徐丹丹 桂維玲

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250358)

孫莉

(山東省實驗中學 山東 濟南 250001)

《普通高中物理課程標準(2017版)》中明確將科學論證列為“科學思維”的要素之一，首次將“科學論證”寫入我國物理課程標準．由此，培養(yǎng)學生使用科學證據(jù)的意識以及科學論證的能力成為科學教育領域的熱點研究問題．然而，國內(nèi)目前關于科學論證的研究主要集中在科學論證能力模型建構(gòu)、科學論證的評價方式、科學論證的培養(yǎng)手段以及科學論證教學的框架分析等內(nèi)容．

基于特定主題的科學論證的教學是科學論證教學能夠在教學中得以實施的關鍵內(nèi)容之一，但在目前的教學中僅有不多的研究者關注這一問題，如文獻[1]提出論證是一個進程，論證教學中的知識通常不是一次性完成的，是需要不斷重復．文獻[2]指出論證教學過程中注重證據(jù)的獲得，提倡“有理有據(jù)，用證據(jù)說話”．即已有的研究中重點關注了科學論證的過程，對論證過程的評價關注是不足的，因此本文融入了對科學論證過程的評價．如何將論證引入物理課堂教學，特別是對具體教學內(nèi)容主題的設計的呈現(xiàn)，因而，提出具體的設計方案，為一線教學提供參考就顯得尤為重要．

本文以“超重和失重”一節(jié)為例，基于科學論證理論，從提出科學主張、收集證據(jù)、開展科學推理3方面剖析教材，提出教學設計．

1 基于科學論證教學的理論基礎

科學論證是科學探究中一項重要的活動，其內(nèi)涵是針對沒有明確的科學問題，經(jīng)過社會性的協(xié)作、商討過程，支持各自的觀點，并批駁相異的觀點，以解決問題并獲取知識的活動[3]．從論證結(jié)構(gòu)來看，論證主要由主張、證據(jù)、推理3部分構(gòu)成．主張是指對研究問題的結(jié)論、猜測、解釋；證據(jù)是用于支持主張有效性或合理性的觀察或測量，它可以是事實性的證據(jù)，也可以是理論性的證據(jù)；推理是用來闡明證據(jù)為什么支持主張，以及證據(jù)如何支持解釋，在證據(jù)和主張之間建立起邏輯推理關系[4]．

基于科學論證的課堂教學需要一定的理論支持，對實施基于科學論證的教學影響最大的理論是圖爾敏論證模式，如圖1所示，該模式由資料、主張、理由、支持、限定條件、反駁六大要素組成．

圖1中，“資料”即開始研究和論斷的材料或信息，當主張受到質(zhì)疑時，用來作為辯護的依據(jù)；“主張”即針對某一物理問題或現(xiàn)象做出一項論斷，是論證者在論證中要證明為正確的結(jié)論，該結(jié)論允許不斷被修正和改進；“理由”即說明如何用資料或數(shù)據(jù)通過推理進而得到一項結(jié)論；“支持”是理由的支援性陳述，論證者所依據(jù)的理論、定律、通則、公式等，用來闡明提出主張的原由；“限定條件”是有的結(jié)論必須附加一定的條件才能成立，它是主張正確性的前提；“反駁”是有些情況下，就算加上限定條件，也不能完成從資料、理由到主張的推理，也不能使主張不能成立，于是出現(xiàn)了反駁[5]．

圖1 圖爾敏論證模式

圖爾敏論證模式，由于其既可以支持師生學習有效的科學論證，也可以作為評價論證教學的工具[6]，在教育領域得到廣泛的認可和應用，因此本文也以其為理論基礎構(gòu)建基于科學論證的物理教學．

