提升學(xué)生科學(xué)論證能力的課堂教學(xué)實(shí)踐案例

張春麗 袁光秀

摘 要：本文基于《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的學(xué)科核心素養(yǎng)和相關(guān)理論，以“重力勢能”這節(jié)概念課為例，通過若干教學(xué)片斷，呈現(xiàn)了提升學(xué)生科學(xué)論證能力的物理課堂所具備的特征，為中學(xué)物理開展論證教學(xué)提供了參考案例。

關(guān)鍵詞：提升；科學(xué)論證能力；教學(xué)實(shí)踐；案例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）9-0004-4

2017年底，我國教育部頒布了最新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)明確提出“科學(xué)思維”是物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，并進(jìn)一步說明“科學(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?！翱茖W(xué)論證”首次明確寫進(jìn)我國的物理課程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中?；诳茖W(xué)論證的重要地位，采用論證方式展開教與學(xué)的活動，已成為當(dāng)前國際科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)。但是在我國，將論證教學(xué)應(yīng)用于科學(xué)教育的研究才剛剛起步。前不久，筆者主持的一節(jié)區(qū)級研究課“重力勢能”對此進(jìn)行了些許嘗試。

1 理論依據(jù)與設(shè)計初衷

近年來，越來越多的科學(xué)教育研究者發(fā)現(xiàn)了科學(xué)論證在科學(xué)教育中的重要性。希門尼斯曾指出：科學(xué)探究作為一種為了理解自然世界而生產(chǎn)、辯護(hù)知識和信念的行動，論證尤其發(fā)揮著重要的作用[2]。隨著各國教育界對科學(xué)探究的深入研究，“論證”被提到了科學(xué)教育中相當(dāng)重要的位置。美國國家研究委員會于2013年發(fā)布的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中又一次明確將“基于證據(jù)的論證”列為從幼兒園到十二年級科學(xué)教育中的八種基本實(shí)踐之一。也有研究顯示，學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)必須由教師有針對地進(jìn)行。當(dāng)前科學(xué)教育中開展論證活動最重要的理論基礎(chǔ)是圖爾敏論證模式[3]。

1.1 圖爾敏論證模式

圖爾敏論證模式包含資料、主張、理由、支持、限定條件、反駁六個要素，其論證過程的模式如圖1所示。

在該論證模式中，“資料”即論證由之開始的材料或信息；“主張”即一項斷言或斷定，是指論證者陳述的、試圖在論證中證明為正確的結(jié)論；“理由”即說明如何由資料或數(shù)據(jù)通過推理進(jìn)而得到一項結(jié)論或主張；“支持”是指在論證過程中所依據(jù)的法則、條文、原理、理論或定律公式等，是眾人能接受的通則，用以證明提出主張的理由；“限定條件”即表明該論證主張是正確的前提條件；“反駁”即主張不能成立的情況，也稱“反例”。

1.2 Erduran等的科學(xué)論證能力表現(xiàn)評價框架[4]

在科學(xué)論證能力的研究上，比較有影響的還有Erduran等提出的以反駁為主要結(jié)構(gòu)要素的科學(xué)論證表現(xiàn)評價框架，包含5個水平，如表1所示。

該評價框架從“反駁”這一要素的層面，為論證活動的開展和實(shí)施提供了很好的參考。

1.3 “重力勢能”的設(shè)計初衷

從知識建構(gòu)的角度看：重力勢能這一概念的建立一直是高中物理教學(xué)的一個難點(diǎn)，這一難點(diǎn)解決不好，不僅對接下來動能概念的建立不利，而且對后續(xù)電勢能、分子勢能等“勢能”這一大概念的建立也非常不利；從認(rèn)知邏輯的角度看：教材基本上是通過理論推理的方式得到“mgh”這一重力勢能的表達(dá)式。但為什么能夠采取這樣的方式，以及采取這種方式的“限定條件”是什么等等，都要求學(xué)生具備較高的推理論證能力，所以本節(jié)課一直是教學(xué)實(shí)操中的一個困難點(diǎn)。

基于此，筆者嘗試以上述理論為基本依據(jù)，主要采用科學(xué)論證的方式來推進(jìn)教學(xué)，希望能突破這一教學(xué)難點(diǎn)，同時在概念課的教學(xué)中探索論證教學(xué)的特征。

2 精設(shè)核心問題——突出“提煉觀點(diǎn)、依據(jù)事實(shí)”的基本素養(yǎng)

