融合科學論證的高中物理教學策略

潘錦峰 林欽

摘? ?要：論證和辯論普遍存在于科學事業(yè)中。在物理課堂上，學生的論證活動卻普遍缺失。國內外大量的研究表明，提供學生參與科學論證活動的機會，可以促進其對物理知識的理解，提高科學推理的能力。文章從科學論證的內涵和組成要素出發(fā)，闡述了科學論證活動對物理教學的重要性，提出提升學生科學論證能力的教學策略。

關鍵詞：科學論證;物理教學;教學策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0065-4

2018年教育部頒布的《普通高中物理課程標準（2017版）》中，在原先“三維目標”的基礎上，提出了四個維度的物理學科核心素養(yǎng)，其中“科學思維”這一維度下強調了科學論證的重要性。如何在物理教學實踐中培養(yǎng)中學生的科學論證能力引起了廣泛的重視。

然而研究發(fā)現(xiàn)，在我國的中學物理課堂中，論證活動仍以教師為主，學生通過論證活動發(fā)展科學思維的機會較少[1]，同時相當一部分教師對科學論證的認識存在偏差，缺乏論證教學的理論指導和實踐策略[2]。本文試圖從對科學論證的認識出發(fā)，結合高中物理的學科特點，以平拋運動的教學為例，探討并提出有針對性的教學策略，以促進學生科學論證能力的發(fā)展。

1? ? 科學論證的兩種類型

論證是指利用一些證據(jù)來支持自己或反對他人主張的過程[3]。Toulmin通過分析一系列文本中的論證，提出了開創(chuàng)性的論證模型。Osborne基于Toulmin的論證模型進一步將科學論證分成建構（construction）和批判（critique）兩種類型。根據(jù)他的觀點，科學論證被定義為，以科學知識作為支撐，建構或批判證據(jù)與主張間的聯(lián)系[4]。Osborne的科學論證模型如圖1所示，其中，建構證據(jù)與主張間聯(lián)系的過程就是科學推理的過程。以“自由落體運動”為例，“自由落體運動是勻加速運動”是要進行論證的主張，支持該主張的證據(jù)是做自由落體運動物體的頻閃照片。假設兩次閃光間的時間間隔為T，通過測量可以得到1T內、2T內、3T內…NT內的位移比為12： 22： 32： …： N2，僅僅拿出證據(jù)不夠，還需要運用所學的科學知識說明該證據(jù)是如何支持主張的。由從靜止開始做勻加速直線運動的位移公式s=■at2可知，做勻變速直線運動的物體位移與時間的平方成正比，因此上述主張成立，即自由落體運動是勻變速直線運動。

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圖1? 科學論證模型及其組成要素

而科學論證的另一種類型——批判，是嘗試去識別一個論證中的缺陷，可以是指出證據(jù)的不充分，也可以是指出推理過程中存在的錯誤。下面以2016年北京市高考題為例，闡述科學論證中批判類型的特點。

北京卷2016年第21題：

某同學想用下述方法研究機械能是否守恒：在紙帶上選取多個計數(shù)點，測量它們到起始點O的距離h，計算對應計數(shù)點的重物速度v，描繪v2-h圖像，并作如下判斷：若圖像是一條過原點的直線，則重物下落過程中機械能守恒。請你分析論證該同學的判斷依據(jù)是否正確。

該小題對應的是Osborne科學論證類型中的批判類型。

首先，考生需要明確他人論證中的主張：若v2-h圖像是一條過原點的直線，則重物下落過程中機械能守恒。

接著，考生要分析出他人提出該主張的推理過程：根據(jù)動能定理得mgh-fh=■mv2-0，進一步得到v2=2（g-f/m）h。

最后，指出該論證中存在的缺陷：若想驗證機械能守恒，v2-h圖不僅要是一條過原點的直線，并且其斜率還要接近2g。

從該題可以看出，批判類型比建構類型對學生思維能力的要求更高，在批判活動中，學生需要分析出他人論證的各部分以及其中的缺陷，有時還要提出反論證，將雙方對某一個問題的認識向前推進。因此，學習者想要對整個物質世界建立更深刻的理解，批判的過程是至關重要的，可以說批判在科學思維中占據(jù)中心地位。

2? ? 科學論證活動在物理教學中的重要性

2.1? ? 促進對科學本質的認識

科學不僅僅是大量知識，反映人們對物質世界的理解;科學同時也是一系列以論證為基礎的活動，在這些活動中，人們修正先前的觀念，發(fā)展新的知識。物理學史研究表明，一個新的理論剛開始往往很難被公眾接受，例如哥白尼的地心說或者愛因斯坦的相對論，這些理論經歷長時間的檢驗和論證，不斷有新的證據(jù)涌現(xiàn)出來，才逐漸得到科學共同體的廣泛認同。在反復論證的過程中，科學保持了它的客觀性。在課堂上，科學常常被描繪成一系列前人創(chuàng)造的知識，以學科內容的形式呈現(xiàn)給學生去記憶，而不是將科學視為學生和教師共同建構的觀念[5]。然而，當學生在進行科學論證活動時，他們通過修正原有觀念來發(fā)展新的觀念，這個過程中，他們在創(chuàng)造和批判知識，而不是被動地接受別人構建的知識[6]。這幫助學生認識到科學知識是可以被修正的，意識到證據(jù)和理性對于科學的重要性，達到對科學本質的理解。

