構(gòu)建實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)

黃國(guó)龍

(寧波市鎮(zhèn)海中學(xué) 浙江 寧波 315200)

1 科學(xué)論證教學(xué)模式的構(gòu)建

科學(xué)論證是科學(xué)共同體圍繞同一論題，收集證據(jù)并運(yùn)用一定的論證方法解釋、評(píng)價(jià)自己及他人的觀點(diǎn)，促進(jìn)思維的交鋒，最終達(dá)成雙方可接受結(jié)論的科學(xué)活動(dòng)[1].不同的學(xué)者提出不同的論證模式，其中以圖爾敏最具有代表性，圖爾敏論證模型包含有6個(gè)因素(主張、資料、根據(jù)、支援、限定、反駁等6個(gè)因素).科學(xué)論證是新課標(biāo)物理科學(xué)思維核心素養(yǎng)的重要組成部分.筆者認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)科學(xué)論證模式的一般性結(jié)合物理教學(xué)實(shí)際和學(xué)生的認(rèn)知水平，構(gòu)建實(shí)施適合物理教學(xué)實(shí)際的科學(xué)論證教學(xué)模式來有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng).

科學(xué)論證教學(xué)模式的教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 科學(xué)論證教學(xué)模式流程圖

其特點(diǎn)是:以科學(xué)探究教學(xué)理論和圖爾敏科學(xué)論證模型為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)為目標(biāo)，構(gòu)建出由提出物理觀點(diǎn)、尋求論證證據(jù)、實(shí)施推理論證、證實(shí)(證偽)正面(反面)物理觀點(diǎn)、拓展推廣、修改物理觀點(diǎn)等5個(gè)環(huán)節(jié)組成的教學(xué)程序.該教學(xué)模式中，既滲透了一般性科學(xué)論證模型中的相關(guān)要素，又符合學(xué)生認(rèn)知水平,具有物理教學(xué)特征，不僅可操作性強(qiáng)，而且有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域，能有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng).

2 有效實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式策略分析

(1)創(chuàng)設(shè)基于物理觀點(diǎn)的教學(xué)情境，提出物理觀點(diǎn)

提出物理觀點(diǎn)是科學(xué)論證的起點(diǎn).科學(xué)論證教學(xué)中物理觀點(diǎn)表現(xiàn)為對(duì)某一物理問題作出的科學(xué)判斷、科學(xué)猜想、科學(xué)解釋、科學(xué)預(yù)測(cè)等.物理科學(xué)論證教學(xué)中學(xué)生的物理觀點(diǎn)是在具體教學(xué)情境中提出的，基于物理觀點(diǎn)的教學(xué)情境是由一些知識(shí)性、實(shí)踐性、哲理性知識(shí)、策略和方法組成的，可以從實(shí)踐(實(shí)驗(yàn)、自然、生活、生產(chǎn)等)和理論(知識(shí)、方法、哲學(xué)等)兩個(gè)角度創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，是啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出物理觀點(diǎn)的有效策略.

(2)尋求論證物理觀點(diǎn)的理論依據(jù)和實(shí)踐證據(jù)

科學(xué)證據(jù)是論證和反駁某一物理觀點(diǎn)的重要環(huán)節(jié).科學(xué)證據(jù)既可以是實(shí)踐性(實(shí)驗(yàn)、自然現(xiàn)象等)的，也可以是理論性的(已知的一般性物理原理、模型、知識(shí)和方法).尋求實(shí)踐性的證據(jù)時(shí)，要求引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)提出物理觀點(diǎn)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)來獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，尋求理論性證據(jù)時(shí)，要求引導(dǎo)學(xué)生檢索上位性的物理理論和方法(例如，能量守恒理論、某一正確的理論、某一正確的方法等).

(3)實(shí)施推理過程，證實(shí)(證偽)物理觀點(diǎn)

證實(shí)(證偽)物理觀點(diǎn)就是在收集一定證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相應(yīng)的論證方法進(jìn)行推理來分析證實(shí)原有正面物理觀點(diǎn)，證偽原有反面物理觀點(diǎn).它是科學(xué)論證中最核心、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié).對(duì)于通過實(shí)驗(yàn)方法獲取的證據(jù)(往往以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方式呈現(xiàn))，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法(例如，比值歸納法、圖像方法、線性化方法、外推方法、圖像相交方法等)進(jìn)行推理來證實(shí)正面觀點(diǎn)，證偽反面觀點(diǎn)；對(duì)于一些理論性證據(jù)，需要通過構(gòu)建物理模型，運(yùn)用原有一般性物理理論和方法進(jìn)行推理來證實(shí)原有正面觀點(diǎn)，證偽反面觀點(diǎn).

