基于證據(jù)，提升學(xué)生的科學(xué)論證能力

宋懷甫　孫建紋

[摘 要]證據(jù)意識(shí)就是根據(jù)證據(jù)來(lái)支持自己主張或者反駁他人主張的一種意識(shí)。收集證據(jù)、進(jìn)行證據(jù)分析與評(píng)估是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的可靠路徑。文章以復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”為例，探討在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)論證能力。

[關(guān)鍵詞]探究電流與電阻的關(guān)系;證據(jù)意識(shí);科學(xué)論證

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2020）20-0033-03

2018年無(wú)錫市中考物理試卷上有這樣的一道實(shí)驗(yàn)題：為了驗(yàn)證“當(dāng)導(dǎo)體兩端的電壓一定時(shí)，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比”這一規(guī)律，實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)們準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材有：干電池2節(jié)，滑動(dòng)變阻器（20 Ω，1 A）、電流表、電壓表、開(kāi)關(guān)各一個(gè)，導(dǎo)線(xiàn)若干，5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻。準(zhǔn)備把5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻分別接入圖1所示電路，測(cè)量電流進(jìn)行探究。有同學(xué)提議：既然探究時(shí)需要保持電阻兩端的電壓不變，圖1中可以不用連接滑動(dòng)變阻器和電壓表。他們按照提議分別將三個(gè)電阻由小到大接入電路，閉合開(kāi)關(guān)后，讀出電流表示數(shù)分別為0.42 A，0.24 A，0.13 A，發(fā)現(xiàn)無(wú)法驗(yàn)證“當(dāng)導(dǎo)體兩端電壓一定時(shí)，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比”這一規(guī)律。于是他們計(jì)劃仍按圖1進(jìn)行探究，分析測(cè)量數(shù)據(jù)后，選定準(zhǔn)備加在電阻兩端的電壓值U。為確保完成驗(yàn)證，則這個(gè)電壓值U的范圍為（）。

A. [1.5 V

C. [1.3 V

批閱完中考物理試卷后發(fā)現(xiàn)該題的得分率很低。原因是教師在新課教學(xué)“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí)，由于課堂時(shí)間有限，在學(xué)生經(jīng)歷了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃后，直接告訴學(xué)生控制電阻兩端的電壓為某個(gè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有放手讓學(xué)生隨意選擇電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣，學(xué)生不會(huì)想到電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓不能隨意設(shè)置，預(yù)設(shè)電壓只能在一定的范圍內(nèi)。另外，初中階段一般不考慮電源的內(nèi)電阻，把電源看作是理想電源，這樣學(xué)生會(huì)認(rèn)為電源電壓是不變的。在這道實(shí)驗(yàn)題中，把不同的電阻直接接到電源上，電阻兩端的電壓是變化的。怎么才能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題呢？答案是實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得證據(jù)形成沖突，進(jìn)而對(duì)證據(jù)進(jìn)行解釋?zhuān)艜?huì)獲得認(rèn)識(shí)的提升。

物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)的教學(xué)要求是：學(xué)生能“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究電流與電壓、電阻的關(guān)系，理解歐姆定律”，屬于理解層次。從本章的知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)看，學(xué)完本章內(nèi)容，在復(fù)習(xí)階段很有必要再次探究電流與電阻的關(guān)系。放手讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、交流與合作，重點(diǎn)要應(yīng)用歐姆定律解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的困惑，即新課教學(xué)中遺留的問(wèn)題?！鞍巡煌碾娮柚苯咏拥诫娫瓷希娮鑳啥说碾妷菏遣皇亲兓?？電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓可以隨意嗎？”就需要基于科學(xué)論證能力的培養(yǎng)，對(duì)復(fù)習(xí)課有一個(gè)整體的規(guī)劃：基于證據(jù)——科學(xué)推理——科學(xué)論證。

一、暴露問(wèn)題形成沖突，培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)，為提升學(xué)生的科學(xué)論證能力創(chuàng)造條件

要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，教師在教學(xué)中應(yīng)重視證據(jù)，讓學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)。在復(fù)習(xí)“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)問(wèn)題，按照學(xué)生的思維，因勢(shì)利導(dǎo)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題形成沖突，在解決沖突的過(guò)程中培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)，進(jìn)而為提升學(xué)生科學(xué)論證能力打下基礎(chǔ)。

教師：請(qǐng)同學(xué)們思考，我們?cè)谔骄侩娏髋c電阻的關(guān)系時(shí)，電路如圖2所示，能否用同一個(gè)電源，控制電阻兩端的電壓不變，分別把5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻接到電源上，測(cè)量出通過(guò)電阻的電流？

學(xué)生：可以用這個(gè)方案，因?yàn)橥粋€(gè)電源兩端的電壓是不變的。

教師：請(qǐng)同學(xué)們按照這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.根據(jù)圖2連接好電路;