2.2? ? 促進科學思維的發(fā)展

Kuhn提出“科學即論證”這一觀點，她認為科學思維植根于日常生活之中。科學家的深刻思維是從孩童時期的樸素思維發(fā)展而來的，因此必然有一種思維方式同時存在于科學家和普通人之中，這種思維方式即論證思維。不管是在科學事業(yè)還是日常生活中，科學家和普通人都傾向于用證據(jù)和推理批判他人的觀點，以及辯護自己的主張[7]。此外，在科學論證活動中，學生不僅要提出可靠的證據(jù)，更重要的是體驗建立證據(jù)到主張的推理過程，科學推理是科學論證的內核。因此，科學論證活動可以推動學生的科學思維向更高層次發(fā)展。

2.3? ? 促進對物理概念和規(guī)律的認識

在科學教育中，學習者使用一種新的語言來表征和描繪客觀世界。因此，掌握科學思維的過程與學會一門語言的過程很相似，二者都必須通過反復的運用才能得以實現(xiàn)。學習者不僅需要聽到專家們的論述，他們更需要親自去運用科學概念以獲得更深刻的理解。Driver認為，科學論證活動需要以物理概念和規(guī)律為支撐，支持或質疑對自然現(xiàn)象的解釋、探究活動的設計、模型的構建等，在與他人對話論證的過程中，學生建構和重構科學知識，自身前概念可以得到有效地轉變[8]。

2.4? ? 促進交流合作的意識與能力

當科學家們在實施研究時，他們和同事之間頻繁地交流，他們交換電子郵件，參加學術討論會，通過期刊和書籍呈現(xiàn)和回應想法。簡言之，科學家構成一個共同體，成員們合作尋找證據(jù)，建構和檢驗理論。在科學論證活動中，學習者經歷與科學家相似的過程，他們提出和支持自己的主張，同時也評價和批判他人的觀點，在對話與辯論中，最終對某一問題達成一致的意見。在這一過程中，學生逐漸學會去聆聽他人的觀點，學會在與他人的合作中解決問題。

3? ? 促進學生科學論證能力的教學策略

下面以高中物理必修二中平拋運動的相關教學為例，闡述高中物理教學中融合科學論證的教學策略。

3.1? ? 設計科學論證活動，深化物理觀念

我國物理常態(tài)課教學中，教師在大多數(shù)情況下代替學生進行論證，究其原因在于教師培養(yǎng)學生論證能力的意識不足，以及沒能設計相關的教學活動。弭樂在研究物理教師角色變化對學生論證表現(xiàn)的影響時發(fā)現(xiàn)，當教師處于傳統(tǒng)的知識傳遞者角色時，學生話語中的論證元素較少，論證表現(xiàn)水平也較低;而當教師利用多種角色建立論證式話語時，比如批判學生論證的教練者角色以及激發(fā)學生想法的參與者角色，學生展現(xiàn)了更高水平的認知思維[9]。因此，物理課堂教學中，教師可以創(chuàng)設基于真實情境的問題，將科學論證的元素顯性地融入其中，通過課堂話語引導學生完成論證過程。

在人教版“平拋運動”這一章節(jié)中，教材根據(jù)牛頓第二定律，通過理論推導得到平拋運動豎直方向上的分運動是自由落體運動，而沒有從實驗角度加以驗證。筆者設計以下教學活動，促進學生科學論證表現(xiàn)的同時，加深學生對這一物理概念的理解。

活動1：教師通過平拋運動演示器，讓兩小球同時做自由落體運動和平拋運動，引導學生觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)小球同時落地。

提出問題1：這個證據(jù)是否支持“平拋運動的豎直分運動是自由落體運動”這一主張？

活動2：教師改變實驗裝置的離地高度，多次實驗，學生觀察到兩小球總是同時落地。

提出問題2：改進實驗后得到的證據(jù)是否支持上述主張？

活動3：教師展示兩個小球同時開始分別做自由落體運動和平拋運動的頻閃照片，從照片可以看出兩個小球在同一時刻的高度始終相同。

提出問題3：該照片顯示的證據(jù)是否支持上述主張？

在這三個教學活動中，教師明示出論證中的“證據(jù)”和“主張”部分，學生需要通過頭腦中已有的知識建構二者間的聯(lián)系，這也是科學論證的核心部分。通過這三個提問可以培養(yǎng)學生具有使用科學證據(jù)的意識，學會評估不同證據(jù)間的效力。學生在完成論證的過程中，訓練了自身運用證據(jù)對研究問題進行描述、解釋和預測的能力，同時也加深了對運動的合成與分解這一原理的理解。