(4)修正原有物理觀點(diǎn)，提出新的物理觀點(diǎn)

考慮到學(xué)生提出物理觀點(diǎn)需要有一個(gè)從錯(cuò)誤到正確，從片面到全面的探究過程.若推理論證證偽學(xué)生提出物理觀點(diǎn)，則需要引導(dǎo)學(xué)生修正原有物理觀點(diǎn)，提出新的物理觀點(diǎn)，進(jìn)行新的科學(xué)論證過程.

(5)拓展推廣新的情境，實(shí)施新的推理論證

為了減小推理論證難度，促進(jìn)學(xué)生思維連續(xù)展開，推理論證的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論證據(jù)及物理情境起點(diǎn)可以比較特殊和簡(jiǎn)單.若推理論證證實(shí)原有物理觀點(diǎn)，則需要對(duì)證據(jù)和物理情境進(jìn)行拓展，從特殊到一般，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，尋求更加一般的復(fù)雜證據(jù)，進(jìn)行新的推理論證，在科學(xué)論證原有正面物理觀點(diǎn)、證偽原有反面物理觀點(diǎn)的同時(shí)，有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng).

3 實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)途徑探索

3.1 在新課教學(xué)中實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)

教學(xué)案例1:機(jī)械能守恒定律的科學(xué)論證教學(xué)

(1)創(chuàng)設(shè)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化情境，提出機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒觀點(diǎn).

情景1:不計(jì)阻力小球從某高度下落，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；小球上升過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能.

情景2:如圖2所示，小球在光滑斜面上下滑過程中，重力勢(shì)能變小，動(dòng)能變大；小球上升過程中，重力勢(shì)能變大，動(dòng)能變小.

圖2 小球在光滑斜面上運(yùn)動(dòng)

提出探究問題:情景1和情景2中小球動(dòng)能與重力勢(shì)能在轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能是否守恒？

機(jī)械能守恒觀點(diǎn)1:學(xué)生提出小球動(dòng)能和重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能守恒觀點(diǎn).

(2)建立理想模型，尋求科學(xué)論證機(jī)械能守恒觀點(diǎn)的證據(jù)

實(shí)踐證據(jù)1:為了促使學(xué)生自主論證，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，首先選擇自由落體運(yùn)動(dòng)模型、光滑斜面模型作為論證實(shí)踐證據(jù).

理論證據(jù)1:引導(dǎo)學(xué)生尋求論證的理論證據(jù)(動(dòng)能定理、機(jī)械能、牛頓第二定律、勻變速運(yùn)動(dòng)知識(shí)).

(3)推理論證機(jī)械能守恒觀點(diǎn)

推理論證1:根據(jù)動(dòng)能定理得物體下落h過程中動(dòng)能增量為

W合=ΔEk=mgh

重力勢(shì)能增量為

ΔEp=-mgh

ΔE機(jī)=ΔEk+ΔEp=0

物體機(jī)械能守恒.

推理論證2:根據(jù)動(dòng)能定理得物體向下運(yùn)動(dòng)s過程中動(dòng)能增量為

W合=ΔEk=mgssinθ

重力勢(shì)能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機(jī)=ΔEk+ΔEp=0

物體機(jī)械能守恒.

(4)拓展推廣，尋求反面證偽證據(jù)

實(shí)踐證據(jù)2:為了揭示機(jī)械能守恒的條件，教學(xué)中拓展論證領(lǐng)域，探究小球在阻力為f的斜面上由靜止向下運(yùn)動(dòng)的情境，作為反面證偽實(shí)踐證據(jù).

理論證據(jù)2:動(dòng)能定理，力的合成，牛頓第二定律，勻變速運(yùn)動(dòng)知識(shí).

