就放手讓學生根據已學的知識,自己設計并提出實驗方案．由于問題的開放性和民主性,極大地激發(fā)了學生的探索欲望．他們通過充分的討論,設想出多種方案,例如

(1) 物體豎直懸掛,由T=mg,測得g;

……

類似的方案還可提出很多．從理論上講,凡是涉及重力速度g的物理規(guī)律,都可以作為設計測定g的實驗方案的依據;但從實踐上看,并非所有方案都是可行的,學生們還根據實際情況,進一步予以分析和評價．如就上述方案而言,方案(5)裝置復雜,顯然超出了中學實驗的現有條件;方案(3)中斜面光滑的要求實際很難做到;方案(1)、(2)雖然簡單易行,但懸線拉力、落體時間等測量誤差都較大．相比之下,方案(4)不僅操作方便,而且測量精度高,不失為一種可行的實驗方案．課本也正是采用單擺來測定重力加速度的．通過上述實例分析,可將實驗方案設計的基本思路歸納如圖2所示.

即根據實驗目的要求,廣泛聯系和運用已學的知識與方法,初步設計并提出多種可能的實驗方案;再按照可靠、簡便、精確等原則,同時結合實際提供的條件,從中選擇并確定可行的實驗方案．而所有這些,都離不開實證意識的引領,以及實證材料的支持．

2.3 基于“證據”數據分析

英國教育家洛克說過,“熱愛真理的確實特征,是對任何一個命題的接受絕不超過其證據所顯示的程度．”真實的實驗數據是事實和現象的客觀反映,是開展科學探究活動的基礎．教師應讓學生對數據真實的重要性有充分的認識,讓學生養(yǎng)成尊重數據,客觀、科學處理數據的良好習慣,這對學生證據意識的培養(yǎng)有著至關重要的作用．

圖3

有一次學生做“驗證玻意耳定律”的實驗(如圖3),在批閱實驗報告時,筆者發(fā)現有的學生隨意涂改實驗數據．經了解,原來他們在實驗中當增加砝碼使活塞下壓時,測得的p、V乘積偏小,而用彈簧稱將活塞上拉時,p、V乘積又偏大．為了湊得與課本相同的結論,他們就更改了原始數據．筆者就抓住這件事例,結合物理學史向學生們講了開普勒“八弧分”的故事,進行求真務實的科學態(tài)度的教育,同時要求大家針對實驗誤差全面分析,查找原因．經過分析,最后終于找到了癥結所在．原來是該組學生所用的橡皮帽已嚴重老化,密閉性很差,加上實驗操作時動作過快過猛,造成活塞下壓時漏氣(氣體質量減少)從而pV變小,上拉時進氣(氣體質量增加)造成pV變大．找到原因后,原先涂改數據的同學主動要求重做實驗,終于得出了正確的結果．通過這件事,學生提高的不僅僅是實驗知識和技能,更多的是對“證據意識”的認同,以及實事求科學態(tài)度的培養(yǎng)．

令人欣慰的是,教師的這份用心在學生身上產生了積極的作用．有一次做“描繪等勢線”的學生實驗,多數同學畫出的等量異種電荷等勢線都如圖4所示,與書本上的圖樣基本一致,但也發(fā)現有一位同學畫出的等勢線如圖5所示,與標準圖樣明顯有別．據了解,這并非是他實驗馬虎、誤差過大所致,該學生曾經重復做了好幾次,結果都是如此．對于學生這種尊重實證的意識以及實事求是的態(tài)度,教師表示了充分的肯定與贊賞．鑒于這位學生的學習基礎較好,還建議他參考大學相關教材,去進一步思考這個問題．幾天過后,這位學生興沖沖地找到我,談了他的見解:原來課本是用“穩(wěn)恒電流場”來模擬“點電荷靜電場”,進而描繪出等勢線的,這就要求前者的范圍無限大(或者足夠大),但我們做實驗所用的導電紙尺寸都很小,滿足不了模擬條件,于是會發(fā)生“邊緣效應”,使得導電紙邊緣附近的等勢線發(fā)生畸變,就如圖5那樣．事后,筆者以此為典型,還讓他向全班學生匯報自己的體會與認識．看著他激動地站在講臺上侃侃而談,筆者想這件事對于他的意義與價值,已經遠遠超越了實驗本身．

