陳澤 洪哲新 皮飛鵬

摘? ?要：在中學(xué)物理教學(xué)中，提升學(xué)生的科學(xué)論證能力是物理課程標(biāo)準(zhǔn)的明確要求。文章通過將SNP模式與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合，旨在提升學(xué)生尋找證據(jù)、分析歸納、推理演繹、解釋自己觀點(diǎn)、合理反駁他人的科學(xué)論證能力，初步構(gòu)建了將SNP模式應(yīng)用于科學(xué)論證能力培養(yǎng)的教學(xué)流程，并以熱力學(xué)第二定律的教學(xué)為例，探討了該教學(xué)流程的應(yīng)用及SNP模式在學(xué)生科學(xué)論證能力培養(yǎng)方面的作用。

關(guān)鍵詞：SNP模式;科學(xué)論證;中學(xué)物理;熱力學(xué)第二定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2021）7-0073-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，而科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等要素[1]，可見培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力是中學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)重要課題[2]。許多教育研究者在中學(xué)生科學(xué)論證能力培養(yǎng)方面進(jìn)行了嘗試，提出利用ADI模型（Argument Driven Inquiry的簡(jiǎn)稱）進(jìn)行科學(xué)論證教學(xué)[3]，但其僅對(duì)ADI模型進(jìn)行了介紹，并未深入探討其實(shí)際運(yùn)用，且ADI模型對(duì)“反駁與論證”這一科學(xué)論證步驟強(qiáng)調(diào)不夠。有學(xué)者以盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)為例，提出應(yīng)用Sampson模型實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)[4]，但Sampson模型并沒有很好地將物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于論證過程中。有學(xué)者提出在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用SNP模式（Science Negotiation Pedagogy，簡(jiǎn)稱SNP）培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)建模和科學(xué)論證能力[5，6]，但是該工作偏重科學(xué)建模能力提升，缺乏提升學(xué)生科學(xué)論證能力相關(guān)的教學(xué)流程設(shè)計(jì)和教學(xué)案例。

本文將探討SNP模式與科學(xué)論證相結(jié)合的方式，建構(gòu)將SNP模式應(yīng)用于學(xué)生科學(xué)論證能力培養(yǎng)方面的教學(xué)流程，并以具體的教學(xué)案例說明教學(xué)流程的應(yīng)用。

1? ? 在科學(xué)論證能力教學(xué)中應(yīng)用SNP模式的理論基礎(chǔ)

關(guān)于科學(xué)論證，其最重要的理論基礎(chǔ)之一是圖爾敏論證模式[7]，該模式包括如下的步驟：基于根據(jù)（ground）提出特定主張（claim），此主張可能有一定的限定性（qualifiers），由根據(jù)可得出保證（warrant）即主張的原則、推論等，當(dāng)保證的權(quán)威性與科學(xué)性受到質(zhì)疑時(shí)，提出主張的一方需要使用支援（backing）以支持保證，當(dāng)然反駁（rebuttals）也可能推翻之前不夠完善的主張[8]。

有學(xué)者在討論通過物理教學(xué)培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)論證能力時(shí)指出，不同階段的學(xué)生科學(xué)論證能力的側(cè)重點(diǎn)略有不同，但中心思想都是通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟收集證據(jù)并對(duì)證據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，以幫助表達(dá)學(xué)生自己的觀點(diǎn)，而其余學(xué)生則對(duì)他人觀點(diǎn)進(jìn)行反駁[9]。因此，本文將學(xué)生的科學(xué)論證能力培養(yǎng)分解為以下幾個(gè)方面：尋找證據(jù)的能力、使用支援（對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析）的能力、結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)自己的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋說明的能力、合理質(zhì)疑他人及反駁他人質(zhì)疑的能力、對(duì)物理問題進(jìn)行推理演繹的能力以及對(duì)目標(biāo)論點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納的能力。