3.2? ? 引入合作論證教學，改善實驗教學

我國物理實驗課普遍存在“菜譜式”的教學，學生只需按照課本或者實驗冊上現(xiàn)成的步驟進行實驗，因此學生間的交流合作失去了依托，常常出現(xiàn)一個人做另一個人看的現(xiàn)象。針對此問題，我們可以采用合作論證模式改進實驗教學。首先，教師提出有利于開展科學論證活動的探究問題;接著，每個小組的成員間交流合作，寫出探究方案，這個過程中，組員需要論證自己方案的合理性以及批判他人方案中的缺陷，最終達成一致的意見;最后，教師選取若干小組展示探究方案的論證過程，并提出合適的修改意見，最終全班達成一致的方案。

在人教版“研究平拋運動”這一節(jié)實驗課中，學生通過適當方法得到平拋運動的軌跡后，只需計算小球的初速度，將實驗探究過程變成了計算題，削弱了對學生思維的培養(yǎng)。教師可以通過以下改進后的探究問題，組織學生的合作論證活動。

探究問題：已知平拋運動在豎直方向的分運動是自由落體運動，請你通過合適的方法得到小球平拋運動的軌跡，并確定水平分運動的規(guī)律。

筆者選擇如下兩個方案的小組，讓他們向全班進行展示：

小組1：假設水平分運動為勻速直線運動，從拋出點起取水平位移間隔相等的點，看這些點間的豎直位移之比是否滿足1∶3∶5…。

小組2：已知豎直分運動是自由落體運動，因此可以從拋出點起，取豎直位移間隔之比為1∶3∶5…的點，再看這些點間的水平位移是否近似相等。

經過全班的討論達成一致意見：由于實驗誤差的存在，根據(jù)小組1的方案難以得到恰好的奇數(shù)比規(guī)律。相比之下，小組2的方案更易于操作。由此可見，合作論證式教學的前提和核心是確立一個適當?shù)奶骄繂栴}，學生針對此問題，通過交流和論證得到一致的探究方案，在這個過程中，學生的合作意識和科學論證能力都得到了提升。

3.3? ? 設計寫作論證任務，優(yōu)化習題布置

郭曉丹通過對人教版高中物理教科書課后習題的分析，發(fā)現(xiàn)習題類型單一會導致對學生物理思維能力培養(yǎng)不足，建議開發(fā)有利于拓展學生寫作能力的習題[10]。相比選擇題，科學論證寫作題需要學生以物理知識和推理能力為支撐，建構正確的答案或批判他人的答案。因此，科學論證題既能檢測學生的科學論證能力，也能了解學生對學科知識的掌握情況。下面是筆者以“平拋運動”為知識背景設計的一道科學論證寫作題。

科學論證寫作題：圖2是一張小球做平拋運動的頻閃照片，某同學根據(jù)小球在相同時間內在豎直方向上的位移越來越大，得出結論“平拋運動的豎直分運動是勻加速運動”。請你分析論證該同學的判斷依據(jù)是否正確，并分析根據(jù)圖中所給的數(shù)據(jù)能否推出他的結論。

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圖2? 小球做平拋運動的頻閃照片

分析題意可知，該同學“平拋運動的豎直分運動是勻加速運動”的主張是正確的，但是該同學推出這一主張的證據(jù)“相同時間內在豎直方向上的位移越來越大”是不充分的。相當一部分學生給出的論證是“小球在豎直方向只受重力，且初速度為零，所以做的是自由落體運動”。然而，根據(jù)圖2中所給的數(shù)據(jù)，豎直方向上通過的位移與時間的平方成正比，可以推出豎直分運動是由靜止開始的勻加速運動，但是無法進一步推出是自由落體運動。這說明學生傾向從大腦中已有的認知出發(fā)構建論證，缺乏運用證據(jù)支持觀點的意識?？梢?，科學論證類習題能有效檢測出學生認知中的不足，促進學生對物理概念和規(guī)律的理解。

4? ? 結? 語

物理學科核心素養(yǎng)要落實到具體的教學中，結合教學內容特點，合理設計科學論證活動，可以改善概念規(guī)律課、實驗課和習題課教學，從而提高學生的科學論證能力，促進科學思維的發(fā)展。

參考文獻：

[1]張艷香，魏昕.促進學生物理論證能力發(fā)展的策略研究[J]. 課程·教材·教法， 2016（3）：122-127.

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[3]Kuhn D. Teaching and Learning Science as Argument[J]. Science Education， 2010， 94（3）：810-824.

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[5]National Science Council. A framework for K-12 science education： practices， crosscutting， and core ideas[M]. Washington D C： National Academy Press， 2011.

[6]Schwarz C， Reiser B. Helping Students Make Sense of the World[M]. Virginia： NSTA Press， 2017.

[7]Kuhn D. Science as Argument[J]. Science Education， 1993， 77（3）：319-337.

[8]Driver R， Newton P， Osborne J. Establishing the Norms of Scientific Argumentation in Classrooms[J]. Science Education， 2000， 84（3）：287-312.

[9]弭樂，郭玉英.科學論證教學中教師提問角色的變化及其對學生口頭論證表現(xiàn)的影響研究[J].教師教育研究， 2018，30（4）：65-72.

[10]郭曉丹.高中物理教科書中的課后習題設計研究及編寫建議[J].物理教師，2016，37（9）：29-31.

（欄目編輯? ? 張正嚴）