2.測(cè)量出5 Ω電阻兩端的電壓和通過(guò)它的電流，并填入表格;

3.分別換用10 Ω和20 Ω的電阻重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師巡視并收集證據(jù)，如表1。

教師把收集到的數(shù)據(jù)投影到屏幕上，提出問(wèn)題：分析表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能否得出電流與電阻的關(guān)系？為什么？

學(xué)生：分析表格中的數(shù)據(jù)不能得出電流與電阻的關(guān)系，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中沒(méi)有控制電阻兩端的電壓一定。

教師：分析表格中的電壓與電阻的關(guān)系，你能得到什么結(jié)論？

學(xué)生：外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大。

學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們習(xí)以為常的“正確答案”在這里被實(shí)驗(yàn)推翻了，這是千真萬(wàn)確的證據(jù)。

在證據(jù)面前，學(xué)生原有的“惰性知識(shí)”受到?jīng)_擊，新鮮的“活力知識(shí)”獲得論證。正如李政道所說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)可以打敗理論，而理論無(wú)法打敗實(shí)驗(yàn)。”培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)是重要的科學(xué)活動(dòng)，其內(nèi)涵是利用證據(jù)建立科學(xué)的理由以支持科學(xué)主張。從形式上看，科學(xué)論證大體上包括個(gè)體內(nèi)的論證和個(gè)體間的論證兩類(lèi)：前者是指?jìng)€(gè)體通過(guò)科學(xué)推理，利用證據(jù)建立自己的科學(xué)主張的過(guò)程;后者是指人與人之間通過(guò)辯論、爭(zhēng)論等形式對(duì)相互對(duì)立的主張進(jìn)行辯駁，從而鞏固個(gè)人主張的過(guò)程。教師要?jiǎng)?chuàng)造條件，尤其是利用學(xué)生“常常認(rèn)為應(yīng)該是這樣的”一些感性觀點(diǎn)來(lái)制造沖突，然后利用可靠的科學(xué)方法來(lái)收集證據(jù)，進(jìn)而通過(guò)理性的科學(xué)推理來(lái)推翻“原來(lái)的觀點(diǎn)”，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)和科學(xué)論證能力是特別有效和深刻的。

二、改變條件不斷追問(wèn)，在解決問(wèn)題中培養(yǎng)科學(xué)論證的能力

復(fù)習(xí)課不是簡(jiǎn)單重復(fù)，而是精準(zhǔn)提升。要在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增添新的經(jīng)歷，帶來(lái)新的思考，從而提升科學(xué)論證的能力。前面有了證據(jù)意識(shí)，接下來(lái)，我們就在實(shí)驗(yàn)中尋找新問(wèn)題，基于證據(jù)，在解決問(wèn)題中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

教師：探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，為了控制電阻兩端的電壓不變，你們準(zhǔn)備采取什么措施？

學(xué)生：在電路中串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器，更換電阻后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，控制電阻兩端的電壓不變。

教師：請(qǐng)同學(xué)們按照電路（圖3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（滑動(dòng)變阻器的銘牌上標(biāo)有“20 Ω，2 A”）。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師巡視并收集證據(jù)，如表2。

教師：分析表格中的數(shù)據(jù)，你能得出什么結(jié)論？

學(xué)生：導(dǎo)體兩端的電壓一定時(shí)，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體的電阻成反比。

教師：探究電流與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，你還遇到了什么困難？

學(xué)生：我在實(shí)驗(yàn)中想控制電阻兩端的電壓等于1 V，但是把20 Ω的電阻接入電路，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，電阻兩端的電壓都不能達(dá)到1 V。

教師：探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，電阻兩端的電壓為什么不能隨意設(shè)置？解決這個(gè)問(wèn)題，必須弄清楚：分別用5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓范圍多大？

教師：電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最大是多少？當(dāng)電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最大時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓最小，要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把哪個(gè)電阻接入電路時(shí)，預(yù)設(shè)電壓最大？

學(xué)生：串聯(lián)分壓，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最小，所分的電壓最小。把5 Ω的電阻接入電路，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最小，此時(shí)5 Ω的電阻兩端的電壓就是最大預(yù)設(shè)電壓，根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)可知，預(yù)設(shè)電壓的最大值是2.0 V。

教師：把5 Ω的電阻接入電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，使電壓表示數(shù)為1 V;取下5 Ω的電阻，把10 Ω的電阻接入電路，閉合開(kāi)關(guān)，滑片P向哪移？取下10 Ω的電阻，把20 Ω的電阻接入電路，閉合開(kāi)關(guān)后滑片P向哪移？若滑片P移到阻值最大處，電壓等于1.4 V，電壓還是大于預(yù)設(shè)電壓，你的預(yù)設(shè)電壓最小只能是多少？

學(xué)生：每次更換較大的電阻后，滑動(dòng)變阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移動(dòng)。把20 Ω的電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處，預(yù)設(shè)電壓最小為1.4 V。