SNP模式主要根據(jù)學(xué)科的大概念提出問題，通過模型建構(gòu)對(duì)大概念進(jìn)行表征，以建構(gòu)的模型為支架，由學(xué)生提出自己的主張，并采用數(shù)據(jù)、圖表等證據(jù)支持其主張，通過生生、師生間的口頭協(xié)商、反思性寫作不斷對(duì)問題進(jìn)行深入探究從而得出結(jié)論[10]。

可以看到，SNP模式的部分流程與科學(xué)論證的過程非常契合。SNP模式中依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)建模等方式為學(xué)生觀點(diǎn)提供證據(jù)這一特點(diǎn)，可以增加學(xué)生科學(xué)論證過程中證據(jù)的真實(shí)可靠性，提升論證過程的科學(xué)性。在中學(xué)物理課堂中引入生生探討、師生探討能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)的質(zhì)疑反駁過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生解釋論證、質(zhì)疑反駁、推理演繹的能力[9]。因此，本文提出將SNP模式與高中生科學(xué)論證能力培養(yǎng)相結(jié)合，以達(dá)到讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)論證過程、提高學(xué)生科學(xué)論證能力的目標(biāo)。表1是SNP模式與科學(xué)論證過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及兩者的結(jié)合方式。

2? ? 基于SNP模式的科學(xué)論證能力培養(yǎng)教學(xué)流程構(gòu)建

本文在郭玉英和錢長炎等學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，將SNP模式的教學(xué)流程進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合當(dāng)下中學(xué)物理課堂師生、生生互動(dòng)探討不足的實(shí)情，通過循序漸進(jìn)的教學(xué)步驟提升學(xué)生的科學(xué)論證能力。同時(shí)，由于高中階段很多知識(shí)點(diǎn)難度較大，學(xué)生難以通過既有知識(shí)獨(dú)立建構(gòu)起相關(guān)模型，本文提出，在尋找支援支持觀點(diǎn)的過程中需要通過選取恰當(dāng)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并在必要的時(shí)候得到教師的“支架型”輔助，以促進(jìn)學(xué)生能力的提升[11]，適當(dāng)創(chuàng)造“最近發(fā)展區(qū)”，幫助學(xué)生拓展思維提升其能力發(fā)展。具體教學(xué)流程如圖1所示。

首先，由教師通過回顧先前知識(shí)、結(jié)合生活實(shí)際等方式引入新課程的學(xué)習(xí)，并引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，為新概念的建構(gòu)做準(zhǔn)備。

然后，師生共同確立驅(qū)動(dòng)問題，學(xué)生可以在這一步提出自己的假設(shè)，并尋找生活中的實(shí)例來初步證實(shí)自己的假設(shè)，以鍛煉學(xué)生尋找證據(jù)的能力。

接著，由教師提供實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生分小組展開科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)論證活動(dòng)。學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行整理收集、分析歸納。在整個(gè)過程中，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)各種問題，教師需要適時(shí)點(diǎn)撥，此步驟旨在提升學(xué)生使用支援的能力。

待小組取得一致認(rèn)同后，推選組長向全班學(xué)生匯報(bào)。其他組的成員可以依據(jù)不同的背景知識(shí)等提出自己的反駁與質(zhì)疑。由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)器材有限、學(xué)生自身思維廣度不足，教師需從不同角度引導(dǎo)學(xué)生對(duì)目標(biāo)問題進(jìn)行推理演繹。此步驟通過生生與師生之間的討論以提升學(xué)生解釋質(zhì)疑、推理演繹的能力。

此外，教師還需要鼓勵(lì)學(xué)生將已經(jīng)學(xué)得的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，對(duì)實(shí)際生活中的現(xiàn)象深入思考。學(xué)生可以在課后對(duì)課上所學(xué)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)與反思，進(jìn)行反思性寫作，進(jìn)一步從書面角度提升學(xué)生的科學(xué)論證水平。

3? ? 應(yīng)用SNP模式發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證能力的教學(xué)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在以“熱力學(xué)第二定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，說明如何利用SNP教學(xué)模式促進(jìn)學(xué)生科學(xué)論證能力的發(fā)展。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“熱力學(xué)第二定律”的要求是：“通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律。”

