王迪 彭章輝 高守寶

摘 ? 要：科學(xué)解釋在科學(xué)探究中具有關(guān)鍵作用。利用PTDR框架對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用漸退式腳手架策略，顯化科學(xué)解釋的路徑，以期鍛煉學(xué)生在探究過(guò)程中的思維能力與科學(xué)解釋能力，為教師設(shè)計(jì)能發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)提供啟示。

關(guān)鍵詞：科學(xué)解釋;PTDR框架;牛頓第一定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2022）2-0031-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，科學(xué)探究包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋和交流等要素[1]。新一輪基礎(chǔ)教育課程改革讓科學(xué)解釋的地位和價(jià)值在科學(xué)探究中越來(lái)越受到重視，“解釋”被擺在了我國(guó)科學(xué)教育中更為重要的位置。在教育實(shí)踐中，解釋普遍存在于教師和學(xué)生的語(yǔ)言行為中，而行為主體的不同會(huì)導(dǎo)致兩者的解釋在課堂中起著不同的作用。在課堂教學(xué)中，構(gòu)建對(duì)自然系統(tǒng)的行為和特性的科學(xué)解釋被視為學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)任務(wù)的核心能力。學(xué)生在嘗試?yán)斫庾匀滑F(xiàn)象時(shí)所構(gòu)造的科學(xué)解釋有利于幫助其形成有足夠說(shuō)服力的依據(jù)并合理表達(dá)自己的理解[2]。如果學(xué)生在遇到問(wèn)題時(shí)能夠自主產(chǎn)生解釋，也能有效促進(jìn)知識(shí)的傳播[3-4]。教師可以通過(guò)學(xué)生的解釋來(lái)了解學(xué)生是如何建立諸多概念之間的聯(lián)系以及如何解釋科學(xué)模型和科學(xué)思想的。

1958年Toulmin提出了包含資料、主張、理由、條件、支持和反證等要素的辯論模型，McNeill等人在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化，將解釋分為了三個(gè)部分：主張（Claim）、證據(jù)（Evidence）、推理（Reasoning），即CER框架[5]。姚建欣在CER框架的基礎(chǔ)上重構(gòu)科學(xué)解釋的要素和學(xué)習(xí)能力進(jìn)階，提出了待解釋現(xiàn)象/預(yù)測(cè)（Phenomenon/Prediction）—理論（Theory）—資料（Data）—推理（Reasoning）的PTDR框架[6]，為以培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)解釋能力為目的的教學(xué)提供了借鑒。

牛頓第一定律揭示了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，為之后進(jìn)一步分析與處理運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。張晴在初中階段的牛頓第一定律基礎(chǔ)上，從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的需要出發(fā)設(shè)計(jì)了牛頓第一定律的教學(xué)過(guò)程[7];高嵩等設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程則帶領(lǐng)學(xué)生重走物理學(xué)家探究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的歷史，幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的過(guò)程[8];徐杰為使學(xué)生深入理解牛頓第一定律的概念，以問(wèn)題為導(dǎo)向，在學(xué)生解決問(wèn)題的過(guò)程中達(dá)到教學(xué)目的[9]。

本文將“牛頓第一定律”的教學(xué)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使解釋貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，每遇到一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題時(shí)，教師便展示相應(yīng)的工作任務(wù)單，讓學(xué)生在探究的基礎(chǔ)上深入思考。從開(kāi)始的由帶有提示的解釋框架形成科學(xué)解釋，到最后學(xué)生獨(dú)立思考，完成不帶提示的解釋框架。整個(gè)過(guò)程將科學(xué)解釋外顯化，并采用了漸退式腳手架策略，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中認(rèn)識(shí)到科學(xué)解釋的重要性，并能夠獨(dú)立地完成一個(gè)完整的科學(xué)解釋，強(qiáng)化科學(xué)解釋的能力。

1 ? ?基于PTDR框架的教學(xué)流程

牛頓第一定律的教學(xué)過(guò)程（圖1）以PTDR框架為指導(dǎo)，采用漸退式腳手架的策略，顯化科學(xué)解釋的路徑。從新課導(dǎo)入到實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，都將科學(xué)解釋活動(dòng)作為教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步幫助學(xué)生理解所學(xué)的內(nèi)容，有效培養(yǎng)與發(fā)展其科學(xué)解釋能力。

