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        基于證據(jù),提升學(xué)生的科學(xué)論證能力

        2020-07-30 13:58:06宋懷甫孫建紋
        關(guān)鍵詞:科學(xué)論證

        宋懷甫 孫建紋

        [摘 要]證據(jù)意識(shí)就是根據(jù)證據(jù)來支持自己主張或者反駁他人主張的一種意識(shí)。收集證據(jù)、進(jìn)行證據(jù)分析與評(píng)估是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要環(huán)節(jié),也是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的可靠路徑。文章以復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”為例,探討在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),提升學(xué)生的科學(xué)論證能力。

        [關(guān)鍵詞]探究電流與電阻的關(guān)系;證據(jù)意識(shí);科學(xué)論證

        [中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058(2020)20-0033-03

        2018年無錫市中考物理試卷上有這樣的一道實(shí)驗(yàn)題:為了驗(yàn)證“當(dāng)導(dǎo)體兩端的電壓一定時(shí),導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比”這一規(guī)律,實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)們準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材有:干電池2節(jié),滑動(dòng)變阻器(20 Ω,1 A)、電流表、電壓表、開關(guān)各一個(gè),導(dǎo)線若干,5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻。準(zhǔn)備把5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻分別接入圖1所示電路,測量電流進(jìn)行探究。有同學(xué)提議:既然探究時(shí)需要保持電阻兩端的電壓不變,圖1中可以不用連接滑動(dòng)變阻器和電壓表。他們按照提議分別將三個(gè)電阻由小到大接入電路,閉合開關(guān)后,讀出電流表示數(shù)分別為0.42 A,0.24 A,0.13 A,發(fā)現(xiàn)無法驗(yàn)證“當(dāng)導(dǎo)體兩端電壓一定時(shí),導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比”這一規(guī)律。于是他們計(jì)劃仍按圖1進(jìn)行探究,分析測量數(shù)據(jù)后,選定準(zhǔn)備加在電阻兩端的電壓值U。為確保完成驗(yàn)證,則這個(gè)電壓值U的范圍為()。

        A. [1.5 V

        C. [1.3 V

        批閱完中考物理試卷后發(fā)現(xiàn)該題的得分率很低。原因是教師在新課教學(xué)“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí),由于課堂時(shí)間有限,在學(xué)生經(jīng)歷了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃后,直接告訴學(xué)生控制電阻兩端的電壓為某個(gè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn),沒有放手讓學(xué)生隨意選擇電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣,學(xué)生不會(huì)想到電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓不能隨意設(shè)置,預(yù)設(shè)電壓只能在一定的范圍內(nèi)。另外,初中階段一般不考慮電源的內(nèi)電阻,把電源看作是理想電源,這樣學(xué)生會(huì)認(rèn)為電源電壓是不變的。在這道實(shí)驗(yàn)題中,把不同的電阻直接接到電源上,電阻兩端的電壓是變化的。怎么才能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題呢?答案是實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得證據(jù)形成沖突,進(jìn)而對(duì)證據(jù)進(jìn)行解釋,才會(huì)獲得認(rèn)識(shí)的提升。

        物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)的教學(xué)要求是:學(xué)生能“通過實(shí)驗(yàn),探究電流與電壓、電阻的關(guān)系,理解歐姆定律”,屬于理解層次。從本章的知識(shí)結(jié)構(gòu)來看,學(xué)完本章內(nèi)容,在復(fù)習(xí)階段很有必要再次探究電流與電阻的關(guān)系。放手讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、交流與合作,重點(diǎn)要應(yīng)用歐姆定律解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的困惑,即新課教學(xué)中遺留的問題。“把不同的電阻直接接到電源上,電阻兩端的電壓是不是變化的?電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓可以隨意嗎?”就需要基于科學(xué)論證能力的培養(yǎng),對(duì)復(fù)習(xí)課有一個(gè)整體的規(guī)劃:基于證據(jù)——科學(xué)推理——科學(xué)論證。

        一、暴露問題形成沖突,培養(yǎng)證據(jù)意識(shí),為提升學(xué)生的科學(xué)論證能力創(chuàng)造條件

        要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力,教師在教學(xué)中應(yīng)重視證據(jù),讓學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)。在復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí),教師可以設(shè)計(jì)問題,按照學(xué)生的思維,因勢利導(dǎo),幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題形成沖突,在解決沖突的過程中培養(yǎng)證據(jù)意識(shí),進(jìn)而為提升學(xué)生科學(xué)論證能力打下基礎(chǔ)。

        教師:請(qǐng)同學(xué)們思考,我們?cè)谔骄侩娏髋c電阻的關(guān)系時(shí),電路如圖2所示,能否用同一個(gè)電源,控制電阻兩端的電壓不變,分別把5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻接到電源上,測量出通過電阻的電流?