2 選擇適合基于科學論證的物理教學課題

“超重和失重”是人教版普通高中物理教材必修1的教學內(nèi)容，是在學習了牛頓第二定律之后又一能體現(xiàn)運動觀和相互作用觀的概念．它的教學重點在于實驗探究與理論分析相結(jié)合，理解超重、失重的概念及其產(chǎn)生條件，并學會運用解決實際問題．對于超重和失重的產(chǎn)生條件，有研究提到：加速度可以作為超重、失重的“判據(jù)”，即當加速度向上時超重，加速度向下時失重[7]．對于這一判據(jù)的科學性，有學者提出了質(zhì)疑，認為該“判據(jù)”未體現(xiàn)物理實質(zhì)，只反映了物理過程中表面的、暫時的、偶然的、不穩(wěn)定的聯(lián)系，缺少物理內(nèi)涵[8]．究竟哪種觀點是科學的、正確的，筆者認為應通過科學論證做出判斷，這也是一個很好地指導學生開展科學論證和質(zhì)疑的實例．

3 基于科學論證的“超重和失重”物理課堂示例

根據(jù)上述論證的理論框架，可制定圖爾敏論證教學模式在課堂中的具體展開流程，如圖2所示，將“超重和失重”一節(jié)中，“超重和失重的產(chǎn)生條件”這一知識點合理地融入進圖爾敏論證模型．為了開展這一論證活動，首先打好基礎，帶領學生通過“電梯里的力”小視頻掌握“超重”“失重”“視重”“實重”的概念，避免學生陷入“超重就是重量增加，失重就是重量減小”的誤區(qū)．

圖2 科學論證教學模式課堂展開流程圖

3.1 設置問題情境 引出論題

體重計示數(shù)變化反映出人有時處于超重，有時處于失重，那什么情況下會產(chǎn)生超重現(xiàn)象？什么情況會產(chǎn)生失重現(xiàn)象呢？超重、失重的產(chǎn)生條件是什么呢？教師給出問題情境，引發(fā)學生深入思考．

3.2 進行實驗 收集資料 尋找證據(jù)

基于科學論證的教學，其核心和關鍵在于證據(jù)的收集．只有建立在充分的、科學的證據(jù)基礎上提出的主張才更具有說服力．把課堂交給學生，讓學生親身經(jīng)歷實驗探究的過程，采用傳感器技術，使實驗結(jié)果更加直觀．學生站在力傳感器上完成下蹲和站起動作，觀察計算機采集的學生下蹲和站起過程中力傳感器的示數(shù)隨時間變化的情況圖線，記錄數(shù)據(jù)，填寫表1．

表1 下蹲和站起過程分析記錄表

引導學生分析數(shù)據(jù)，再一次鞏固超重和失重的概念．教師設置啟發(fā)性問題：超重失重與運動方向有關嗎？與加速度的方向有關嗎？

學生通過觀察表格發(fā)現(xiàn)，超重和失重與運動方向沒有對應關系，但人處于超重狀態(tài)時，加速度方向都向下；人處于失重狀態(tài)時，加速度方向都向上．由于主張允許被修改，所以學生可以提出暫時的主張．

教師指導學生尋找可以作為證據(jù)的資料，資料可以來自于圖書館、教材、網(wǎng)絡，進行分析推理．

資料1：假設在加速度為6g的航天員超重訓練設備內(nèi)，有一條繩子系著1 kg的物體．

(1)當設備的加速度豎直向上時，繩子受到的拉力多大？

(2)當設備的加速度豎直向下時，繩子受到的拉力多大？

解題步驟能夠反映學生的邏輯思維能力水平，在解題過程中發(fā)現(xiàn)了問題，也就發(fā)現(xiàn)了自己知識結(jié)構(gòu)中的不足．通過解答資料1的問題，學生發(fā)現(xiàn)在加速度等于6g的情況下，不管加速度的方向向上還是向下，物體都處于超重狀態(tài)，這跟最初的主張相悖．學生有了疑問，就會跟教師、同學交流想法，尋找問題的答案．

資料2：教師提供物理模型，如圖3所示，學生對物塊進行受力分析，得出在加速度向下的過程中物塊分別處于怎樣的狀態(tài)．

資料3：學生尋找物理模型，針對模型，進行合理推理．在資料1和資料2的啟示下，學生發(fā)現(xiàn)當拉力的方向與重力的方向相同時，就會出現(xiàn)即使加速度向下也會出現(xiàn)超重現(xiàn)象．