2 ?; ?教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

2.1 ? ?創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)認(rèn)知沖突

教師推動(dòng)靜止于桌面上的木塊，提出問(wèn)題：同學(xué)們觀察到了什么現(xiàn)象？撤去施加在木塊上的推力時(shí)，又會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

學(xué)生觀察思考后，通過(guò)直接經(jīng)驗(yàn)給出力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，同時(shí)，教師借此提出亞里士多德的觀點(diǎn)。

接著，教師用手去推桌面上靜止的小車，然后撤去推力，讓學(xué)生觀察小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。

教師：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和日常的生活經(jīng)驗(yàn)完成工作單中的任務(wù)1（圖2）。

讓學(xué)生互相討論，認(rèn)真思考，完成工作單。

教師：請(qǐng)A組同學(xué)來(lái)展示討論結(jié)果（圖3）。

接著，教師介紹伽利略的觀點(diǎn)：摩擦力的存在，使運(yùn)動(dòng)的物體最終停止下來(lái)，因而物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)維持。（同時(shí)，教師簡(jiǎn)要介紹亞里士多德的事跡與貢獻(xiàn)及偉人對(duì)他的評(píng)價(jià)，告訴學(xué)生雖然由于當(dāng)時(shí)條件的限制，亞里士多德對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)不夠全面，但是他的觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)乃至以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里都是絕對(duì)的權(quán)威）。

【設(shè)計(jì)意圖】 從生活中的示例引出兩種對(duì)立的觀點(diǎn)，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的興趣，并讓學(xué)生通過(guò)科學(xué)解釋加深對(duì)現(xiàn)象的理解，從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)解釋能力的重要作用。由于學(xué)生一開(kāi)始嘗試解釋的時(shí)候，容易理不清思路，可以先提供給學(xué)生帶有提示的解釋框架，幫助學(xué)生搭建支架后進(jìn)行思考。

2.2 ? ?探究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

教師：300多年前，伽利略設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的斜面實(shí)驗(yàn)來(lái)探究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。接下來(lái)，我將帶領(lǐng)你們一起探討這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

然后，教師簡(jiǎn)要介紹伽利略理想斜面演示器。

教師：在剛才的演示實(shí)驗(yàn)中，可以知道是摩擦力使小車最終停了下來(lái)。請(qǐng)同學(xué)們思考，在演示器的斜面上，可以采取什么方法使小球受到不同大小的阻力呢？

學(xué)生：讓小球在不同材料的斜面上運(yùn)動(dòng)。

教師：之后就可以換用不同粗糙程度的斜面來(lái)進(jìn)行探究。請(qǐng)同學(xué)們思考如何判斷小球在演示器上的運(yùn)動(dòng)情況？

學(xué)生：可以比較小球滾動(dòng)到底面之后的運(yùn)動(dòng)，也就是觀察小球運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)斜面上的高度。

教師：可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨意改變斜面的傾角嗎？

學(xué)生：不可以，要保證斜面傾角相同。

教師：這是采用了什么實(shí)驗(yàn)方法呢？還有別的注意事項(xiàng)嗎？

學(xué)生：控制變量法。還要保證每次都要在同一高度的位置釋放小球。

教師：現(xiàn)在請(qǐng)各小組自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成工作單2（圖4）。

教師：我看到每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)完成了，接下來(lái)請(qǐng)B組的同學(xué)展示他們填寫的工作單（圖5）（為節(jié)省篇幅，之后的工作單均以帶參考答案的形式出現(xiàn)）。

學(xué)生開(kāi)始好奇伽利略是如何實(shí)現(xiàn)小球在不受任何阻力的情況下到達(dá)與釋放點(diǎn)等高的位置從而來(lái)證明他的假設(shè)的。