        學(xué)生:可以用這個(gè)方案,因?yàn)橥粋€(gè)電源兩端的電壓是不變的。

        教師:請(qǐng)同學(xué)們按照這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案,根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)步驟,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)步驟:

        1.根據(jù)圖2連接好電路;

        2.測量出5 Ω電阻兩端的電壓和通過它的電流,并填入表格;

        3.分別換用10 Ω和20 Ω的電阻重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

        學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),教師巡視并收集證據(jù),如表1。

        教師把收集到的數(shù)據(jù)投影到屏幕上,提出問題:分析表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),能否得出電流與電阻的關(guān)系?為什么?

        學(xué)生:分析表格中的數(shù)據(jù)不能得出電流與電阻的關(guān)系,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中沒有控制電阻兩端的電壓一定。

        教師:分析表格中的電壓與電阻的關(guān)系,你能得到什么結(jié)論?

        學(xué)生:外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大。

        學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn),我們習(xí)以為常的“正確答案”在這里被實(shí)驗(yàn)推翻了,這是千真萬確的證據(jù)。

        在證據(jù)面前,學(xué)生原有的“惰性知識(shí)”受到?jīng)_擊,新鮮的“活力知識(shí)”獲得論證。正如李政道所說:“實(shí)驗(yàn)可以打敗理論,而理論無法打敗實(shí)驗(yàn)?!迸囵B(yǎng)證據(jù)意識(shí)是重要的科學(xué)活動(dòng),其內(nèi)涵是利用證據(jù)建立科學(xué)的理由以支持科學(xué)主張。從形式上看,科學(xué)論證大體上包括個(gè)體內(nèi)的論證和個(gè)體間的論證兩類:前者是指個(gè)體通過科學(xué)推理,利用證據(jù)建立自己的科學(xué)主張的過程;后者是指人與人之間通過辯論、爭論等形式對(duì)相互對(duì)立的主張進(jìn)行辯駁,從而鞏固個(gè)人主張的過程。教師要?jiǎng)?chuàng)造條件,尤其是利用學(xué)生“常常認(rèn)為應(yīng)該是這樣的”一些感性觀點(diǎn)來制造沖突,然后利用可靠的科學(xué)方法來收集證據(jù),進(jìn)而通過理性的科學(xué)推理來推翻“原來的觀點(diǎn)”,這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)和科學(xué)論證能力是特別有效和深刻的。

        二、改變條件不斷追問,在解決問題中培養(yǎng)科學(xué)論證的能力

        復(fù)習(xí)課不是簡單重復(fù),而是精準(zhǔn)提升。要在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,增添新的經(jīng)歷,帶來新的思考,從而提升科學(xué)論證的能力。前面有了證據(jù)意識(shí),接下來,我們就在實(shí)驗(yàn)中尋找新問題,基于證據(jù),在解決問題中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

        教師:探究電流與電阻的關(guān)系時(shí),為了控制電阻兩端的電壓不變,你們準(zhǔn)備采取什么措施?

        學(xué)生:在電路中串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器,更換電阻后,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,控制電阻兩端的電壓不變。

        教師:請(qǐng)同學(xué)們按照電路(圖3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(滑動(dòng)變阻器的銘牌上標(biāo)有“20 Ω,2 A”)。

        學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),教師巡視并收集證據(jù),如表2。

        教師:分析表格中的數(shù)據(jù),你能得出什么結(jié)論?

        學(xué)生:導(dǎo)體兩端的電壓一定時(shí),導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比。

        教師:探究電流與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過程中,你還遇到了什么困難?

        學(xué)生:我在實(shí)驗(yàn)中想控制電阻兩端的電壓等于1 V,但是把20 Ω的電阻接入電路,無論怎樣調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,電阻兩端的電壓都不能達(dá)到1 V。

        教師:探究電流與電阻的關(guān)系時(shí),電阻兩端的電壓為什么不能隨意設(shè)置?解決這個(gè)問題,必須弄清楚:分別用5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻探究電流與電阻的關(guān)系時(shí),電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓范圍多大?

        教師:電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最大是多少?當(dāng)電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最大時(shí),滑動(dòng)變阻器兩端的電壓最小,要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn),把哪個(gè)電阻接入電路時(shí),預(yù)設(shè)電壓最大?

        學(xué)生:串聯(lián)分壓,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最小,所分的電壓最小。把5 Ω的電阻接入電路,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最小,此時(shí)5 Ω的電阻兩端的電壓就是最大預(yù)設(shè)電壓,根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)可知,預(yù)設(shè)電壓的最大值是2.0 V。

        教師:把5 Ω的電阻接入電路,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片,使電壓表示數(shù)為1 V;取下5 Ω的電阻,把10 Ω的電阻接入電路,閉合開關(guān),滑片P向哪移?取下10 Ω的電阻,把20 Ω的電阻接入電路,閉合開關(guān)后滑片P向哪移?若滑片P移到阻值最大處,電壓等于1.4 V,電壓還是大于預(yù)設(shè)電壓,你的預(yù)設(shè)電壓最小只能是多少?

