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)過程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題時(shí)的證據(jù)意識和科學(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；TAP論證模型；新課教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：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)識事物的方式，其目標(biāo)是認(rèn)識客觀事物的本質(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)識目標(biāo)，要對所獲得的直接證據(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)識方式［2］。科學(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)論的過程。在科學(xué)探究中，不僅要關(guān)注證據(jù)獲取的過程，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)得出萬有引力定律。愛因斯坦在兩個(gè)假說的基礎(chǔ)上，經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出相對論時(shí)空觀，后來高速運(yùn)動(dòng)的粒子壽命變長現(xiàn)象成了驗(yàn)證相對論時(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)果也對相對論理論進(jìn)行了宏觀驗(yàn)證，建立起物理學(xué)發(fā)展史又一大廈?？v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)對于科學(xué)論證要素明確指出，通過高中物理課程的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生對科學(xué)證據(jù)的使用意識和評估能力，并且能靈活運(yùn)用科學(xué)證據(jù)對研究的問題進(jìn)行建模描述、分析闡釋和推理預(yù)測。

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

2.1? ? 科學(xué)論證評價(jià)內(nèi)容及水平劃分

對《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，即推理過程；主張是基于物理問題的描述作出判斷，形成觀點(diǎn)；限定是主張觀點(diǎn)成立的限制條件；支援是指對推理過程的支援式陳述，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對反面觀點(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1，能夠在區(qū)分觀點(diǎn)與證據(jù)的基礎(chǔ)上給出自己對某一問題的證據(jù)；有根據(jù)參與的主張環(huán)節(jié)相當(dāng)于水平等級3，能夠恰當(dāng)使用證據(jù)來表達(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4，能夠恰當(dāng)使用證據(jù)來證明自己的觀點(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)系式的過程。對比了新舊版本教材，發(fā)現(xiàn)新教材對用微元求和思想推導(dǎo)公式部分做了調(diào)整，并沒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，對教師教學(xué)的實(shí)施是一種選擇與挑戰(zhàn)。對于公式的推導(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程，邏輯上雖然合乎情理，但是過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題的思維進(jìn)階過程，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：位移是速度對時(shí)間的積累。教師以基本知識點(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，以課題論證教學(xué)方式呈現(xiàn)，使學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)相對完整的科學(xué)論證過程，經(jīng)過演繹推理、邏輯論證使問題得以解決，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)過程也有不足，極限思想在必修1第一章瞬時(shí)速度的知識建構(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。考慮到高一新生學(xué)情特點(diǎn)，并不擅長抽象的邏輯推理，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，對于一部分學(xué)生來說難度還是比較大的。對他們來說，純邏輯推理的思維產(chǎn)物，科學(xué)性可能還存在疑問。下面我們通過多種形式的實(shí)驗(yàn)論證，為上述的論證過程補(bǔ)充事實(shí)根據(jù)，增進(jìn)學(xué)生對極限推理的科學(xué)性認(rèn)識。

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)更需要注重推理過程的呈現(xiàn)和學(xué)生在該過程中科學(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，我們設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)極限推理觀點(diǎn)的科學(xué)性，下面通過三種教學(xué)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。對于該問題的科學(xué)解決過程是不變的，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過程，計(jì)算出圖像中該過程所圍成的面積，和點(diǎn)1至點(diǎn)6的刻度尺所測位移進(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)測量。如圖6所示，運(yùn)用光電門測重物牽引下小車經(jīng)過光電門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的過程研究，將經(jīng)過光電門1、光電門2的速度和整個(gè)過程的時(shí)間標(biāo)在圖像中，計(jì)算“面積”和刻度尺測量光電門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，使學(xué)生意識到理論證明和實(shí)驗(yàn)證明是解決物理學(xué)問題常用的方法［6］。有的問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)自己需要解決的問題來合理尋找和使用證據(jù)，達(dá)到更高的論證能力水平層級。

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)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)論證意識，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜測，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）。“自由落體運(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)知識的過程和科學(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

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，用自己掌握的知識和方法解決未知問題時(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

作者簡介：林云強(qiáng)（1990-），男，中學(xué)一級教師，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。