石宏宇，譚志中

(南通大學物理系，江蘇 南通 226019)

1 引言

新課改背景下，物理教學聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，科學論證能力是核心素養(yǎng)中科學思維的要素之一。如何培養(yǎng)論證能力是國內外教育工作者關注的熱點。在我國高考壓力大的教育背景下，當前的高中物理教學存在著題海戰(zhàn)術等缺陷，在培養(yǎng)學生的科學論證能力方面存在不足，教學中的很多問題脫離實際情境過于理想化，學生套用固有的思維模式就能解決問題，在解決問題的過程中沒有自主的思考與創(chuàng)新。長期的“紙上談兵”使學生的思維嚴重僵化，缺乏批判性與創(chuàng)新性，對所學知識不會進行發(fā)散，不利于學生的長遠發(fā)展。當高中生進入大學、走上社會之后面對復雜的實際問題會感到束手無策，因此探討基于富有活力的原始物理問題培養(yǎng)高中生的科學論證能力具有重要意義。

2 科學論證能力的內涵和結構

關于科學論證內涵的界定，在當前的國際科教領域，學者們持多種不同觀點，但基本都認同其包括主張、證據(jù)和推理三個核心要素。

國內外學者的觀點整體上可以從過程和能力兩個視角進行區(qū)分。從過程的視角來看，科學論證與科學探究過程密不可分，科學論證不僅僅要獲得論點，而且要滲透融合于科學探究，如提出問題、設計方案、分析現(xiàn)象、反思評價等過程都需要進行科學論證。在科學論證的過程中，學生的思維通過提出論點并借助證據(jù)加以證實而得到體現(xiàn)，并通過科學論證逐漸向高層次發(fā)展。學生能夠在科學論證的過程中嘗試闡述自己的論點，基于觀點尋找論據(jù)支撐，設計解決問題的方案?？梢哉J為科學論證是探究的過程、是思維的過程、是獲取知識、解決問題的過程。

從能力的視角來看，Toulmin（1958）提出TAP論證模式[1]，此模式包含六種主要元素：主張、數(shù)據(jù)或資料、根據(jù)、支持、限定與反駁[2]。Sampson Grooms &Walker將科學論證能力定義為一種綜合性能力，包括問題形成、信息搜集、證據(jù)分析及推理等[3]。我國學者韓葵葵認為科學論證能力是以科學概念作為中介對所獲得的數(shù)據(jù)資料進行闡述形成自己論點進而通過對自己及他人觀點的分析建構反論點，并針對他人針對自己觀點的質疑加以反駁的高級思維能力[4]。韓葵葵構建了科學論證能力結構模型，包括內容、方法、品質三個維度，這三方面內容有程序、有規(guī)則地形成彼此相互關聯(lián)、相互作用、共同發(fā)展的統(tǒng)一體，即科學論證能力。

高中物理教學中的科學論證能力主要強調學生能夠基于情境對問題進行分析，能夠利用現(xiàn)有信息進行洽淡推理，能夠提出自己的觀點并對存在質疑的觀點進行反駁?？茖W論證作為特定的學習方式，要求學生能用證據(jù)證明所提論點，并深入學習科學原理。這符合杜威所主張的“從做中學”的經(jīng)驗教學主義，在科學論證過程中學生對于概念的理解和轉變得到促進，學生的思維得到發(fā)展，有利于學生更好地理解科學本質。

3 原始物理問題概念及意義

原始物理問題是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在的，能夠反映物理概念規(guī)律且未被加工的典型物理現(xiàn)象和物理事實[5]。原始物理問題不同于物理習題，可以說物理習題是對原始物理問題的抽象加工，二者關系見圖1。