(5)理論論證，證偽原有守恒觀點(diǎn)

推理論證3:學(xué)生運(yùn)用動(dòng)能定理等知識(shí)進(jìn)行推理：物體向下運(yùn)動(dòng)s過程中動(dòng)能增量為

W合=ΔEk=(mgsinθ-f)s

重力勢(shì)能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機(jī)=ΔEk+ΔEp=-fs

物體下滑過程中機(jī)械能減小，不守恒，從而證偽原有觀點(diǎn).

(6)修正原有守恒觀點(diǎn)，提出新的守恒觀點(diǎn)

機(jī)械能守恒觀點(diǎn)2:教師引導(dǎo)學(xué)生分析比較3種理論論證因果關(guān)系，對(duì)原有守恒觀點(diǎn)進(jìn)行修正，提出新的守恒觀點(diǎn)：物體若受重力做功，機(jī)械能守恒.揭示了物體機(jī)械能守恒的條件.

(7)拓展推廣，尋求更加一般論證證據(jù)

為了得出更加一般情形機(jī)械能守恒觀點(diǎn)，教師拓展探究情境，尋求更一般機(jī)械能守恒的證據(jù).

實(shí)踐證據(jù)3:如圖3所示，質(zhì)量為m的小球懸掛于勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧下端，空氣阻力不計(jì).在彈力和重力作用下振動(dòng).

圖3 教學(xué)案例1實(shí)踐證據(jù)3圖

實(shí)踐證據(jù)4:如圖4所示，質(zhì)量為m的小球用輕質(zhì)細(xì)線懸掛于O點(diǎn)，不計(jì)空氣阻力.小球從距離最低點(diǎn)Q高度h的P點(diǎn)由靜止運(yùn)動(dòng).用刻度尺測(cè)量h，用光電門測(cè)量小球在Q點(diǎn)速率v.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

圖4 教學(xué)案例1實(shí)踐證據(jù)4圖

表1 實(shí)踐證據(jù)4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

理論證據(jù)3:動(dòng)能定理，重力(彈力)做功與重力勢(shì)能(彈性勢(shì)能)變化關(guān)系.

(8)運(yùn)用功能關(guān)系和實(shí)驗(yàn)方法，科學(xué)論證一般情形機(jī)械能守恒觀點(diǎn)

推理論證4:引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)功能關(guān)系論證機(jī)械能守恒觀點(diǎn).根據(jù)動(dòng)能定理，小球在某一過程中動(dòng)能增量為

W合=WG+W彈=ΔEk

結(jié)合WG=-ΔEG，W彈=-ΔE彈,得

-ΔEG-ΔE彈=ΔEk，即

ΔE機(jī)=ΔEG+ΔE彈+ΔEk=0

即小球與彈簧組成系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

一般情形機(jī)械能守恒觀點(diǎn):系統(tǒng)內(nèi)部只有重力或彈力做功，則系統(tǒng)的動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變.

圖5 教學(xué)案例1實(shí)驗(yàn)論證圖

在上述科學(xué)論證機(jī)械能守恒觀點(diǎn)過程中，從單個(gè)重力證據(jù)情境拓展到多個(gè)恒力情境，從重力做功情境拓展到非重力做功情境，揭示了機(jī)械能守恒條件，修改機(jī)械能守恒觀點(diǎn)；從直線運(yùn)動(dòng)情境拓展到曲線運(yùn)動(dòng)情境，從重力做功情境拓展到彈力和重力做功系統(tǒng)情境，運(yùn)用一般功能關(guān)系和動(dòng)能定理進(jìn)行理論論證，又運(yùn)用實(shí)驗(yàn)證據(jù)和圖像線性化方法進(jìn)行論證，引導(dǎo)學(xué)生把握多樣化科學(xué)論證方法，提高了科學(xué)論證的嚴(yán)謹(jǐn)性，有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng).