教師提出理想實(shí)驗(yàn)法：在探究過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)條件的情況，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?jīng)常需要借助在理想情況下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)假設(shè)，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析推理，從而得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因此，盡管在實(shí)際生活中不存在絕對(duì)光滑的斜面，導(dǎo)致小球無(wú)法到達(dá)嚴(yán)格的等高處，但為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模覀內(nèi)钥梢詫⑿泵孢M(jìn)行理想化處理，認(rèn)為小球是近似等高。由此，我們能夠知道伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)了一定的理想化處理后得到的，是一種理想化模型。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如果保持斜面的粗糙程度不變，逐漸改變斜面的傾角，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象呢？請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成工作單3（圖6）。

師生進(jìn)一步總結(jié)伽利略斜面實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【設(shè)計(jì)意圖】 學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)探究與思考并行的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出科學(xué)合理的解釋，進(jìn)一步強(qiáng)化了自己的科學(xué)解釋能力。

2.3 ? ?理解牛頓第一定律的概念

教師：至此，我們是不是已經(jīng)可以得出力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系了呢？伽利略通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)僅能推出當(dāng)所受外力為零時(shí)，處在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體將會(huì)一直保持勻速，而同一時(shí)期的笛卡爾在此基礎(chǔ)上探究發(fā)現(xiàn)，物體除了運(yùn)動(dòng)速度大小恒定之外，方向也不會(huì)發(fā)生變化。 牛頓將伽利略與笛卡爾的觀點(diǎn)進(jìn)行了歸納完善，總結(jié)出了牛頓第一定律。

教師提問(wèn)：牛頓第一定律究竟蘊(yùn)含了哪幾層含義呢？

讓學(xué)生分組討論，認(rèn)真思考。最后，由教師進(jìn)行總結(jié)：物體在不受外力或合外力為零時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變需要外力作用。

2.4 ? ?探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系

在學(xué)習(xí)了牛頓第一定律的概念之后，學(xué)生對(duì)其已經(jīng)有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。教師還需要強(qiáng)調(diào)其中“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”，讓學(xué)生理解慣性的含義：物體總保持原來(lái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)。

教師剖析其中“總保持”三個(gè)字：說(shuō)明這是物體與生俱來(lái)的本領(lǐng)，進(jìn)一步提出慣性是物體的固有屬性。

教師提問(wèn)：慣性的大小與什么因素有關(guān)呢？

小組游戲：有兩個(gè)大小相同的乒乓球和鋼球，分別用細(xì)線拴著，用力吹這兩個(gè)球，觀察它們的變化。

教師：經(jīng)過(guò)之前的練習(xí)，相信同學(xué)們已經(jīng)可以獨(dú)立地完成科學(xué)解釋，請(qǐng)同學(xué)們思考觀察到的現(xiàn)象，并認(rèn)真完成不再帶有提示信息的工作單4（圖7）。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過(guò)游戲探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)他們的積極性，從而加深學(xué)生對(duì)慣性的認(rèn)識(shí)，明確質(zhì)量是慣性的唯一量度。同時(shí)，學(xué)生經(jīng)過(guò)之前對(duì)構(gòu)建科學(xué)解釋的方法練習(xí)，其科學(xué)解釋能力有了一定提高。因此，撤去解釋框架中的提示，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的解釋過(guò)程，在獨(dú)立思考中有效提升科學(xué)解釋能力。

師生共同總結(jié)：質(zhì)量是慣性大小的唯一量度。質(zhì)量大的物體，它的慣性就大，反之慣性就小。

教師：生活中還有哪些事例可以證明該結(jié)論呢？學(xué)生思考并舉例。

2.5 ? ?應(yīng)用實(shí)踐

教師：相信同學(xué)們已經(jīng)能夠正確理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系了。最后，作為練習(xí)，請(qǐng)同學(xué)們思考這樣一個(gè)常見(jiàn)的生活實(shí)例，并完成工作單5，寫出合理的科學(xué)解釋（圖8）。