圖1 原始物理問題與習題的關系

物理習題可以視為對原始物理問題的理想化，通過給予一些特定的條件和信息，使題目具有規(guī)整的規(guī)格和明確的導向。長期以來為了使學生能夠通過高考的選拔，我們的高中物理教學陷入一種“題海戰(zhàn)術”的誤區(qū)，學生通過大量的習題訓練逐漸形成思維定式，習慣于用一定的邏輯去解同一類型的題目。這樣的教學方式有利于學生在應試教育中取得好成績，但卻會導致學生解決問題的能力脫離實際，學生的科學思維能力沒有得到充分的發(fā)展，無法解決在真實的社會生活中所遇到的原始的、非理想化的劣構性現(xiàn)實問題。這樣的學生成為“只會考試的人才”，不符合新的課程標準所提出的“培養(yǎng)具有終身發(fā)展能力的人才”的要求。而原始物理問題具有普遍性、開放性、隱蔽性、綜合性等特點，學生在處理原始物理問題時，要主動對其所包含的龐雜信息進行提取和分析，對原始物理問題的表征是一個非線性的、具有螺旋性的逐漸深入的過程，在這個過程中學生的思維逐漸深化，學生思維的發(fā)散性、靈活性、批判性、深刻性和創(chuàng)造性得到發(fā)展，有利于學生科學思維的形成和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。學生基于原始物理問題所進行的提出猜想、搜集證據(jù)、邏輯推理等一系列行為都在潛移默化地提升其科學論證能力。原始物理問題對于培養(yǎng)科學論證能力有重要意義，在新的課程標準的要求下，教師要活用原始物理問題進行教學，培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會要求的人才。

4 基于原始問題培養(yǎng)學生論證能力的基本策略

Toulmin（圖爾敏）論證模型為物理概念和規(guī)律的教學提供了一個可參考的范式，是論證教學的重要策略之一。利用此模型設計教學方案可以將抽象問題具體化、顯像化，學生在此模型下對物理概念和規(guī)律的學習理解在一定程度上會更透徹，但在實際教學實踐中高中生易對其要素產(chǎn)生混淆，對“反駁”這一要素的理解和應用尤為困難。麥克尼爾（Katherine L.Mcneill）和利佐特（David J.Lizotte）等人對圖爾敏模型進行了簡化，基于建構主義教學理論和最近發(fā)展區(qū)理論設計了CER 框架，包括主張、證據(jù)、推理三個要素[6]。這三個要素緊密相連，學生基于問題提出主張，根據(jù)各種方式獲得數(shù)據(jù)、材料或信息等形式的證據(jù)支撐主張，推理將證據(jù)和主張聯(lián)系起來，在推理的過程中論證證據(jù)和主張的合理性，明確證據(jù)和主張之間的聯(lián)系。CER 框架的結構較為簡單但清晰明了地體現(xiàn)了科學論證的核心，更適合應用于高中物理教學，學生能夠在提出主張、搜集證據(jù)、科學推理的過程中構建自己的理解能力，切實體驗科學論證。教師可以選擇有意義的原始物理問題開展教學活動，用CER 框架引導學生論證分析，在解決問題的過程中引導學生逐步掌握論證的基本方法和技巧，培養(yǎng)思維的邏輯性，促進思維開放拓展，幫助學生形成良好的論證能力。

4.1 在物理學史中領悟科學論證

物理學的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，很多概念和規(guī)律都是經(jīng)過科學家反復而曲折的實驗得到論證。在歷史上，科學家們所研究的問題多源于真實的生活情境，屬于原始物理問題，生動鮮活的科學論證素材蘊含于問題解決的過程。教師利用科學史料引領學生體味科學家們的探究之路，通過重現(xiàn)科學家們提出觀點與質疑、搜集信息、驗證主張的過程幫助學生領悟科學論證的過程與真諦，體會質疑探究精神。教師要尊重歷史事實，讓學生認識到科學家的觀點也并非是權威的、完全正確的。

以牛頓第一定律為例，在高中教材中這節(jié)課安排了大量物理學史的內容。教師可以創(chuàng)設生活情境引入課堂，引發(fā)學生思考“力和運動的關系”，在學生對教材進行自主閱讀后，讓他們嘗試利用CER 框架分析亞里士多德的觀點，填寫表1。

表1 CER 框架在分析“亞里士多德：力和運動的關系”中的應用

亞里士多德以經(jīng)驗作為證據(jù)支撐，在進行論證的過程中忽略了摩擦力對物體運動的影響，這導致他最終得出了錯誤的結論。在當前的教育背景下，學生往往會盲從于權威或者教師的說法，對問題缺乏自己的思考和判斷。亞里士多德的錯誤可以作為教師培養(yǎng)學生批判性思維的切入點，通過對亞里士多德的觀點提出質疑，并要求與亞里士多德持有不同觀點的學生給出證據(jù)支撐自己的判斷。在學生產(chǎn)生疑問表述自己的想法之后，教師再引入伽利略的觀點，引領學生用CER 框架分析伽利略的觀點，填寫表2。

