基于科學(xué)論證的“超重和失重”教學(xué)研究*

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．