【設(shè)計(jì)意圖】 在基本完成所有的教學(xué)內(nèi)容之后，學(xué)生已經(jīng)對(duì)本堂課的內(nèi)容有了初步的掌握，構(gòu)建科學(xué)解釋的意識(shí)也逐步增強(qiáng)。于是，最后通過(guò)一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境讓學(xué)生獨(dú)立構(gòu)建科學(xué)解釋，一方面鞏固本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，另一方面通過(guò)練習(xí)進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)的邏輯思維能力與科學(xué)解釋能力。

3 ? ?教學(xué)啟示

3.1 ? ?注重科學(xué)探究過(guò)程中解釋的作用

新一輪基礎(chǔ)教育改革以來(lái)，科學(xué)探究在教學(xué)中的地位越來(lái)越突出，已成為高中物理課堂中必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。但一些教師在教學(xué)過(guò)程中只重探究，忽略了解釋的作用，陷入了“凡課必探究”的教學(xué)誤區(qū)，造成了形式主義下的課堂教學(xué)[10]。在探究過(guò)程中雖然能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，但整節(jié)課下來(lái)學(xué)生找不到本堂課的中心問(wèn)題，而且該課對(duì)提升學(xué)生邏輯思維能力的作用也微乎其微。教師應(yīng)有意識(shí)地將科學(xué)解釋滲透于教學(xué)過(guò)程之中，使科學(xué)探究的活動(dòng)能夠圍繞解釋展開(kāi)，凸顯教學(xué)中解釋的重要性，并強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)解釋能力的目的。

3.2 ? ?合理安排教學(xué)步驟，顯化解釋路徑

基于PTDR 框架指導(dǎo)的科學(xué)解釋包括四個(gè)要素，因此，學(xué)生在構(gòu)建科學(xué)解釋時(shí)花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，為保證在一堂課的時(shí)間里教學(xué)能夠順利進(jìn)行并完成，教師只在少數(shù)關(guān)鍵的問(wèn)題情境下讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)解釋過(guò)程即可。至于學(xué)生沒(méi)有經(jīng)歷完整科學(xué)解釋過(guò)程的不足，教師可在講解過(guò)程中通過(guò)提出科學(xué)解釋的思想，或僅采用部分科學(xué)解釋的要素去有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。

3.3 ? ?課后作業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)科學(xué)解釋的練習(xí)

學(xué)生在課上雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了在一個(gè)問(wèn)題情境下如何構(gòu)建科學(xué)解釋來(lái)解決問(wèn)題的方法，但由于課堂時(shí)間有限，教師應(yīng)在課后布置包含有科學(xué)解釋類的相關(guān)題目，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固構(gòu)建科學(xué)解釋的過(guò)程，從而強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)解釋能力，幫助他們真正建立起對(duì)物理現(xiàn)象與規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]Berland， L. K.， Reiser， B. J. Making sense of argumentation and explanation[J].Science Education，2009，93（01）：26-55.

[3]Chi， M. T. H.， Bassok， M.， Lewis， M. W.， etal. Self-explanations： How students study and use examples in learning to solve problems[J]. Cognitive Science， 1989，13（02）： 145-182.

[4]Chi， M. T.， De Leeuw， N.， Chiu， M. H.， etal. Eliciting self‐explanations improves understanding[J]. Cognitive Science， 1994，18（03）：439-477.

[5]McNeill， K. L.， Lizotte ， D. J.， Krajcik， J.， etal. Supporting students' construction of scientific explanations by fading scaffolds in instructional materials [J]. Journal of the Learning Sciences，2006，15（02）：153-191.

[6]姚建欣.中學(xué)物理課程中科學(xué)解釋學(xué)習(xí)進(jìn)階及其教學(xué)應(yīng)用[M].南寧：廣西教育出版社，2019.

[7]張晴.基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)研究——以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（10）：46-47.

[8]高嵩，秦飛.基于物理學(xué)史的“牛頓第一定律”的數(shù)字化教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師，2017，38（07）：17-21.

[9]徐杰.巧用問(wèn)題導(dǎo)向 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)——以“牛頓第一定律”教學(xué)為例[J].湖南中學(xué)物理，2021，36（02）：60-63.

[10]童大振.基于科學(xué)解釋的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“牛頓第三定律”為例[J].中學(xué)物理，2020，38（23）：2-5.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）

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