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      基于科學(xué)論證的“超重和失重”教學(xué)研究*

      2020-11-08 08:52:12徐丹丹桂維玲
      物理通報(bào) 2020年11期
      關(guān)鍵詞:科學(xué)論證加速度證據(jù)

      徐丹丹 桂維玲

      (山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250358)

      孫莉

      (山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東 濟(jì)南 250001)

      《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中明確將科學(xué)論證列為“科學(xué)思維”的要素之一,首次將“科學(xué)論證”寫入我國(guó)物理課程標(biāo)準(zhǔn).由此,培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)以及科學(xué)論證的能力成為科學(xué)教育領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題.然而,國(guó)內(nèi)目前關(guān)于科學(xué)論證的研究主要集中在科學(xué)論證能力模型建構(gòu)、科學(xué)論證的評(píng)價(jià)方式、科學(xué)論證的培養(yǎng)手段以及科學(xué)論證教學(xué)的框架分析等內(nèi)容.

      基于特定主題的科學(xué)論證的教學(xué)是科學(xué)論證教學(xué)能夠在教學(xué)中得以實(shí)施的關(guān)鍵內(nèi)容之一,但在目前的教學(xué)中僅有不多的研究者關(guān)注這一問題,如文獻(xiàn)[1]提出論證是一個(gè)進(jìn)程,論證教學(xué)中的知識(shí)通常不是一次性完成的,是需要不斷重復(fù).文獻(xiàn)[2]指出論證教學(xué)過程中注重證據(jù)的獲得,提倡“有理有據(jù),用證據(jù)說話”.即已有的研究中重點(diǎn)關(guān)注了科學(xué)論證的過程,對(duì)論證過程的評(píng)價(jià)關(guān)注是不足的,因此本文融入了對(duì)科學(xué)論證過程的評(píng)價(jià).如何將論證引入物理課堂教學(xué),特別是對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容主題的設(shè)計(jì)的呈現(xiàn),因而,提出具體的設(shè)計(jì)方案,為一線教學(xué)提供參考就顯得尤為重要.

      本文以“超重和失重”一節(jié)為例,基于科學(xué)論證理論,從提出科學(xué)主張、收集證據(jù)、開展科學(xué)推理3方面剖析教材,提出教學(xué)設(shè)計(jì).

      1 基于科學(xué)論證教學(xué)的理論基礎(chǔ)

      科學(xué)論證是科學(xué)探究中一項(xiàng)重要的活動(dòng),其內(nèi)涵是針對(duì)沒有明確的科學(xué)問題,經(jīng)過社會(huì)性的協(xié)作、商討過程,支持各自的觀點(diǎn),并批駁相異的觀點(diǎn),以解決問題并獲取知識(shí)的活動(dòng)[3].從論證結(jié)構(gòu)來看,論證主要由主張、證據(jù)、推理3部分構(gòu)成.主張是指對(duì)研究問題的結(jié)論、猜測(cè)、解釋;證據(jù)是用于支持主張有效性或合理性的觀察或測(cè)量,它可以是事實(shí)性的證據(jù),也可以是理論性的證據(jù);推理是用來闡明證據(jù)為什么支持主張,以及證據(jù)如何支持解釋,在證據(jù)和主張之間建立起邏輯推理關(guān)系[4].

      基于科學(xué)論證的課堂教學(xué)需要一定的理論支持,對(duì)實(shí)施基于科學(xué)論證的教學(xué)影響最大的理論是圖爾敏論證模式,如圖1所示,該模式由資料、主張、理由、支持、限定條件、反駁六大要素組成.

      圖1中,“資料”即開始研究和論斷的材料或信息,當(dāng)主張受到質(zhì)疑時(shí),用來作為辯護(hù)的依據(jù);“主張”即針對(duì)某一物理問題或現(xiàn)象做出一項(xiàng)論斷,是論證者在論證中要證明為正確的結(jié)論,該結(jié)論允許不斷被修正和改進(jìn);“理由”即說明如何用資料或數(shù)據(jù)通過推理進(jìn)而得到一項(xiàng)結(jié)論;“支持”是理由的支援性陳述,論證者所依據(jù)的理論、定律、通則、公式等,用來闡明提出主張的原由;“限定條件”是有的結(jié)論必須附加一定的條件才能成立,它是主張正確性的前提;“反駁”是有些情況下,就算加上限定條件,也不能完成從資料、理由到主張的推理,也不能使主張不能成立,于是出現(xiàn)了反駁[5].

      圖1 圖爾敏論證模式

      圖爾敏論證模式,由于其既可以支持師生學(xué)習(xí)有效的科學(xué)論證,也可以作為評(píng)價(jià)論證教學(xué)的工具[6],在教育領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用,因此本文也以其為理論基礎(chǔ)構(gòu)建基于科學(xué)論證的物理教學(xué).