精心設(shè)置核心問題在科學(xué)論證的過程中有著非常重要的作用，這也是影響學(xué)生提煉自我“觀點(diǎn)”的主要因素，而提煉“觀點(diǎn)”的背后必須有一定的“事實(shí)證據(jù)”作為“理由”來“支持”。物理學(xué)是一門實(shí)證性很強(qiáng)的學(xué)科，養(yǎng)成“基于證據(jù)提出觀點(diǎn)和主張”的習(xí)慣，是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中應(yīng)當(dāng)逐步形成的基本素養(yǎng)。

教學(xué)片斷：你認(rèn)為物體的重力勢能可能與哪些因素有關(guān)？有哪些事實(shí)依據(jù)可以支持你的觀點(diǎn)？

在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，基于初中的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生基本上都能猜想到重力勢能可能會與物體的質(zhì)量以及物體所處的高度有關(guān)，只是還不太習(xí)慣明確地表達(dá)并解釋自己的觀點(diǎn)。在教師讓學(xué)生提供支持自己觀點(diǎn)的事實(shí)依據(jù)時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生一開始明顯有點(diǎn)不太適應(yīng)“提供事實(shí)依據(jù)”的做法，但讓學(xué)生 “互相講事實(shí)依據(jù)”時，學(xué)生就活躍了。在接下來的學(xué)生代表展示環(huán)節(jié)中就表現(xiàn)得比較理想了，有學(xué)生根據(jù)日常的觀察舉出了一些事例，也有學(xué)生做了簡單的實(shí)驗來說明。例如，有學(xué)生提供的實(shí)驗方案如下：在透明的容器中放入細(xì)沙，讓質(zhì)量相同的砝碼，從不同高度下落，砝碼陷入細(xì)沙的深度不同，說明重力勢能與物體所處的高度有關(guān)；讓質(zhì)量不同的砝碼，從相同高度下落，砝碼陷入細(xì)沙的深度也不同，說明重力勢能與物體自身的質(zhì)量也有關(guān)。

在上述教學(xué)片段中，教師并沒有直接或間接地呈現(xiàn)相關(guān)資料，而是需要學(xué)生自己根據(jù)問題，通過自主搜尋材料或設(shè)計實(shí)驗，尋求支持自己“觀點(diǎn)”的“事實(shí)證據(jù)”。顯然，學(xué)生在解決這一問題的過程中，自然而然地習(xí)得了一種基于“事實(shí)證據(jù)”進(jìn)而提出“觀點(diǎn)”的科學(xué)探究習(xí)慣。同時，也為后續(xù)“探尋重力勢能的定量表達(dá)式”提供了初始的寶貴“資料”和“證據(jù)”。

3 精設(shè)遞進(jìn)問題——彰顯“邏輯論證、深入推理”的思維過程

學(xué)生在一定的事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上初步提出了觀點(diǎn)，但對一門精深的科學(xué)而言，僅僅有這些是不夠的，還需要在事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)之間能夠建立起科學(xué)的邏輯關(guān)系鏈，即整合學(xué)科知識（包括事實(shí)性知識、概念性知識和元認(rèn)知知識[5]）、聯(lián)結(jié)事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)，且能夠順利完成事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)之間的多步或多維推理，使之更進(jìn)一步走向定量和精準(zhǔn)。也只有親歷了這樣逐步深入的推理論證過程，才能使學(xué)生更加充分地體驗到科學(xué)思維的縱深精妙與寬廣無垠。

然而，對于高一的學(xué)生來講，直接面對這樣一個復(fù)雜的問題，學(xué)生往往難以招架，不易形成清晰的邏輯論證過程，這也是本課教學(xué)困難的原因之一。為此，我們在實(shí)操中對教材的論證過程進(jìn)行了拆分和改進(jìn)，基于問題難度的逐步遞進(jìn)和邏輯認(rèn)識的逐步深入，通過精心設(shè)置兩個遞進(jìn)式的問題，分層論證、逐步深入，以此來展開我們的論證教學(xué)。

