林云強(qiáng)　姚華鑫　閆俊卿　楊師杰

摘? ?要：科學(xué)論證是科學(xué)工作中非常重要的環(huán)節(jié)，需要勇于提出觀點(diǎn)，然后嚴(yán)謹(jǐn)求證，如此循環(huán)往復(fù)，推動(dòng)著科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步。對(duì)新課程標(biāo)準(zhǔn)中的物理核心素養(yǎng)科學(xué)思維方面及其科學(xué)論證要素進(jìn)行解讀，說(shuō)明為什么要提升學(xué)生的科學(xué)論證能力，并結(jié)合圖爾敏TAP論證模型理論，以新課教學(xué)為例闡述如何提升科學(xué)論證能力，促使學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。最終倡導(dǎo)教師教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題時(shí)的證據(jù)意識(shí)和科學(xué)論證能力，落實(shí)核心素養(yǎng)背景下的學(xué)科育人目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)論證；課程標(biāo)準(zhǔn)；證據(jù)意識(shí)；TAP論證模型；新課教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）5-0015-6

在本輪新課改中，物理學(xué)科著眼于培養(yǎng)學(xué)生的必備品格和關(guān)鍵能力，在“三維目標(biāo)”的基礎(chǔ)上凝練出了以“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)維度為內(nèi)核的學(xué)科核心素養(yǎng)。新課程標(biāo)準(zhǔn)也表明發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是物理課程教育教學(xué)的重要目標(biāo)之一。本文重點(diǎn)討論為什么要提升科學(xué)論證能力，怎樣評(píng)估和發(fā)展科學(xué)論證能力，并以新課教學(xué)為例闡述怎么做才能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

1? ? 科學(xué)思維與科學(xué)論證闡釋

1.1? ? 什么是科學(xué)思維

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》相關(guān)內(nèi)容，重點(diǎn)解讀科學(xué)思維。首先，科學(xué)思維是一種認(rèn)識(shí)事物的方式，其目標(biāo)是認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及其相互關(guān)系［1］；其次，科學(xué)思維包含多種認(rèn)知方法。為實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于科學(xué)思維的認(rèn)識(shí)目標(biāo)，要對(duì)所獲得的直接證據(jù)綜合運(yùn)用抽象概括、模型建構(gòu)、分析歸納、推理論證等多種物理思想方法進(jìn)行加工處理。最后，科學(xué)思維還應(yīng)該包含突出嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、質(zhì)疑批判和遷移創(chuàng)新等特質(zhì)的必備品格?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，以上是科學(xué)思維核心素養(yǎng)的四個(gè)基本內(nèi)核。

1.2? ? 什么是科學(xué)論證及其對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)

科學(xué)論證是自然科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家從事科學(xué)研究工作的重要論證實(shí)踐形式之一?？茖W(xué)論證作為科學(xué)思維的關(guān)鍵組成部分，是指基于物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式［2］?？茖W(xué)論證中的“論”和“證”可以分別理解為論點(diǎn)、觀點(diǎn)和證據(jù)，而科學(xué)論證就是依據(jù)事實(shí)（證據(jù)）進(jìn)行初步分析、推理，提出自己的觀點(diǎn)，并不斷質(zhì)疑、批判、修正，最終得出結(jié)論的過(guò)程。在科學(xué)探究中，不僅要關(guān)注證據(jù)獲取的過(guò)程，更要強(qiáng)調(diào)論證推理的作用。論證方法包括實(shí)驗(yàn)論證、演繹論證和歸納論證等，是科學(xué)發(fā)展過(guò)程非常重要的組成部分。例如，高中階段熟知的牛頓大膽猜測(cè)天體之間的引力和地面上物體之間的引力滿足相同的規(guī)律，進(jìn)行“月地檢驗(yàn)”邏輯推理，論證總結(jié)得出萬(wàn)有引力定律。愛(ài)因斯坦在兩個(gè)假說(shuō)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出相對(duì)論時(shí)空觀，后來(lái)高速運(yùn)動(dòng)的粒子壽命變長(zhǎng)現(xiàn)象成了驗(yàn)證相對(duì)論時(shí)空觀科學(xué)性的最早證據(jù)。1971年銫原子鐘實(shí)驗(yàn)結(jié)果也對(duì)相對(duì)論理論進(jìn)行了宏觀驗(yàn)證，建立起物理學(xué)發(fā)展史又一大廈。縱觀物理學(xué)發(fā)展史，這樣的例子不勝枚舉，所以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力是提升學(xué)生科學(xué)思維能力的重要途徑之一。有研究指出：“基于科學(xué)論證的物理教學(xué)研究與實(shí)踐是提高學(xué)生論證能力的必經(jīng)之路?！保?］結(jié)合科學(xué)工作的特點(diǎn)，新課標(biāo)對(duì)于科學(xué)論證要素明確指出，通過(guò)高中物理課程的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生對(duì)科學(xué)證據(jù)的使用意識(shí)和評(píng)估能力，并且能靈活運(yùn)用科學(xué)證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行建模描述、分析闡釋和推理預(yù)測(cè)。