教師首先結(jié)合“熱力學(xué)第一定律”向?qū)W生提問“在實(shí)際生活中，將一塊冰放在室內(nèi)，冰會(huì)逐漸融化，這是什么原因呢？”待學(xué)生回答“這是因?yàn)槭覂?nèi)的溫度比冰的溫度高，熱量被傳遞給了溫度較低的冰，冰吸熱融化了”后，教師引導(dǎo)學(xué)生“由于能量守恒定律，冰吸收了熱量，變成了液態(tài)的水，為何水在沒有外界幫助（如冰箱）的情況下，不能直接向外放熱，自發(fā)變成冰呢”……通過實(shí)例，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，為提出驅(qū)動(dòng)問題做好準(zhǔn)備。

隨后，師生共同商討并確立本節(jié)課的驅(qū)動(dòng)問題為“在滿足能量守恒定律的條件下，物理過程能否持續(xù)自發(fā)地進(jìn)行下去？”

驅(qū)動(dòng)問題確立后，教師為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材，將學(xué)生分為不同的小組進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過咨詢多位一線教師，本文提出兩種學(xué)生有能力獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)方案，以及一種由教師主導(dǎo)、師生互動(dòng)完成的實(shí)驗(yàn)方案。如表2所示。

學(xué)生通過已有知識(shí)可以獨(dú)立完成有關(guān)于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)角度和能量角度的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)推斷，能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一定分析，能針對(duì)問題進(jìn)行較為完整的解釋說明，教師可以在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)學(xué)生深入研究。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)考慮問題對(duì)于學(xué)生略有難度，在此設(shè)定由教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探討，提供“支架型”輔助。

角度一：實(shí)際經(jīng)驗(yàn)角度

A組匯報(bào)：我們組選擇的實(shí)驗(yàn)器材是二氧化氮、氧氣、廣口瓶等，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^氣體分子運(yùn)動(dòng)的不可逆性證明熱力學(xué)第二定律的方向性。裝有二氧化氮和氧氣的廣口瓶，將其瓶口相扣，中間有一塊玻璃隔片，將玻璃隔片抽出，可以看到紅棕色的二氧化氮?dú)怏w逐漸充斥于兩個(gè)瓶子中，且不能恢復(fù)到最初的兩氣體分離的狀態(tài)。

其他組質(zhì)疑：二氧化氮在上方的瓶中，由于二氧化氮分子的質(zhì)量大于氧氣分子，會(huì)不會(huì)經(jīng)過足夠長的時(shí)間，二氧化氮就會(huì)下沉到下面瓶子的底部或者出現(xiàn)下面瓶子二氧化氮濃度明顯高的情況呢？這樣就可以認(rèn)為二氧化氮和氧氣某種程度上又自動(dòng)分離了。

A組反駁：我們也考慮到了這個(gè)問題，所以我們?cè)谶M(jìn)行了如圖2（a） 的實(shí)驗(yàn)后，又將裝有二氧化氮的瓶子放在下方，裝有氧氣的瓶子放在上方，發(fā)現(xiàn)兩種氣體仍然能夠均勻混合[圖2（b）]。雖然放在下面的二氧化氮分子重于上面的氧氣分子，但是依舊可以向上運(yùn)動(dòng)充滿整個(gè)瓶子，它怎么會(huì)因?yàn)橹亓υ蛴种匦路蛛x呢？氣體的擴(kuò)散并不是重力作用的結(jié)果，而是氣體分子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。這樣就可以解決同學(xué)剛剛提出的由于重力作用導(dǎo)致結(jié)論混亂的問題。

此時(shí)，A組同學(xué)已經(jīng)基本講述出熱力學(xué)第二定律的方向性原理，但是需要教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納，讓學(xué)生的理解更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