表2 CER 框架在分析“伽利略：力和運動的關系”中的應用

通過這樣的教學過程，學生能夠切實體會到科學家們的論證過程，并且認識到科學家們在論證過程中也會出現(xiàn)錯誤，很多物理規(guī)律正是在不斷的質疑與推翻中建立起來的，學生的批判性思維得到強化，認識到科學證據(jù)真實性和科學探究過程嚴謹性的重要性，有利于培養(yǎng)學生的科學精神，使學生逐漸領悟科學論證的過程和意義，強化學生的科學論證能力。

4.2 在生活情境原始問題中體驗科學論證過程

當前高中物理教學中長期的習題教學使學生在面對原始物理問題時感到束手無策，不能將所學的知識與問題情境聯(lián)系起來去解決問題，不能從問題情境中提取所需要的信息，甚至不能讀懂問題，不理解所呈現(xiàn)的問題要求求解的內容，這明顯并不符合我們對所培養(yǎng)的高中生的期望，反映了學生在能力方面有所欠缺，面對問題不能進行有效的觀察和思考。物理學是一門源于生活的學科，原始物理問題是針對一些真實存在的生活現(xiàn)象而提出的，在物理學習的過程中，唯有與現(xiàn)實生活多接觸，才能體會到隱蔽在龐雜的客觀現(xiàn)象中的問題，并在嘗試解決問題的過程中體會科學論證的過程，錘煉自己的科學思維。

新課程《標準》中明確指出，在教學設計和實施過程中要重視情境教學，創(chuàng)設具有一定問題性、真實性、探究性和開放性的問題情境[7]，結合生活情境的原始物理問題無疑具備這樣的特點。高中生已經(jīng)具備了一定的物理知識，在其前概念中，對源于生活情境的原始問題具有一定的感性認識，結合生活情境的原始物理問題能夠刺激其已具有的圖式，引發(fā)學生的認知沖突，激發(fā)學生的探究欲望，學生在嘗試利用所掌握的理論知識解決問題的過程中，其感性認識和理性認知在不知不覺中得到良好的結合。教師在課堂教學中應提出生活化的原始問題供學生進行思考和討論，組織師生活動和生生互動，讓學生交流自己所提取的信息和對于問題的想法，在討論交流的過程中引起思想碰撞，培養(yǎng)學生從問題中提取信息、提出觀點、反思論證的能力，促進學生的科學論證能力走上新階梯。

在高中“質點”這一概念的教學過程中，難點主要在于明晰一個物體什么情況下能視為質點，結合生活情境教學可有效解決這一問題，教師可引導學生對不同情況進行整理，填寫表3。

表3 CER 框架在“質點”教學中的應用

再以超重與失重的教學為例，高中生在學習前雖然對這兩個概念有一定的了解，但其理解往往是浮于表面的，認為超重即為重量增加，失重即為重量失去，這種錯誤認識往往源于學生不能將物理概念與現(xiàn)實情境相聯(lián)系，沒有理解物理概念的本質。針對于此，教師可以提出生活情境原始問題：在乘坐升降式電梯時，我們往往會在電梯運行的過程中產(chǎn)生“漂”、“沉”的感覺，原因是什么？教師可以提示這與人體內臟受力發(fā)生變化有關，進而在課程背景下，容易引導學生提出這種感覺與超重和失重有關的主張，進而引導學生設計解決方案探尋產(chǎn)生超重、失重時人體的受力情況，學生容易想到可以通過觀察記錄臺稱在電梯運行過程中的示數(shù)變化來分析人體受力情況，教師幫助學生整理所搜集到的信息，總結概括科學論證框架，使學生理解超重失重概念的內涵，明確物體在超重、失重狀態(tài)下的受力情況，如表4。

表4 CER 框架在“超重與失重”教學中的應用

經(jīng)過對這一生活情境原始問題的分析論證，學生關于超重、失重的概念有了更深刻的認識，學生可能具有的超重、失重與速度方向有關的前概念得到?jīng)_擊，教師可乘勝追擊，引導學生探究超失重的產(chǎn)生條件，思考超重、失重與加速度方向的關系。經(jīng)歷了這樣的論證過程，學生能夠掌握物理規(guī)律的本質內容，對物理規(guī)律有了更深層次的理解。教師可繼續(xù)引入與超重、失重有關的生活情境原始問題作為練習題，讓學生針對不同的情況進行受力分析，在練習的過程中，學生的理性知識與感性認識不斷進行碰撞與結合，學生理解、運用知識的能力得到提升。