教學(xué)問題1：如圖2所示，物體從某一高度沿兩種不同的路徑下落到另一高度，你認(rèn)為重力所做的功相同嗎？請對你的觀點(diǎn)予以論證。

主要論證過程：物體沿豎直直線運(yùn)動的過程中重力做的功為WG=mgh=mgh1-mgh2

物體沿傾斜直線運(yùn)動過程中重力做的功為

教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在論證物體沿傾斜直線運(yùn)動過程中重力做的功仍為“mgh1-mgh2”時并不十分順暢，所以單列這一步的推理論證是十分必要的。確保學(xué)生順利“通過這一關(guān)”，也為下一環(huán)節(jié)“微元法”的應(yīng)用、“由特殊到一般的歸納推理”以及對結(jié)論的“普遍性進(jìn)行質(zhì)疑”等環(huán)節(jié)做好論證的充分準(zhǔn)備。

教學(xué)問題2： 在圖2情境下所得的結(jié)論 “重力做功與物體運(yùn)動的路徑無關(guān)，只與始末位置的高度有關(guān)”。這是一個普適結(jié)論嗎？請對你的觀點(diǎn)予以論證。

圖2所示的僅僅為兩種情況，由此歸納得出的結(jié)論“重力做功與物體運(yùn)動的路徑無關(guān)，只與始末位置的高度有關(guān)”，其“限定條件”是否只對這兩種情況成立？該結(jié)論是否是一個普適結(jié)論？對此提出“質(zhì)疑”正是良好科學(xué)素養(yǎng)的體現(xiàn)。由于是新概念課，學(xué)生很難自主質(zhì)疑，因此，我們在教學(xué)設(shè)計時就事現(xiàn)預(yù)設(shè)了較為深入的“質(zhì)疑環(huán)節(jié)”，“逼迫”學(xué)生“想方設(shè)法”來論證這一結(jié)論的普適性，并由此進(jìn)入到更深一層次的論證過程，學(xué)生也隨之進(jìn)入到深度思維的階段。

在此“質(zhì)疑”環(huán)節(jié)，“逼迫”學(xué)生“不得不”在任意路徑下進(jìn)行論證。如圖3所示，學(xué)生“不得不”假設(shè)這個物體沿任意路徑由高度是 h1 的起點(diǎn) A運(yùn)動到高度是 h2 的終點(diǎn) B。先讓學(xué)生在比較充足的時間里進(jìn)行一番“獨(dú)立思考”，學(xué)生在一番“苦思冥想而不解”之時，教師適當(dāng)啟發(fā)：可否在教學(xué)問題1中結(jié)論的基礎(chǔ)上展開？可否嘗試曾經(jīng)使用過的微分思想“化曲為直”？之后再放開讓學(xué)生“交流碰撞”。教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生之間的討論非常熱烈和興奮。最后，學(xué)生“不得不”根據(jù)學(xué)過的微元法把整個路徑分成許多很短的間隔AA1、A1A2、A2A3 ……討論之后，學(xué)生代表在展示講解中，普遍能呈現(xiàn)出依據(jù)清晰、條理分明的邏輯推理過程。

主要論證過程：如圖3所示，把整個路徑分成許多很短的間隔：AA1、A1A2、A2A3……由于每一段都很小，因而都可以近似地看作一段傾斜的直線。設(shè)每段小斜線的高度差分別是Δh1、Δh2、Δh3……則物體通過每段小斜線時重力做的功分別為mgΔh1、mgΔh2、mgΔh3……物體通過整個路徑時重力做的功等于重力在每小段上所做的功的代數(shù)和，即

在發(fā)現(xiàn)了WG=mgh1-mgh2是一普遍結(jié)論后，綜合前述的“觀點(diǎn)”“事實(shí)證據(jù)”、功能關(guān)系以及量綱等“理由”，初步得出可以把“mgh”定義為重力勢能。在此基礎(chǔ)上，再展開相應(yīng)的教學(xué)，突出在重力做功的過程中物體與地球系統(tǒng)就會釋放“內(nèi)蘊(yùn)的勢能”；反之，外界克服重力做功的過程，就會消耗外部能量使得物體與地球系統(tǒng)“內(nèi)蘊(yùn)的勢能”增加。

4 重視逆向思維——激發(fā)“反駁、拓展論證”的深度教學(xué)

近年來反駁維度已成為科學(xué)論證教學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，該環(huán)節(jié)也是我們當(dāng)前教學(xué)中容易缺失的環(huán)節(jié)。隨著反駁數(shù)量和反駁顯化程度的提升，教學(xué)的層次也將隨之逐步深入，教學(xué)的視域也隨之打開，此時的教學(xué)生成往往會大大出乎教師的預(yù)期。