3.2 在習(xí)題教學(xué)中實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)

教學(xué)案例2：潛艇功率問題探究解答方法科學(xué)論證教學(xué)

(1)創(chuàng)設(shè)理論性問題情境，展示學(xué)生探究解答(觀點(diǎn))

問題情境:如圖6所示，潛艇直線通道推進(jìn)器是由絕緣材料制成的，通道內(nèi)充滿電阻率為ρ1=0.2 Ω·m的海水，在通道中a×b×c=0.3 m×0.4 m×0.3 m的空間內(nèi)，存在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=6.4 T勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向如圖所示.磁場(chǎng)區(qū)域上、下金屬板N,M與電源相連后，產(chǎn)生恒定電流I=1.0×103A.海水密度ρ2=1.0×103kg/m3.當(dāng)潛艇以恒定速度v0=30 m/s前進(jìn)時(shí)，海水在出口處相對(duì)于推進(jìn)器的速度v=34 m/s.

圖6 潛艇直線通道推進(jìn)器示意圖

探究問題:試求推進(jìn)海水和潛艇運(yùn)動(dòng)時(shí)管道所消耗的總電功率.

探究解答:在地面參考系中，安培力推動(dòng)潛艇消耗功率為

P電1=BIcv0

安培力加速水消耗電功率滿足

vd=4 m/s

電阻上消耗熱功率為

解得消耗總電功率為

P電=P電1+P電2+Pr=5.614 4×105W

(2)運(yùn)用動(dòng)能定理和運(yùn)動(dòng)相對(duì)性，尋求理論論證證據(jù)

根據(jù)相對(duì)性原理，在不同參考系中，消耗的電功率應(yīng)是相同的.學(xué)生嘗試在潛艇參考系中運(yùn)用動(dòng)能定理求解消耗總電功率，比較一下與地面參考系中消耗總電功率是否相同.

(3)運(yùn)用對(duì)稱思維反駁原有探究解答(觀點(diǎn))

部分學(xué)生運(yùn)用相對(duì)性原理(對(duì)稱思維)反駁原有解答.在潛艇參考系中，電阻上消耗熱功率還是Pr=I2R.水以v0=30 m/s速度通過進(jìn)水口，以vr=34 m/s速度從出水口流出，安培力對(duì)水做功消耗電功率P′電2滿足

m=ρbcvrΔt

v0=30 m/svr=34 m/s

消耗總電功率為

P′電=P′電2+Pr=1.022 24×106W

根據(jù)相對(duì)性原理，消耗總電功率在不同參考系中應(yīng)相同，但上述兩種解法得出不同結(jié)果，這個(gè)矛盾意味著上述解答存在問題，需要修正.

(4)從做功角度構(gòu)建新的模型，修正原有探究解答(觀點(diǎn))

分析錯(cuò)因:由于安培力和管道左右水對(duì)流入管道的水共同做功使這部分水動(dòng)能增加.錯(cuò)解原因是認(rèn)為安培力做功所消耗的電能等于流進(jìn)管道部分水的動(dòng)能增量.

新的探究解答:根據(jù)連續(xù)性原理，水在長(zhǎng)方體管道內(nèi)應(yīng)做勻速運(yùn)動(dòng)，安培力做功消耗電功率即為安培力對(duì)長(zhǎng)方體管道內(nèi)水所做功功率和反作用力對(duì)潛艇做功功率之和，滿足

P電1=BIcv0+BIcvd

結(jié)合

v0=30 m/s,vd=4 m/s

解得消耗總電功率

P電=P安+Pr=5.652 8×105W

(5)構(gòu)建新的模型和運(yùn)用新的方法，尋求新的論證證據(jù)

學(xué)生根據(jù)不同參考系中消耗的總電功率相同的依據(jù)，在潛艇參考系中構(gòu)建水流勻速運(yùn)動(dòng)模型，從做功角度求解消耗的總電功率.

(6)綜合運(yùn)用物理知識(shí)和方法科學(xué)論證新的解答(觀點(diǎn))

在潛艇參考系中，水在長(zhǎng)方體管道內(nèi)做速度為vr=34 m/s的勻速運(yùn)動(dòng)，安培力對(duì)流進(jìn)管道內(nèi)水所做功消耗的電功率為P′安=BIcvr，解得

P′安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P′電=P′安+Pr=5.652 8×105W

結(jié)果與地面參照系解答結(jié)果相同，符合相對(duì)性原理，從而論證新的解答是正確的.

學(xué)生在上述潛艇功率問題解法科學(xué)論證過程中，運(yùn)用對(duì)稱方法反駁原有錯(cuò)誤解答，通過多角度思維積極尋求新的論證證據(jù)，提出新的解答，綜合運(yùn)用磁場(chǎng)力做功和對(duì)稱思維論證新的解答正確性，把握了科學(xué)論證相關(guān)環(huán)節(jié)的策略，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)論證物理核心素養(yǎng).