以上教學案例可以體現(xiàn)出結合生活情境的原始問題在高中物理教學中所具有的優(yōu)勢，也顯現(xiàn)了學生針對原始問題進行科學論證時所體現(xiàn)出來的活力與邏輯能力，在這個過程中學生思維的發(fā)散性和歸納性均能得到發(fā)展，科學論證能力逐漸提升。

4.3 在科學實踐活動中提升科學論證能力

實驗教學是物理教學的重要方法，是培養(yǎng)科學論證能力的重要途徑，通過實驗過程中的設計方案、數(shù)據(jù)搜集與整理、得出結論等過程，學生的創(chuàng)新性思維、處理信息的能力得到提升。課程改革強調了實驗教學的重要地位，我國的高中物理教材中設計了很多實驗，但是目前高中物理實驗教學的實施并不理想，實驗教學并未呈現(xiàn)出其活力與價值。部分高中生的學習行為來源于外界壓力驅動而非內在興趣驅動，學生的自主能動性較低，在實驗中很多學生不具備主動探究的意向，往往按照教材演示的步驟或者教師的講解按部就班，沒有思考實驗的意義甚至不清楚實驗的目的而盲目操作。這樣的實驗教學收效甚微，原因在于實驗過于理想化、脫離真實生活，不能激發(fā)學生學習興趣，不能體現(xiàn)出科學論證能力的培養(yǎng)。原始問題能激發(fā)學生的學習興趣，基于原始問題的科學實踐活動能夠促進物理實驗教學的轉型，增強學生科學探究的欲望，使實驗由教師引導走向學生自主探究，由模仿走向真實實踐，由滿足認知需求走向滿足解決問題的社會需求。

例如在高中“自由落體運動”的教學中，高中生通過初中的學習已經(jīng)掌握了加速度運動的基本概念和運動和力的關系。在此基礎上，教師可以呈現(xiàn)這樣的原始問題引發(fā)學生思考：重物和輕物同時從同一高度下落，哪個下落得快？學生理解問題后很容易會基于自己的前認知水平聯(lián)想到生活中的一些場景，教師這時可以演示一些利用生活中的常見物品就能操作的實驗，比如在同一高度處同時釋放羽毛和鐵球，讓學生觀察兩者下落情況。學生易產(chǎn)生物體下落快慢和質量有關的猜想，認為重物下落快。繼續(xù)實驗，將兩張完全相同的紙一張不折疊，另一張折疊四次，然后從同一高度處同時釋放，學生觀察到折疊后的紙先落地。在兩張紙質量相同的情況下，落地快慢卻有所不同，這與學生之前的猜想相悖，認知沖突由此產(chǎn)生，學生的探究興趣被激發(fā)。結合兩次實驗，教師可以引導學生猜想:物體下落快慢可能與質量無關而與空氣阻力有關，隨后展示牛頓管實驗，驗證猜想，引入自由落體概念的教學。教師引導學生回顧探究過程，概括科學論證要素，填寫表5。

表5 CER框架在“自由落體”教學中的應用

在學生理解了自由落體概念的基礎上，教師可以讓學生自己利用打點計時器進行實驗，探究自由落體運動的性質。在實驗中，學生通過對紙帶軌跡與各點速度的分析得到數(shù)據(jù)支撐，在教師引導下分析數(shù)據(jù)。高中生已經(jīng)具備相關的數(shù)學能力，嘗試獨立針對數(shù)據(jù)構建速度與時間關系的圖像模型，掌握自由落體運動的性質。

5 結束語

在教學過程中，學生沉浸于原始物理問題所創(chuàng)設的情境中，在體現(xiàn)原始問題的不同情境中產(chǎn)生認知沖突，生成探究興趣，在自己動手進行實驗操作、數(shù)據(jù)整理的過程中體會獲取證據(jù)和科學推理的過程，提升對于數(shù)據(jù)的分析處理能力。在解決問題后學生不僅提高了自己的科學論證能力，也獲得了成就感以及自我認同感。