2? ? 科學(xué)論證的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)實(shí)施

2.1? ? 科學(xué)論證評(píng)價(jià)內(nèi)容及水平劃分

對(duì)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》［1］中關(guān)于科學(xué)論證的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的描述梳理，如表1所示。

2.2? ? 經(jīng)典論證教學(xué)模型TAP的介紹與要素闡釋

目前，在論證教學(xué)模式方面，圖爾敏提出的TAP模型影響最為深遠(yuǎn)，如圖1所示。TAP模型包含六要素，其中資料、主張、根據(jù)是主要要素［4］。資料是指提供論證的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象和理論依據(jù)；根據(jù)是連接資料與主張之間的橋梁，通常是基于基本定理、數(shù)據(jù)等資料提出初步的觀點(diǎn)或論斷，即推理過(guò)程；主張是基于物理問(wèn)題的描述作出判斷，形成觀點(diǎn)；限定是主張觀點(diǎn)成立的限制條件；支援是指對(duì)推理過(guò)程的支援式陳述，也就是要考慮合理性，進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充；反駁是指利用物理知識(shí)對(duì)反面觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑與批判。資料環(huán)節(jié)相當(dāng)于2.1中的水平等級(jí)1，能夠在區(qū)分觀點(diǎn)與證據(jù)的基礎(chǔ)上給出自己對(duì)某一問(wèn)題的證據(jù)；有根據(jù)參與的主張環(huán)節(jié)相當(dāng)于水平等級(jí)3，能夠恰當(dāng)使用證據(jù)來(lái)表達(dá)自己的觀點(diǎn)；有支援和根據(jù)參與的主張環(huán)節(jié)相當(dāng)于水平等級(jí)4，能夠恰當(dāng)使用證據(jù)來(lái)證明自己的觀點(diǎn)；如果限定和反駁也加入上述環(huán)節(jié)則屬于水平等級(jí)5，能夠考慮證據(jù)的可靠性與科學(xué)性，并合理使用證據(jù)。

3? ? 基于TAP模型的多角度證據(jù)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的新課實(shí)踐

3.1? ? 本節(jié)課傳統(tǒng)教學(xué)片段呈現(xiàn)和分析

下面我們以勻變速直線運(yùn)動(dòng)為例，在TAP模型的指導(dǎo)下進(jìn)行科學(xué)論證的課堂實(shí)踐。本節(jié)選自人教版（2019）普通高中教科書物理必修第一冊(cè)第二章《勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究》的第3節(jié)。本節(jié)是本章的教學(xué)難點(diǎn)，同時(shí)本節(jié)課的難點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系式的過(guò)程。對(duì)比了新舊版本教材，發(fā)現(xiàn)新教材對(duì)用微元求和思想推導(dǎo)公式部分做了調(diào)整，并沒(méi)有像舊版教材一樣在正文中出現(xiàn)，而是放在了節(jié)后的“拓展學(xué)習(xí)”部分。教科書這種留白的處理方式，可以理解為教師根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知層次，靈活掌握該推導(dǎo)方法的處理方式，對(duì)教師教學(xué)的實(shí)施是一種選擇與挑戰(zhàn)。對(duì)于公式的推導(dǎo)方法，傳統(tǒng)教學(xué)大致有兩種處理方式：

第一種方式是在保證大部分學(xué)生能夠理解的難度下，采用了v-t圖像中速度直線與時(shí)間軸所圍成三角形或梯形的面積求位移的遷移類比思想，教學(xué)片段流程如圖2所示。

總結(jié)：該種方法從物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖像面積表示位移，再到物體連續(xù)經(jīng)歷速率不同的勻速直線運(yùn)動(dòng)，v-t圖像面積也可以表示位移，從而類比推理得到勻變速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖像面積也可以表示位移，進(jìn)而得出位移-時(shí)間關(guān)系式。該教學(xué)流程的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于大部分學(xué)生難度適中，又留有空間讓有興趣、有能力的學(xué)生課后鉆研微元求和思想的推導(dǎo)方法。但是，不利于位移概念的架構(gòu)和深化，即使搭建了思維臺(tái)階——從特殊情況到一般情況的歸納論證推理過(guò)程，邏輯上雖然合乎情理，但是過(guò)程性豐富度和思想深刻性不夠，不利于學(xué)生推理論證思維能力的培養(yǎng)。