      2 選擇適合基于科學(xué)論證的物理教學(xué)課題

      “超重和失重”是人教版普通高中物理教材必修1的教學(xué)內(nèi)容,是在學(xué)習(xí)了牛頓第二定律之后又一能體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀的概念.它的教學(xué)重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)探究與理論分析相結(jié)合,理解超重、失重的概念及其產(chǎn)生條件,并學(xué)會(huì)運(yùn)用解決實(shí)際問題.對(duì)于超重和失重的產(chǎn)生條件,有研究提到:加速度可以作為超重、失重的“判據(jù)”,即當(dāng)加速度向上時(shí)超重,加速度向下時(shí)失重[7].對(duì)于這一判據(jù)的科學(xué)性,有學(xué)者提出了質(zhì)疑,認(rèn)為該“判據(jù)”未體現(xiàn)物理實(shí)質(zhì),只反映了物理過程中表面的、暫時(shí)的、偶然的、不穩(wěn)定的聯(lián)系,缺少物理內(nèi)涵[8].究竟哪種觀點(diǎn)是科學(xué)的、正確的,筆者認(rèn)為應(yīng)通過科學(xué)論證做出判斷,這也是一個(gè)很好地指導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)論證和質(zhì)疑的實(shí)例.

      3 基于科學(xué)論證的“超重和失重”物理課堂示例

      根據(jù)上述論證的理論框架,可制定圖爾敏論證教學(xué)模式在課堂中的具體展開流程,如圖2所示,將“超重和失重”一節(jié)中,“超重和失重的產(chǎn)生條件”這一知識(shí)點(diǎn)合理地融入進(jìn)圖爾敏論證模型.為了開展這一論證活動(dòng),首先打好基礎(chǔ),帶領(lǐng)學(xué)生通過“電梯里的力”小視頻掌握“超重”“失重”“視重”“實(shí)重”的概念,避免學(xué)生陷入“超重就是重量增加,失重就是重量減小”的誤區(qū).

      圖2 科學(xué)論證教學(xué)模式課堂展開流程圖

      3.1 設(shè)置問題情境 引出論題

      體重計(jì)示數(shù)變化反映出人有時(shí)處于超重,有時(shí)處于失重,那什么情況下會(huì)產(chǎn)生超重現(xiàn)象?什么情況會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象呢?超重、失重的產(chǎn)生條件是什么呢?教師給出問題情境,引發(fā)學(xué)生深入思考.

      3.2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 收集資料 尋找證據(jù)

      基于科學(xué)論證的教學(xué),其核心和關(guān)鍵在于證據(jù)的收集.只有建立在充分的、科學(xué)的證據(jù)基礎(chǔ)上提出的主張才更具有說服力.把課堂交給學(xué)生,讓學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程,采用傳感器技術(shù),使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀.學(xué)生站在力傳感器上完成下蹲和站起動(dòng)作,觀察計(jì)算機(jī)采集的學(xué)生下蹲和站起過程中力傳感器的示數(shù)隨時(shí)間變化的情況圖線,記錄數(shù)據(jù),填寫表1.

      表1 下蹲和站起過程分析記錄表

      引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù),再一次鞏固超重和失重的概念.教師設(shè)置啟發(fā)性問題:超重失重與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)嗎?與加速度的方向有關(guān)嗎?

      學(xué)生通過觀察表格發(fā)現(xiàn),超重和失重與運(yùn)動(dòng)方向沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系,但人處于超重狀態(tài)時(shí),加速度方向都向下;人處于失重狀態(tài)時(shí),加速度方向都向上.由于主張?jiān)试S被修改,所以學(xué)生可以提出暫時(shí)的主張.

      教師指導(dǎo)學(xué)生尋找可以作為證據(jù)的資料,資料可以來自于圖書館、教材、網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行分析推理.

      資料1:假設(shè)在加速度為6g的航天員超重訓(xùn)練設(shè)備內(nèi),有一條繩子系著1 kg的物體.

      (1)當(dāng)設(shè)備的加速度豎直向上時(shí),繩子受到的拉力多大?

      (2)當(dāng)設(shè)備的加速度豎直向下時(shí),繩子受到的拉力多大?

      解題步驟能夠反映學(xué)生的邏輯思維能力水平,在解題過程中發(fā)現(xiàn)了問題,也就發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)結(jié)構(gòu)中的不足.通過解答資料1的問題,學(xué)生發(fā)現(xiàn)在加速度等于6g的情況下,不管加速度的方向向上還是向下,物體都處于超重狀態(tài),這跟最初的主張相悖.學(xué)生有了疑問,就會(huì)跟教師、同學(xué)交流想法,尋找問題的答案.

      資料2:教師提供物理模型,如圖3所示,學(xué)生對(duì)物塊進(jìn)行受力分析,得出在加速度向下的過程中物塊分別處于怎樣的狀態(tài).

      資料3:學(xué)生尋找物理模型,針對(duì)模型,進(jìn)行合理推理.在資料1和資料2的啟示下,學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)拉力的方向與重力的方向相同時(shí),就會(huì)出現(xiàn)即使加速度向下也會(huì)出現(xiàn)超重現(xiàn)象.