教師：哪個(gè)電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處的電壓就是最小預(yù)設(shè)電壓？

學(xué)生：把最大的電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處，此時(shí)電阻兩端的電壓就是最小預(yù)設(shè)電壓。

教師：探究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把哪個(gè)電阻接入電路，預(yù)設(shè)電壓最??？

學(xué)生：要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，把20 Ω的電阻接入電路，滑動(dòng)變阻器的滑片移到阻值最大處，此時(shí)20 Ω的電阻所分的電壓就是最小電壓。此時(shí)外電路的總電阻為40 Ω，根據(jù)外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大，可知40 Ω的電阻所分的電壓大于2.6 V，所以電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓的最小值Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓U范圍為：[1.3 V

開(kāi)始的推理，實(shí)際上是一種內(nèi)在的科學(xué)推理。所謂內(nèi)在的科學(xué)推理是指學(xué)生在證據(jù)與主張之間尋求理由來(lái)支持自己的主張的過(guò)程，學(xué)生通過(guò)自己對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)與外界信息之間的權(quán)衡、評(píng)價(jià)、批判，最終選擇一個(gè)最合理、最能接受的主張。為了提升學(xué)生科學(xué)論證的能力，我們還需要在解決問(wèn)題的過(guò)程中采用外在推理的方式。外在推理是指人與人之間通過(guò)辯論、爭(zhēng)論等形式對(duì)相互對(duì)立的主張進(jìn)行辯駁，從而鞏固個(gè)人主張的過(guò)程。在利用外在推理的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)了學(xué)生“尊重證據(jù)，尋找證據(jù)，解釋證據(jù)”的能力提升，進(jìn)而感受到科學(xué)論證的魅力。

三、當(dāng)堂反饋及時(shí)評(píng)價(jià)，讓學(xué)生感受科學(xué)論證的價(jià)值

教師邀請(qǐng)部分學(xué)生解決本文中的2018年無(wú)錫市中考物理試卷上的那道實(shí)驗(yàn)題。

學(xué)生：閱讀完題目后，我們利用題目中提供的數(shù)據(jù)，可以找到表中的證據(jù)：

從表格中的數(shù)據(jù)可以看出，外電路的電阻越大，所分的電壓越大。要確保三個(gè)電阻都能在預(yù)設(shè)電壓下完成實(shí)驗(yàn)，如圖1，把5 Ω的電阻接入電路，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻為零，此時(shí)電阻兩端的電壓為2.1 V就是最大預(yù)設(shè)電壓。把20 Ω的電阻接入電路，如圖1，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻最大為20 Ω，此時(shí)電阻兩端的預(yù)設(shè)電壓最小。這樣外電路的總電阻為40 Ω，外電路兩端的總電壓大于2.6 V，預(yù)設(shè)電壓的最小值為Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，所以預(yù)設(shè)電壓U的取值范圍為：[1.3 V

科學(xué)推理論證是科學(xué)思維的重要組成部分，我們從課程標(biāo)準(zhǔn)中可以看到科學(xué)思維的五個(gè)水平等級(jí)，都對(duì)科學(xué)推理論證提出了要求。水平1，要求能對(duì)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單分析;水平2，要求針對(duì)比較簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析推理，得到結(jié)論，并利用簡(jiǎn)單直接的證據(jù)闡述自己的觀點(diǎn);水平3，要求能對(duì)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析推理解釋并得到結(jié)論，利用證據(jù)闡釋自己的觀點(diǎn);水平4，要求能對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行分析推理，解釋并得到結(jié)論，并且能夠證明得到的結(jié)論是正確的;水平5，要求能在新情景中對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行分析推理、解釋并得到結(jié)論，并且能夠在證明過(guò)程中，考慮到證據(jù)的可靠性并合理地選用。可見(jiàn)，要評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)論證能力，需要在實(shí)際碰到的新情景中去評(píng)價(jià)。學(xué)生在此過(guò)程中品嘗到科學(xué)論證的價(jià)值，激發(fā)他們對(duì)論證的興趣。實(shí)際教學(xué)中，通過(guò)對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)效果的分析，我們發(fā)現(xiàn)80%的學(xué)生都達(dá)到水平2，有40%的學(xué)生達(dá)到了水平4，也有20%的學(xué)生達(dá)到了水平5。

綜上所述，在物理課堂教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，教師有時(shí)要利用學(xué)生的“迷思概念”設(shè)下陷阱，先讓學(xué)生陷進(jìn)去;然后利用收集到的證據(jù)，幫助學(xué)生深層次地反思，走出困惑，進(jìn)而提升學(xué)生的科學(xué)論證能力。能夠科學(xué)論證，愿意科學(xué)論證，樂(lè)于科學(xué)論證，這就是每一節(jié)物理課希望達(dá)成的理想愿景。

（責(zé)任編輯 易志毅）