        學(xué)生:每次更換較大的電阻后,滑動(dòng)變阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移動(dòng)。把20 Ω的電阻接入電路,滑片P移到阻值最大處,預(yù)設(shè)電壓最小為1.4 V。

        教師:哪個(gè)電阻接入電路,滑片P移到阻值最大處的電壓就是最小預(yù)設(shè)電壓?

        學(xué)生:把最大的電阻接入電路,滑片P移到阻值最大處,此時(shí)電阻兩端的電壓就是最小預(yù)設(shè)電壓。

        教師:探究電流與電阻的關(guān)系時(shí),要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn),把哪個(gè)電阻接入電路,預(yù)設(shè)電壓最小?

        學(xué)生:要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn),把20 Ω的電阻接入電路,滑動(dòng)變阻器的滑片移到阻值最大處,此時(shí)20 Ω的電阻所分的電壓就是最小電壓。此時(shí)外電路的總電阻為40 Ω,根據(jù)外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大,可知40 Ω的電阻所分的電壓大于2.6 V,所以電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓的最小值Umin:[Umin>×2.6 V2=1.3 V],電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓U范圍為:[1.3 V

        開始的推理,實(shí)際上是一種內(nèi)在的科學(xué)推理。所謂內(nèi)在的科學(xué)推理是指學(xué)生在證據(jù)與主張之間尋求理由來支持自己的主張的過程,學(xué)生通過自己對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)與外界信息之間的權(quán)衡、評(píng)價(jià)、批判,最終選擇一個(gè)最合理、最能接受的主張。為了提升學(xué)生科學(xué)論證的能力,我們還需要在解決問題的過程中采用外在推理的方式。外在推理是指人與人之間通過辯論、爭論等形式對(duì)相互對(duì)立的主張進(jìn)行辯駁,從而鞏固個(gè)人主張的過程。在利用外在推理的過程中,驅(qū)動(dòng)了學(xué)生“尊重證據(jù),尋找證據(jù),解釋證據(jù)”的能力提升,進(jìn)而感受到科學(xué)論證的魅力。

        三、當(dāng)堂反饋及時(shí)評(píng)價(jià),讓學(xué)生感受科學(xué)論證的價(jià)值

        教師邀請(qǐng)部分學(xué)生解決本文中的2018年無錫市中考物理試卷上的那道實(shí)驗(yàn)題。

        學(xué)生:閱讀完題目后,我們利用題目中提供的數(shù)據(jù),可以找到表中的證據(jù):

        從表格中的數(shù)據(jù)可以看出,外電路的電阻越大,所分的電壓越大。要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn),如圖1,把5 Ω的電阻接入電路,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻為零,此時(shí)電阻兩端的電壓為2.1 V就是最大預(yù)設(shè)電壓。把20 Ω的電阻接入電路,如圖1,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最大為20 Ω,此時(shí)電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最小。這樣外電路的總電阻為40 Ω,外電路兩端的總電壓大于2.6 V,預(yù)設(shè)電壓的最小值為Umin:[Umin>×2.6 V2=1.3 V],所以預(yù)設(shè)電壓U的取值范圍為:[1.3 V

        科學(xué)推理論證是科學(xué)思維的重要組成部分,我們從課程標(biāo)準(zhǔn)中可以看到科學(xué)思維的五個(gè)水平等級(jí),都對(duì)科學(xué)推理論證提出了要求。水平1,要求能對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡單分析;水平2,要求針對(duì)比較簡單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析推理,得到結(jié)論,并利用簡單直接的證據(jù)闡述自己的觀點(diǎn);水平3,要求能對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析推理解釋并得到結(jié)論,利用證據(jù)闡釋自己的觀點(diǎn);水平4,要求能對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析推理,解釋并得到結(jié)論,并且能夠證明得到的結(jié)論是正確的;水平5,要求能在新情景中對(duì)綜合性物理問題進(jìn)行分析推理、解釋并得到結(jié)論,并且能夠在證明過程中,考慮到證據(jù)的可靠性并合理地選用。可見,要評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)論證能力,需要在實(shí)際碰到的新情景中去評(píng)價(jià)。學(xué)生在此過程中品嘗到科學(xué)論證的價(jià)值,激發(fā)他們對(duì)論證的興趣。實(shí)際教學(xué)中,通過對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)效果的分析,我們發(fā)現(xiàn)80%的學(xué)生都達(dá)到水平2,有40%的學(xué)生達(dá)到了水平4,也有20%的學(xué)生達(dá)到了水平5。

        綜上所述,在物理課堂教學(xué)中,為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力,教師有時(shí)要利用學(xué)生的“迷思概念”設(shè)下陷阱,先讓學(xué)生陷進(jìn)去;然后利用收集到的證據(jù),幫助學(xué)生深層次地反思,走出困惑,進(jìn)而提升學(xué)生的科學(xué)論證能力。能夠科學(xué)論證,愿意科學(xué)論證,樂于科學(xué)論證,這就是每一節(jié)物理課希望達(dá)成的理想愿景。

        (責(zé)任編輯 易志毅)

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