      圖3 教師提供模型

      3.3 基于證據(jù) 發(fā)表主張

      利用牛頓第二定律結(jié)合超重、失重的概念,學(xué)生對(duì)加速下降、減速下降、加速上升、減速上升4個(gè)過程利用牛頓第二定律進(jìn)行理論分析.提出主張:超重、失重與加速度的方向有關(guān),加速度向上超重,加速度向下失重(或超重、失重與加速度的方向無(wú)關(guān)).教師在這一階段注重對(duì)學(xué)生的主張和證據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,注重引導(dǎo)學(xué)生形成前后邏輯一致的觀點(diǎn).

      3.4 小組交流 支持或反駁主張

      引導(dǎo)學(xué)生基于收集到的資料進(jìn)行推理以支持自己或反駁他人的觀點(diǎn),使資料轉(zhuǎn)化成為有力的證據(jù).教師可以語(yǔ)言引導(dǎo),小組交流討論,并將論證的主要內(nèi)容填寫表2中.

      表2 論證記錄表

      3.5 評(píng)價(jià)論證質(zhì)量 形成書面論證

      根據(jù)自己的科學(xué)論證記錄表,小組之間相互討論、評(píng)價(jià).從論證的各要素進(jìn)行評(píng)價(jià),如資料的數(shù)量、證據(jù)的有效性、推理過程的可靠性、主張的合理性、證據(jù)是否可以反駁他人主張等方面進(jìn)行評(píng)價(jià).并結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)論證的水平劃分評(píng)價(jià)學(xué)生論證質(zhì)量.

      水平1:能區(qū)分觀點(diǎn)和證據(jù);

      水平2:能使用簡(jiǎn)單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn);

      水平3:能恰當(dāng)使用證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn);

      水平4:能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論;

      水平5:能考慮證據(jù)的可靠性,合理使用證據(jù).

      任何能力的獲得都不是一蹴而就的,教師長(zhǎng)期對(duì)學(xué)生的論證過程進(jìn)行評(píng)價(jià)追蹤、及時(shí)反饋,有助于幫助學(xué)生形成協(xié)調(diào)一致又不斷發(fā)展的科學(xué)論證能力.

      最后對(duì)“超重和失重的產(chǎn)生條件”形成書面論證,促進(jìn)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度.

      4 對(duì)基于科學(xué)論證的高中物理教學(xué)建議

      教師的教學(xué)方法和學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度是緊密相關(guān)的,采用論證式的教學(xué)方法能夠有效提高學(xué)生的科學(xué)思維能力,也為我國(guó)物理課程教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式.基于科學(xué)論證的“超重和失重”教學(xué)過程,對(duì)開展科學(xué)論證的物理教學(xué)提出以下建議.

      (1)論證過程中鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑

      陳獻(xiàn)章曾說:“學(xué)貴知疑,小疑則小進(jìn),大疑則大進(jìn).”在本節(jié)課的教學(xué)過程中,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生多數(shù)不敢質(zhì)疑.教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出自己主張,主張不同時(shí),敢于質(zhì)疑他人主張.教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)氛圍的制造者,這有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)由畏懼心理到挑戰(zhàn)心理直至戰(zhàn)勝心理的轉(zhuǎn)變,只有學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行思考輔之以科學(xué)的證據(jù)才能提出科學(xué)的質(zhì)疑,這離不開教師給學(xué)生創(chuàng)造的輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍.

      (2)注重論證性話語(yǔ)引導(dǎo)

      采用論證式的教學(xué)方法,論證過程中的許多術(shù)語(yǔ)是學(xué)生難以理解的,所以教師應(yīng)將論證過程的內(nèi)涵進(jìn)行可操作性定義,通過設(shè)置啟發(fā)性的問題引領(lǐng)學(xué)生完成論證過程.比如,用“你的觀點(diǎn)是什么?”來引導(dǎo)學(xué)生闡述自己的主張;用“支持觀點(diǎn)的證據(jù)有哪些?”來引導(dǎo)學(xué)生尋找證據(jù);若出現(xiàn)反駁階段,用“你能證實(shí)你的觀點(diǎn)嗎?”組織引導(dǎo)學(xué)生交流觀點(diǎn)和證據(jù).這樣采用論證性話語(yǔ)來組織教學(xué),有利于學(xué)生形成論證性思維以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度.

      (3)對(duì)論證過程合理評(píng)價(jià)

      學(xué)生完成論證記錄表以后,教師應(yīng)組織學(xué)生小組之間進(jìn)行互評(píng).在評(píng)價(jià)之前告知學(xué)生詳細(xì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)論證過程進(jìn)行合理評(píng)價(jià),給予學(xué)生及時(shí)、公平、客觀的反饋,在課堂上營(yíng)造出重視證據(jù)和批判性思維的氛圍.

      基于科學(xué)論證的課堂教學(xué)對(duì)發(fā)展學(xué)生思維能力的影響是潛移默化的,在物理課堂中應(yīng)用論證思想展開教學(xué)任重而道遠(yuǎn),期待學(xué)生的科學(xué)思維能力通過科學(xué)論證式的學(xué)習(xí)有所提高,為我國(guó)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)工作有所幫助.

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