3.3 在課外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中實(shí)施科學(xué)論證教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證核心素養(yǎng)

教學(xué)案例3：自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象原因解析的科學(xué)論證教學(xué)

(1)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)問題情境，提出解釋性觀點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)問題情境:如圖7所示,電源為舊干電池，燈電阻為R1，線圈電阻為R2，干電池電源電動(dòng)勢(shì)為ε，內(nèi)阻為r.當(dāng)電鍵S閉合時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈先亮，然后亮度變?yōu)榘狄恍?

圖7 教學(xué)案例3實(shí)驗(yàn)問題情境圖

提出探究問題:教師向?qū)W生提出探究問題：電鍵S閉合時(shí)，為什么燈先亮然后變暗？

提出解釋觀點(diǎn):學(xué)生通過分析討論提出如下3種解釋觀點(diǎn).

解釋觀點(diǎn)1：S閉合的瞬間在線圈兩端產(chǎn)生較大的自感電動(dòng)勢(shì)(比電源電動(dòng)勢(shì)大)，從而使燈兩端產(chǎn)生較大電壓，燈突然變亮.

解釋觀點(diǎn)2：S閉合時(shí)回路中產(chǎn)生電流，隨之電鍵活動(dòng)片與觸座斷開使線圈中電流變小，產(chǎn)生很大自感電動(dòng)勢(shì)，從而使燈突然變亮.

解釋觀點(diǎn)3：外電阻為R外，燈兩端電壓

S閉合瞬時(shí)，線圈上電流為零，電阻無限大

R外=R1

S閉合穩(wěn)定后

因而當(dāng)S閉合瞬間，燈兩端電壓較大，燈突然亮一下,然后變暗.

(2)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，尋求科學(xué)論證的實(shí)驗(yàn)和理論證據(jù)

實(shí)踐依據(jù):實(shí)驗(yàn)方案1,圖7中某處導(dǎo)線A先斷開，電鍵S先閉合，突然接通導(dǎo)線A，觀察燈泡的發(fā)光情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)燈突然亮一下，然后亮度變?yōu)榘狄恍?

實(shí)驗(yàn)方案2：把干電池?fù)Q成電動(dòng)勢(shì)相同的穩(wěn)壓電源(或蓄電池)，S閉合時(shí)，觀察燈亮度變化情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：當(dāng)S閉合時(shí)，燈亮度不變.

理論依據(jù):運(yùn)用自感和電路知識(shí)尋求科學(xué)論證的理論證據(jù).

(3)分析評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，反駁、論證解析

反駁證偽:實(shí)驗(yàn)1中接通導(dǎo)線A電路立即接通，并沒有像解釋2中所述先接通后斷開，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原有實(shí)驗(yàn)相同，此實(shí)驗(yàn)否定了解釋2.

分析證實(shí):實(shí)驗(yàn)2中，電源換成穩(wěn)壓電源時(shí)，電源內(nèi)阻變?yōu)榱?，燈泡兩端電壓始終為電源電動(dòng)勢(shì)，閉合電鍵后亮度不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一解釋.此實(shí)驗(yàn)表明電鍵閉合時(shí)線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)并不比電源電動(dòng)勢(shì)大，否定了解釋1，證實(shí)了解釋3.

(4)理論推理，完善科學(xué)論證

為了提高科學(xué)論證嚴(yán)謹(jǐn)性，教師運(yùn)用電路理論和數(shù)學(xué)知識(shí)推得電燈兩端電壓為

(1)

教師要求學(xué)生根據(jù)式(1)進(jìn)一步實(shí)施推理論證：

由式(1)可得，閉合電鍵時(shí)，t=0，推得電燈兩端電壓為

通過上述自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解析深度的科學(xué)論證過程，不僅加深了學(xué)生對(duì)自感和電路知識(shí)的認(rèn)識(shí)，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生把握科學(xué)論證各個(gè)環(huán)節(jié)的策略，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)踐和理論多個(gè)角度實(shí)施科學(xué)論證，切實(shí)有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證物理核心素養(yǎng).