反駁是一種常見的思維方式，又稱逆向思維，逆向思維也叫求異思維，它是對司空見慣的似乎已成定論的事物或觀點(diǎn)反過來思考的一種思維方式。逆向與正向?qū)α?，正向思維往往是常規(guī)的、常識的、公認(rèn)的或習(xí)慣的想法與做法；逆向思維則恰恰相反，是對傳統(tǒng)、慣例、常識的反叛，是對常規(guī)的挑戰(zhàn)，它能夠克服思維定勢，破除由經(jīng)驗和習(xí)慣造成的僵化的認(rèn)識模式。敢于“反其道而思之”，讓思維向?qū)α⒚娴姆较虬l(fā)展，從問題的相反面深入地進(jìn)行質(zhì)疑和探索，樹立新的思想，往往會有重大的新發(fā)現(xiàn)。在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后，法拉第正是采用逆向思維，既然“電可以生磁”，那么反過來“磁可以生電”嗎？也正是這一“逆向思維”促進(jìn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的偉大發(fā)現(xiàn)。

本節(jié)課在得出了把“mgh”定義為重力勢能之后，我們進(jìn)一步開拓教學(xué)的縱向深度，把論證推向一個高潮，即從建立概念的“限定條件”出發(fā)進(jìn)行旗幟鮮明的 “反駁”。由于學(xué)生還不太習(xí)慣這種教學(xué)方式，所以我們基于教材，直接預(yù)設(shè)了兩個漸次深入的問題來展開“反駁”和“拓展論證”，以幫助學(xué)生對“重力勢能”這一概念的深入理解，同時也為后續(xù)學(xué)習(xí)電勢能、分子勢能等“勢能”這一大概念奠定良好的認(rèn)知基礎(chǔ)。

教學(xué)問題1：假如“重力做功與物體運(yùn)動路徑有關(guān)”，我們還能定義“重力勢能”這一概念嗎？請對你的觀點(diǎn)予以論證。

教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生對功能關(guān)系的認(rèn)知還不是十分到位，再加上學(xué)生對論證的各種方法在物理問題中的應(yīng)用還不太習(xí)慣，所以學(xué)生對這一問題的應(yīng)對普遍不太理想，學(xué)生在一開始很難找到較滿意的論證依據(jù)和論證方法。在教師的不斷啟發(fā)下，學(xué)生的思維逐步活躍起來。比如，有些小組就發(fā)現(xiàn)比較好的論證方式是“反證法”。

主要論證過程：設(shè)物體從某一位置A運(yùn)動到另一位置B ，假如“重力做功與物體的路徑有關(guān)”，由于物體沿著不同的路徑重力所做的功不同，那么重力勢能的改變量也就會不同。選擇B位置為重力勢能的參考平面，則物體在同一位置A所具有的重力勢能的數(shù)值，就會隨著路徑的不同而各不相同，重力勢能不再“唯一”，具有不確定性，也就無法確切定義重力勢能的概念了。

教學(xué)問題2：教材為什么沒有定義“摩擦力勢能”的概念呢？能定義“摩擦力勢能”的概念嗎？請分析說明你的觀點(diǎn)。

該問題實(shí)質(zhì)上是在教學(xué)問題1的基礎(chǔ)上進(jìn)行的又一次“拓展論證”。由于學(xué)生對勢能的理解已經(jīng)有了一定的深度，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在該問題的討論中，異?；钴S，話語豐富，學(xué)生在一番“思維碰撞”后，各討論小組基本上都能給出較為理想的“觀點(diǎn)”和“理由”，論證過程的層次性也較強(qiáng)：先給出兩種（或幾種）不同路徑，證明摩擦力所做的功隨著路徑的改變而不同；接著說明“摩擦力勢能”的變化不同；最后說明“摩擦力勢能”的數(shù)值不唯一，具有不確定性，因而無法定義“摩擦力勢能”。

相信經(jīng)過這一系列的論證教學(xué)之后，學(xué)生對“重力勢能”以及“勢能”這一大概念會有較為深入的理解。

5 結(jié) 語

基于科學(xué)論證能力提升的物理課堂教學(xué)實(shí)踐，要求結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，關(guān)注論證的各要素，合理采用論證的方式展開教學(xué)，對廣大物理教師來說，還需要進(jìn)一步探索。我們期待在本輪課程改革中能涌現(xiàn)越來越多思維靈動、素養(yǎng)豐實(shí)的課堂教學(xué)！

參考文獻(xiàn)：

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