2.4 基于“證據”推理論證

著名物理學家密立根說過:“科學是在用理論和實驗這兩只腳前進的．有時是這只腳先邁出一步,有時是另一只腳先邁出一步,但是前進要靠兩只腳……”．同樣地,物理實驗教學也離不開實驗觀察和理性思維,兩者不可偏廢．

例如“曲線運動速度方向”的教學,一般都是通過觀察現象,諸如雨傘甩出的水滴、砂輪濺出的火星…,進而得出結論:質點在某點的速度沿曲線在這一點的切線方向．如此教學看起來似乎順理成章,其實并不可取,這樣的推理論證更不符合科學的規(guī)范,因為它只是邁出了“一只腳”．通過大量現象的觀察,許多學生都會由此提出:曲線運動的速度方向可能沿曲線的切線方向．但這僅僅是一種猜想,它還有待進一步的驗證．首先是實驗驗證．學生用蘸有墨水的小球,沿著由幾段拼接而成的軌道做曲線運動(如圖6),他們發(fā)現無論小球在何處脫離軌道,它在底板上留下的軌跡都與該點處的切線方向吻合,從而為猜想提供了實證．接著是邏輯推理．教學中可引導學生通過如下問題的思考,對上述猜想予以進一步的分析論證.

(1) 如圖7,若質點在A點脫離軌道沿切線飛出,它做什么運動?(勻速直線運動)

(2) 勻速直線運動的速度方向有何特點?(每一點的速度方向總是沿著直線的方向)

(3) 據此可以確定質點在A點時的速度方向嗎?(因為A點也在這條直線上,所以它的速度方向一定沿此直線方向,也就是沿A點的切線方向．)

通過上述“實驗觀察+理性思維”的教學過程,學生不僅對所學知識有了更深入的理解,也使他們經歷了一次基于證據進行科學推理論證的有益嘗試．

在科學共同體中,科學家總是會通過相互交流論辯的方式來闡明自己的觀點,以促進對科學知識的認同．同樣地,在課堂教學中也應讓學生如同科學家一樣參與知識形成的過程,鼓勵他們發(fā)表不同觀點,并能尋找、提出相關證據來維護自己的想法．教師需適時提供機會,讓學生就彼此的想法進行對話,經由學生之間的質疑與評價,達成對知識、概念的理解．

以“光電效應”的教學為例．課本中的演示實驗方案是用紫外線去照射原先帶負電的鋅板,結果與鋅板相連的驗電器的指針逐漸閉合．課本由此指出:鋅板因光的照射而失去了電子,這就是光電效應現象．如此教學似乎是水到渠成沒有什么問題,其實有的學生會心存疑慮:鋅板負電荷的消失會不會是紫外線的電離作用引起的?也有學生可能因此而產生誤解,以為光電效應就是特指原先多余電子被釋放的現象．針對這種情況,我們在教學中就鼓勵學生勇于質疑,大膽發(fā)表不同的意見,并且要求他們能夠尋求證據來支持自己的觀點．例如針對“鋅板負電荷消失是否因紫外線電離作用所致”的問題,有學生提出將鋅板帶上正電荷試試,也有學生建議在鋅板與紫外線燈之間放置一塊玻璃板(普通玻璃能夠隔離紫外線),通過實驗,結果表明紫外線的電離作用并不是鋅板失去電子的原因．隨著這一問題的解決,激起了學生更大的質疑熱情,他們又從不同角度提出了更多新的問題,例如，除了紫外線,還可以用其它的光照射嗎?除了鋅板,還可以用其他的材料嗎?讓紫外線照射原先不帶電的鋅板,驗電器的指針會張開嗎?…等等．這些問題的提出,不僅表明學生的思維高度活躍,已經進入深度學習狀態(tài),更為后續(xù)的教學提供了豐富而又鮮活的資源．針對學生提出的問題,我們設計了如下的實驗變式:① 改變光照條件——不但用紫外光,還用白熾燈光照射;② 改變材料條件——不但用鋅板,還改用鐵板、鋁板等;③ 改變初始條件——不但用紫外光去照射帶負電的鋅板,也去照帶正電的鋅板,最后還要照不帶電的鋅板，等等．通過一系列的變式實驗,同時輔以積極的思維活動,起到了撇開次要因素,排除干擾因素,強化本質因素的作用,從而將所研究的物理現象以更為簡化和純化的形態(tài)顯露出來,使學生準確把握光電效應現象的物理本質．這樣的教學,不僅有利于學生對所學知識的理解與掌握,對于他們證據意識、能力的培養(yǎng)乃至科學素養(yǎng)的提升,更是一次有益的歷練．