第二種方式像舊版教材一樣，新課教學(xué)直接采用微元求和思想推導(dǎo)公式，并貫穿以TAP模型論證教學(xué)的過(guò)程，公式的得出教學(xué)片段流程如圖3所示。

第二種論證流程是根據(jù)TAP模型歸納出來(lái)的主干部分，作為教師教學(xué)實(shí)施的常規(guī)模式。我們運(yùn)用TAP模型對(duì)上述教學(xué)片段流程進(jìn)行詳細(xì)分解與闡釋，讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)微元極限思想處理物理問(wèn)題的思維進(jìn)階過(guò)程，如表2所示。

總結(jié)：此教學(xué)方式變推導(dǎo)公式為理論探究公式，過(guò)程為“熟知模型，給出啟示（資料）”—“提出猜想，給出觀點(diǎn)”—“尋找證據(jù)，給出證明（根據(jù)、反駁）”—“觀點(diǎn)成立，得出結(jié)論（主張）”。此教學(xué)方式滲透了極限思想和微元求和思想（積分思想），同時(shí)又深化了位移的概念：位移是速度對(duì)時(shí)間的積累。教師以基本知識(shí)點(diǎn)為載體，注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)工作中的科學(xué)論證意識(shí)，以課題論證教學(xué)方式呈現(xiàn)，使學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)完整的科學(xué)論證過(guò)程，經(jīng)過(guò)演繹推理、邏輯論證使問(wèn)題得以解決，達(dá)到了發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、提升學(xué)科素養(yǎng)的目標(biāo)。很明顯此教學(xué)方式比第一種方式的教學(xué)生成科學(xué)論證能力效果要好。

但是，此教學(xué)過(guò)程也有不足，極限思想在必修1第一章瞬時(shí)速度的知識(shí)建構(gòu)進(jìn)行了理論滲透，接著在新課教學(xué)實(shí)驗(yàn)操作“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量瞬時(shí)速度”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)深化，在第一章的習(xí)題鞏固中又相繼用光電門、頻閃照片代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)一步遷移深化此思想方法?？紤]到高一新生學(xué)情特點(diǎn)，并不擅長(zhǎng)抽象的邏輯推理，雖然借助了v-t圖像形象呈現(xiàn)，但是這種做法較抽象和概括，對(duì)于一部分學(xué)生來(lái)說(shuō)難度還是比較大的。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，純邏輯推理的思維產(chǎn)物，科學(xué)性可能還存在疑問(wèn)。下面我們通過(guò)多種形式的實(shí)驗(yàn)論證，為上述的論證過(guò)程補(bǔ)充事實(shí)根據(jù)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)極限推理的科學(xué)性認(rèn)識(shí)。

3.2? ? 多方證據(jù)證明教學(xué)片段呈現(xiàn)和分析

本著發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維核心素養(yǎng)的目標(biāo)，不急于得出物理結(jié)論，教學(xué)時(shí)更需要注重推理過(guò)程的呈現(xiàn)和學(xué)生在該過(guò)程中科學(xué)推理論證能力的提升，注重課堂的自然生成和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)活動(dòng)的開展?？紤]到上文中反駁部分的誤差控制，我們?cè)O(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)極限推理觀點(diǎn)的科學(xué)性，下面通過(guò)三種教學(xué)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。對(duì)于該問(wèn)題的科學(xué)解決過(guò)程是不變的，但是在尋找證據(jù)的教學(xué)環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生給出多種方案（圖4）。

實(shí)驗(yàn)一，重物牽引下小車打下紙帶，學(xué)生可以從紙帶上選擇從點(diǎn)1至點(diǎn)6過(guò)程，計(jì)算出圖像中該過(guò)程所圍成的面積，和點(diǎn)1至點(diǎn)6的刻度尺所測(cè)位移進(jìn)行比較，誤差允許范圍內(nèi)二者相等，即打點(diǎn)計(jì)時(shí)器穩(wěn)定工作下，觀點(diǎn)得以證明（圖5）。

實(shí)驗(yàn)二，為進(jìn)一步提升論證的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，我們需要運(yùn)用更為先進(jìn)的光電門技術(shù)以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)物理量的精準(zhǔn)測(cè)量。如圖6所示，運(yùn)用光電門測(cè)重物牽引下小車經(jīng)過(guò)光電門1和光電門2的瞬時(shí)速度，學(xué)生選擇小車從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過(guò)程研究，將經(jīng)過(guò)光電門1、光電門2的速度和整個(gè)過(guò)程的時(shí)間標(biāo)在圖像中，計(jì)算“面積”和刻度尺測(cè)量光電門1和光電門2間的位移進(jìn)行比較，誤差允許范圍內(nèi)，觀點(diǎn)得以證明。