師：A組同學(xué)的講述相對(duì)全面，我們一起總結(jié)一下。正如大家所說，氣體擴(kuò)散是氣體分子做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在這種情況下，由于分子之間的頻繁碰撞，重力的作用微乎其微，完全可以忽略。A組的實(shí)驗(yàn)說明擴(kuò)散現(xiàn)象是不可逆的，這體現(xiàn)了熱現(xiàn)象的方向性。兩種氣體最開始的狀態(tài)是比較“有序”的，但是抽出玻璃板后，兩種氣體發(fā)生了什么樣的變化呢？

生：它們從一開始“有序”的狀態(tài)走向了“無序”“混合”的狀態(tài)。

師：大家總結(jié)得很好，那么還有哪些自然過程是從“有序”的狀態(tài)走向“無序”呢？大家一起思考一下。

大家充分討論之后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性。

通過師生、生生之間的論證，幫助學(xué)生從簡(jiǎn)單的氣體分子運(yùn)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的理解加深至對(duì)熱力學(xué)第二定律“熵”的概念的初步感受，有利于增強(qiáng)中學(xué)物理與大學(xué)物理之間的聯(lián)系。

角度二：能量角度

B組匯報(bào)：我們通過對(duì)電冰箱運(yùn)作過程的研究來探討熱力學(xué)第二定律相關(guān)內(nèi)容。電冰箱的工作原理是氣態(tài)氟利昂經(jīng)過壓縮機(jī)變成高溫高壓的過熱蒸汽，經(jīng)由冷凝器（散熱器）進(jìn)行放熱冷凝變成高壓過冷的液體，高壓過冷液體通過過濾器進(jìn)入毛細(xì)管（節(jié)流閥）降壓變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，最后在蒸發(fā)室吸熱汽化（圖3）。

其他組質(zhì)疑：除了電冰箱，實(shí)際生活中還有哪些其他的工具或者物品是運(yùn)用這種原理的呢？

B組回答：還有空調(diào)等，用處非常廣泛。

此組學(xué)生能解釋整個(gè)過程，由于氟利昂材料的特殊性，教師可以讓學(xué)生尋找其他可替代材料以保護(hù)環(huán)境。

師：B組同學(xué)講解得非常完整，老師希望大家思考家用空調(diào)的運(yùn)作原理，并且希望大家課后研究除了氟利昂外，還有什么材料有這樣的特性，能有同樣的效果？

角度三：統(tǒng)計(jì)學(xué)角度

師：老師在上課之前給大家看了第三種可以考慮的角度，可能有一點(diǎn)難度，C組的同學(xué)也不用過于緊張，說一說自己的觀點(diǎn)。

C組匯報(bào)：用一個(gè)隔板將容器分為左右兩個(gè)等大部分，假設(shè)開始時(shí)， 2個(gè)分子都在左半部分，抽出隔板后分子會(huì)向右半部分?jǐn)U散，并且可在整個(gè)容器中自由運(yùn)動(dòng)。隔板被抽出后，2個(gè)分子在容器中可能分布的情況有22種，而2個(gè)分子完全退回到左半部分的可能性為 ，如圖4所示。

師：假設(shè)一摩爾的氣體分子在其中，情況又如何呢？

生：一個(gè)真實(shí)的理想氣體系統(tǒng)中每摩爾氣體有6.02×1023個(gè)分子，一摩爾氣體分子全部退回到左半部分的可能性為 。

師： 這個(gè)數(shù)值極小，在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度可以忽略不記，這實(shí)質(zhì)上是一種必然性，即對(duì)于一個(gè)理想氣體系統(tǒng)（不受外界影響），氣體分子的運(yùn)動(dòng)總是向包含微觀數(shù)目較多的狀態(tài)進(jìn)行。

以外，教師還能夠引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)學(xué)方面的知識(shí)遷移到物理中，探求若有n個(gè)氣體分子，全退回到左半部分的可能性。

