汪鴻飛 姚關(guān)心

摘要：在科學(xué)探究的過程中，科學(xué)思維和科學(xué)解釋既是重要能力，又是核心環(huán)節(jié)。CER框架是美國中小學(xué)教育研究過程中提出的引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)解釋的教學(xué)模式，包括主張、證據(jù)、推理三個要素。《實驗：探究平拋運動的特點》一課教學(xué)，嘗試以CER框架為導(dǎo)向：基于“經(jīng)驗”，討論提出“假設(shè)”;基于“假設(shè)”，探究得到“證據(jù)”的方案;基于“證據(jù)”，開展“推理”分析;基于“推理”，提出“主張”，得到“科學(xué)結(jié)果”。

關(guān)鍵詞：CER框架;科學(xué)探究;科學(xué)解釋;平拋運動

“科學(xué)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，“是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力”，“主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素”。在科學(xué)探究的過程中，科學(xué)思維和科學(xué)解釋既是重要能力，又是核心環(huán)節(jié)。

CER框架是美國中小學(xué)教育研究過程中提出的引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)解釋的教學(xué)模式，包括主張（claim）、證據(jù)（evidence）、推理（reasoning）三個要素。在CER框架（如下頁圖1所示）下，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的過程中，以已有經(jīng)驗（前概念）為基礎(chǔ)，提出假設(shè)（主張），搜集相關(guān)證據(jù)，基于科學(xué)思維和科學(xué)知識進(jìn)行推理，并通過師生之間、生生之間的交流討論，驗證或修改自己的假設(shè)（主張），完成對科學(xué)知識的建構(gòu)，重構(gòu)對自然世界的深度理解。人教版高中物理必修第二冊《實驗：探究平拋運動的特點》一課，嘗試以CER框架為導(dǎo)向?qū)嵤┙虒W(xué)。

一、基于“經(jīng)驗”，討論提出“假設(shè)”

實驗探究之前，需要引導(dǎo)學(xué)生開展基于已有經(jīng)驗的問題討論。一方面，可以解決相關(guān)概念不清造成的困擾，另一方面，可以啟發(fā)思維，讓學(xué)生提出相關(guān)假設(shè)。

本節(jié)課，開始探究之前，學(xué)生需要知道什么是平拋運動、平拋運動與之前所學(xué)的直線運動的區(qū)別與聯(lián)系。教學(xué)片段如下：

師什么是平拋運動？用生活中的一些實例來說明。

生以一定的速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力的作用，這時的運動叫作拋體運動。如果初速度是沿水平方向的，這樣的拋體運動就叫作平拋運動。

生轟炸機投彈時，炸彈做的運動就是平拋運動。

（教師用視頻動畫演示小球的拋體運動，包括斜拋運動、豎直上拋運動和平拋運動三種形式，定格畫面分別如圖2—圖4所示。）

師這三種運動過程哪個是平拋運動？平拋運動與我們之前所學(xué)的直線運動有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

生第三種運動是平拋運動。直線運動的軌跡是直線，平拋運動的軌跡是曲線，且是平面曲線。

生平拋運動無法用一維坐標(biāo)來描述，也許可以用二維坐標(biāo)來描述。

二、基于“假設(shè)”，探究得到“證據(jù)”的方案

設(shè)計實驗探究方案，需要考慮到基于學(xué)生自己的假設(shè)，讓他們通過找尋證據(jù)來證明或修正、改進(jìn)自己的假設(shè)。

平拋運動實驗探究方案的設(shè)計，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)解釋能力，提供了一種以問題為導(dǎo)向的科學(xué)探究方式。教學(xué)片段如下：

師為什么說可以用二維坐標(biāo)來描述平拋運動呢？

生直線運動的軌跡在一條直線上，平拋運動的軌跡在一個平面內(nèi)，平面是一個二維空間。

師基于此，我們該如何用實驗來研究平拋運動的特點？

（學(xué)生思考并交流。）

生根據(jù)運動的合成與分解，將平拋運動（二維運動）分解為豎直方向和水平方向上的直線運動（一維運動），再分別研究這兩個運動的特點。

生直線運動的研究是從其軌跡開始的，根據(jù)運動軌跡和運動時間，研究運動的位移、速度和加速度之間的關(guān)系。

生可以用頻閃照相機記錄小球做平拋運動的軌跡，并從水平和豎直兩個方向?qū)ζ綊佭\動的軌跡進(jìn)行分析。

師為什么要用頻閃照相機記錄小球做平拋運動的軌跡？

生這樣可以通過測量得出小球水平方向上的位移x和豎直方向上的位移y，并根據(jù)頻閃次數(shù)計算出小球運動的時間t。

（學(xué)生設(shè)計實驗方案：如圖5所示，讓小球從斜槽上某個位置自由滾落，將帶有方格的紙板放在豎直平面內(nèi)，每個方格的邊長均為5 cm，與小球運動軌跡所在平面平行，用頻閃照相機記錄小球做平拋運動時的位置影像。）