總結(jié)：核心素養(yǎng)引領(lǐng)下結(jié)合圖爾敏TAP論證模型進(jìn)行的教學(xué)優(yōu)化，教學(xué)呈現(xiàn)為“熟知模型，給出事實(shí)依據(jù)”—“提出猜想，給出觀點(diǎn)”—“尋找證據(jù)、理論和實(shí)驗(yàn)的多方證明”—“觀點(diǎn)成立，得出結(jié)論”—“實(shí)踐關(guān)聯(lián)，遷移拓展”的基本過(guò)程。教師有意培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)工作中的科學(xué)論證意識(shí)，使學(xué)生意識(shí)到理論證明和實(shí)驗(yàn)證明是解決物理學(xué)問(wèn)題常用的方法［6］。有的問(wèn)題可能需要多種方法并用，比如伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)就是“實(shí)驗(yàn)事實(shí)+合理推理”，使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中根據(jù)自己需要解決的問(wèn)題來(lái)合理尋找和使用證據(jù)，達(dá)到更高的論證能力水平層級(jí)。

本優(yōu)化教學(xué)流程是以科學(xué)思想和方法（極限思想和微元求和的方法）為抓手，注重科學(xué)思想和方法的滲透，注重推導(dǎo)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)論證意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜測(cè)，多方論證。首先用抽象的邏輯推理進(jìn)行證明，再分組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，實(shí)驗(yàn)不僅論證了“面積等于位移”觀點(diǎn)，也論證了微元求和方法的科學(xué)性，更易于遷移拓展推廣到一般的、更復(fù)雜的直線運(yùn)動(dòng)位移的求解，概括性更強(qiáng)。優(yōu)化后的教學(xué)方式多樣，能兼顧到大多數(shù)學(xué)生的學(xué)情程度，讓學(xué)生直觀感受物理求證的科學(xué)性，促進(jìn)其知識(shí)架構(gòu)和論證思維螺旋式上升發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)展物理觀念的同時(shí)鍛煉科學(xué)思維，真正提升學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)和規(guī)律進(jìn)行科學(xué)探究的能力，培養(yǎng)學(xué)生講求證據(jù)、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，達(dá)成學(xué)生核心素養(yǎng)的全面提升。

實(shí)驗(yàn)三作為課下興趣拓展，本文不再贅述。對(duì)于本單元的“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)課，我們?nèi)匀徊捎脠D爾敏TAP論證模型進(jìn)行新課教學(xué)的重構(gòu)（圖7）?！白杂陕潴w運(yùn)動(dòng)”是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的典型實(shí)例，新課標(biāo)既明確要求學(xué)生掌握自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又要求掌握“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與邏輯推理相結(jié)合”的科學(xué)思想方法，注重在課程教學(xué)中發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理論證能力，進(jìn)而達(dá)到發(fā)展學(xué)生學(xué)科科學(xué)思維的目標(biāo)。

部分教師對(duì)本單元的絕大部分處理是：在新課教學(xué)時(shí)急于拋出計(jì)算公式，緊接著在課堂上花大量時(shí)間應(yīng)用公式進(jìn)行做題訓(xùn)練，這其實(shí)是本末倒置的。我們教師教學(xué)實(shí)施當(dāng)中更應(yīng)該將課堂重點(diǎn)放在架構(gòu)知識(shí)的過(guò)程和科學(xué)思想方法上，進(jìn)而設(shè)計(jì)出多樣的學(xué)生課堂活動(dòng)，使學(xué)生潛移默化地達(dá)到知識(shí)的深化和思維的進(jìn)階發(fā)展，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，助力落實(shí)核心素養(yǎng)。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

基于新教材、新課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)作用以及物理學(xué)科的特點(diǎn)，教師教學(xué)應(yīng)以學(xué)生為中心，讓其經(jīng)歷培養(yǎng)物理科學(xué)思維能力的過(guò)程，最終落實(shí)到物理教學(xué)任務(wù)，提倡在教學(xué)中經(jīng)常從學(xué)生的角度出發(fā)不斷反思和優(yōu)化教學(xué)。在物理教學(xué)中，在引導(dǎo)學(xué)生建立模型之后，用自己掌握的知識(shí)和方法解決未知問(wèn)題時(shí)，需要引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)事實(shí)和所學(xué)大膽給出觀點(diǎn)，并用多種方法尋找證據(jù)支撐，培養(yǎng)用已知解決未知的論證與創(chuàng)新能力，以提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2024-01-04

作者簡(jiǎn)介：林云強(qiáng)（1990-），男，中學(xué)一級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)與高考試題研究。

*通信作者：楊師杰（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事凝聚態(tài)物理與物理教材編寫研究。