一般情況下，學(xué)生經(jīng)歷了之前的思考與討論過程，能夠較為迅速地指出n個(gè)氣體分子全部回到左半部分的可能性為 。這是由具象思維向抽象思維轉(zhuǎn)化的過程，幫助學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)與物理學(xué)科之間知識(shí)的遷移，增強(qiáng)學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性。

在教學(xué)的最后，教師可以讓學(xué)生對(duì)自己的觀點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)與評(píng)價(jià)，并且鼓勵(lì)學(xué)生在課后深入探討“熱寂說”的相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)解答“時(shí)間為什么在流逝”這一問題，并進(jìn)行反思性寫作以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)論證能力進(jìn)一步發(fā)展。

4? ? 小結(jié)與展望

通過理論分析和實(shí)際案例，我們可以看出將SNP模式應(yīng)用于學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)是可行的，能夠幫助學(xué)生提升尋找證據(jù)、對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析歸納、推理演繹、解釋自己觀點(diǎn)、合理反駁他人的科學(xué)論證能力。同時(shí)，由于科學(xué)論證的過程是螺旋上升的，能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)耐心、樹立信心，并進(jìn)行知識(shí)整合，生生、師生探討和交互論證也有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、語言表達(dá)能力和批判思維能力。

目前，落實(shí)新課標(biāo)、提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)是我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的中心工作，新的教育觀念、教學(xué)模式和技術(shù)手段不斷引入中學(xué)物理教育教學(xué)中，選擇合適的教學(xué)模式關(guān)乎學(xué)生學(xué)習(xí)方式、教師教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變[5]。SNP模式為我國中學(xué)物理教學(xué)提供了另一種可行的思路，通過交互論證、咨詢專家、應(yīng)用拓展，能在很大程度上促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提高，但SNP模式適用于基礎(chǔ)較好、有較強(qiáng)的溝通交流能力、對(duì)物理興趣濃厚的學(xué)生，對(duì)學(xué)生和教師的要求相對(duì)較高，應(yīng)用SNP模式應(yīng)該結(jié)合教學(xué)實(shí)際，避免刻板使用和為論證而論證，真正內(nèi)化SNP模式，以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)論證能力的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭前程.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的變化[J].課程·教材·教法，2018， 38（09）： 99-106.

[2]吳昱，曹寶龍.科學(xué)論證及其能力培養(yǎng)[J].中學(xué)物理， 2020，38（11）： 10-15.

[3]高瀟怡，劉文莉. 將科學(xué)論證融入科學(xué)教學(xué)：ADI科學(xué)論證教學(xué)模型簡(jiǎn)介[J].中國科技教育，2020（04）： 6-7.

[4]周偉波. 基于Sampson模型實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)——以“盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)”為例[J].物理教學(xué)，2019，41（06）：21-22+37.

[5]弭樂，郭玉英.科學(xué)建模與科學(xué)論證整合的教學(xué)模式述評(píng)[J].物理教師，2018， 39（02）：7-12.

[6]丁珂，錢長炎. SNP教學(xué)模式融入高中物理課堂教學(xué)的思考與實(shí)踐——以“庫侖定律”一節(jié)教學(xué)為例[J]. 物理教師，2019， 40（12）：2-5+10.

[7]卞志榮，焦建生. 巧用生活情境原始問題 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力[J].物理教師，2020，41（07）： 34-37.

[8]汪明.圖爾敏論證模型與物理教學(xué)的實(shí)踐[J]. 物理教師，2020， 41（12）： 9-12.

[9]馬朝華.對(duì)物理教學(xué)中科學(xué)論證的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐[J]. 物理教學(xué)，2018， 40（11）： 9-11+8.

[10]Chen Y， Park S， Hand B. Examining the Use of Talk and Writing for Students' Development of Scientific Conceptual Knowledge Through Constructing and Critiquing Arguments[J]. Cognition and instruction，2016，34（02）：100-147.

[11]姜琳.中學(xué)物理教學(xué)中運(yùn)用支架式教學(xué)的案例分析[J]. 物理教師，2012，33（01）： 13-14.

（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）