三、基于“證據(jù)”，開展“推理”分析

科學(xué)推理是指在實驗的基礎(chǔ)上概括、抽象、推理得出規(guī)律。一個物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程必然經(jīng)過科學(xué)的推理和分析，而科學(xué)的推理和分析一定是基于證據(jù)進(jìn)行的。

本實驗中，要基于小球運動的軌跡，推理出平拋運動的規(guī)律。教學(xué)片段如下：

（教師引導(dǎo)學(xué)生將頻閃照相機記錄的小球運動軌跡置于平面直角坐標(biāo)系中，得到圖6，記錄水平位移和豎直位移。）

師分析小球運動的軌跡，你有什么發(fā)現(xiàn)？

生在相等的時間間隔t（t=0.05 s）內(nèi)，小球的水平位移x是相等的，豎直位移y越來越大。

師（出示表1）這是實驗數(shù)據(jù)記錄表，分析表中的數(shù)據(jù)，你能得出什么結(jié)論？

生從表中的數(shù)據(jù)可以得知，水平位移x線性（正比例）增大，豎直位移y非線性（非正比例）增長，且增幅越來越大。

生我想到，之前學(xué)過的勻變速直線運動的位移的增幅就是越來越大。根據(jù)勻變速直線運動位移公式的特征，即關(guān)于時間的二次函數(shù)，結(jié)合具體數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。這驗證了小球在豎直方向上的運動是勻變速直線運動。

四、基于“推理”，提出“主張”，得到“科學(xué)結(jié)果”

科學(xué)結(jié)果的提出一定要基于實驗和證據(jù)，經(jīng)過科學(xué)地推理和論證，再經(jīng)過反復(fù)地驗證和交流，最終形成具有普適性的物理規(guī)律。

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生已經(jīng)依據(jù)已有的經(jīng)驗提出了自己的假設(shè)（主張）。基于搜集的證據(jù)，經(jīng)過推理和分析，學(xué)生可以驗證自己的假設(shè)（主張）是否正確，是否有需要修正的地方。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生完善假設(shè)，提出新的主張，從而得到正確的科學(xué)結(jié)果。教學(xué)片段如下：

師據(jù)此，我們可以推測做平拋運動的物體在水平方向上做怎樣的運動？你的依據(jù)是什么？

生在水平方向上做勻速直線運動。我的依據(jù)是在相等的時間間隔t內(nèi)，小球在水平方向上的位移相等。

師在豎直方向上做怎樣的運動？你的依據(jù)是什么？

生在豎直方向上做勻加速直線運動。我的依據(jù)是小球在豎直方向上位移的比例關(guān)系y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。

生我認(rèn)為，豎直方向上的運動是自由落體運動。我的依據(jù)，一是通過估算得出小球在豎直方向上運動的加速度大約為9.7 m/s2，與重力加速度的值接近;二是通過對小球進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)在小球豎直方向上只受到重力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，可知小球在豎直方向上運動的加速度a=g。

師基于本節(jié)課的科學(xué)探究，我們得出了平拋運動的特點：（1）水平方向上的運動是勻速直線運動;（2）豎直方向上的運動是自由落體運動。

總體來說，CER框架導(dǎo)向下的物理教學(xué)對于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育具有獨特的優(yōu)勢。首先，CER框架指導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)觀察、科學(xué)調(diào)查和科學(xué)實驗獲得證據(jù)，支持科學(xué)主張，幫助學(xué)生形成物理觀念。其次，CER框架導(dǎo)向下的物理教學(xué)是以問題驅(qū)動、思維引導(dǎo)的方式進(jìn)行的，在解決問題的過程中不斷訓(xùn)練學(xué)生的推理、分析、質(zhì)疑等科學(xué)論證能力，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成。再次，CER框架下的物理教學(xué)強調(diào)基于證據(jù)的科學(xué)證明，學(xué)生可以從多個方面收集證據(jù)、資料，檢驗自己的主張（假設(shè)），培養(yǎng)實證精神;也可以基于證據(jù)和推理對自己或者別人的觀點進(jìn)行質(zhì)疑、開展辯論，這對學(xué)生質(zhì)疑精神和批判性思維的培養(yǎng)具有重要的意義。

當(dāng)然，以上只是CER框架在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的初步嘗試，我們還將在更廣闊的領(lǐng)域中挖掘這一框架更豐富的適用性。

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