圖3 教師提供模型

3.3 基于證據(jù) 發(fā)表主張

利用牛頓第二定律結(jié)合超重、失重的概念，學生對加速下降、減速下降、加速上升、減速上升4個過程利用牛頓第二定律進行理論分析．提出主張：超重、失重與加速度的方向有關，加速度向上超重，加速度向下失重(或超重、失重與加速度的方向無關)．教師在這一階段注重對學生的主張和證據(jù)之間的關聯(lián)性，注重引導學生形成前后邏輯一致的觀點．

3.4 小組交流 支持或反駁主張

引導學生基于收集到的資料進行推理以支持自己或反駁他人的觀點，使資料轉(zhuǎn)化成為有力的證據(jù)．教師可以語言引導，小組交流討論，并將論證的主要內(nèi)容填寫表2中．

表2 論證記錄表

3.5 評價論證質(zhì)量 形成書面論證

根據(jù)自己的科學論證記錄表，小組之間相互討論、評價．從論證的各要素進行評價，如資料的數(shù)量、證據(jù)的有效性、推理過程的可靠性、主張的合理性、證據(jù)是否可以反駁他人主張等方面進行評價．并結(jié)合物理學科核心素養(yǎng)中科學論證的水平劃分評價學生論證質(zhì)量．

水平1：能區(qū)分觀點和證據(jù)；

水平2：能使用簡單和直接的證據(jù)表達自己的觀點；

水平3：能恰當使用證據(jù)表達自己的觀點；

水平4：能恰當使用證據(jù)證明物理結(jié)論；

水平5：能考慮證據(jù)的可靠性，合理使用證據(jù).

任何能力的獲得都不是一蹴而就的，教師長期對學生的論證過程進行評價追蹤、及時反饋，有助于幫助學生形成協(xié)調(diào)一致又不斷發(fā)展的科學論證能力．

最后對“超重和失重的產(chǎn)生條件”形成書面論證，促進學生形成嚴謹認真的科學態(tài)度．

4 對基于科學論證的高中物理教學建議

教師的教學方法和學生對知識的掌握程度是緊密相關的，采用論證式的教學方法能夠有效提高學生的科學思維能力，也為我國物理課程教學提供了一種新的教學模式．基于科學論證的“超重和失重”教學過程，對開展科學論證的物理教學提出以下建議．

(1)論證過程中鼓勵學生大膽質(zhì)疑

陳獻章曾說：“學貴知疑，小疑則小進，大疑則大進.”在本節(jié)課的教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)學生多數(shù)不敢質(zhì)疑．教師應鼓勵學生大膽提出自己主張，主張不同時，敢于質(zhì)疑他人主張．教師成為學生學習氛圍的制造者，這有助于學生在學習物理知識時由畏懼心理到挑戰(zhàn)心理直至戰(zhàn)勝心理的轉(zhuǎn)變，只有學生積極主動地進行思考輔之以科學的證據(jù)才能提出科學的質(zhì)疑，這離不開教師給學生創(chuàng)造的輕松愉快的學習氛圍．

(2)注重論證性話語引導

采用論證式的教學方法，論證過程中的許多術語是學生難以理解的，所以教師應將論證過程的內(nèi)涵進行可操作性定義，通過設置啟發(fā)性的問題引領學生完成論證過程．比如，用“你的觀點是什么？”來引導學生闡述自己的主張；用“支持觀點的證據(jù)有哪些？”來引導學生尋找證據(jù)；若出現(xiàn)反駁階段，用“你能證實你的觀點嗎？”組織引導學生交流觀點和證據(jù)．這樣采用論證性話語來組織教學，有利于學生形成論證性思維以及嚴謹認真的科學態(tài)度．

(3)對論證過程合理評價

學生完成論證記錄表以后，教師應組織學生小組之間進行互評．在評價之前告知學生詳細的評價標準，讓學生學會利用合適的評價標準對論證過程進行合理評價，給予學生及時、公平、客觀的反饋，在課堂上營造出重視證據(jù)和批判性思維的氛圍．

基于科學論證的課堂教學對發(fā)展學生思維能力的影響是潛移默化的，在物理課堂中應用論證思想展開教學任重而道遠，期待學生的科學思維能力通過科學論證式的學習有所提高，為我國物理學科核心素養(yǎng)的落實工作有所幫助．