圖爾敏論證模型與物理教學的實踐

汪 明

(江蘇省常州高級中學，江蘇 常州 213000)

科學論證是指學習者具有實用科學證據(jù)的意識和評估科學證據(jù)的能力,即是能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預測．它在當下課程改革中很受關注,是我國物理學科核心素養(yǎng)“科學思維”重要指標之一,在美國《新一代科學教育標準》中,“基于證據(jù)的論證”也是K-12科學教育中8種實踐之一．物理學本來就以邏輯論證縝密著稱,且以觀察和實驗為基礎．而當下物理課堂中普遍缺乏實質(zhì)性論證教學,甚至連形式化的討論都做不到教學經(jīng)?；?因此,筆者將TAP圖爾敏論證模型(Toulmin’s Argument Pattern,TAP)引進課堂,以“自由落體運動”教學為例,強化對物理規(guī)律進行結(jié)構化的知覺理解,讓學生不僅深入掌握物理規(guī)律構建的過程,而且還能體會科學論證的思維及其價值意義．

1 什么是圖爾敏論證模型

圖爾敏(S.E.Toulmin,1958)構建了實踐論證六要素的宏觀模型架構(見圖1):主張(claim)、數(shù)據(jù)(data)、保證(warrant)、支援(backing)、模態(tài)限定詞(modal qualifier)和反駁(rebuttal)．后期圖爾敏(1978)又對論證模式做出修改(見圖2):一是將數(shù)據(jù)D改為理由G(grounds),理由G是數(shù)據(jù)D的擴展,意在表明作為主張之基礎的不僅可以是事實,而且可以是經(jīng)驗觀察、常識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、個體證言、先前確立的主張或其他類似的事實性數(shù)據(jù),圖爾敏將其概括為grounds．二是將模態(tài)限定詞(modal qualifier)改為模態(tài)詞(modality),意在突出論證強度,仍用Q來表示;三是改變了保證W和支援B的位置(從下方挪到上方),同時在整體模型的圖示中增加了4個箭頭,使得整個模型包含5個箭頭．概括說來,圖爾敏后期雖對其模型的表述有所變化與發(fā)展,但其基本思路仍具有一致性和連貫性．從科學研究維度來說,其六要素構成的論證模式,適合于對物理概念和規(guī)律進行論證,可以用來組織課堂教學,也為物理概念和規(guī)律的教學提供了一個可參考的范式,同時,論證過程也使學生清晰理解了科學論證范式,通過縝密分析與思維遷移,將抽象論證問題進行具體化和顯性化,為學生深入理解物理概念與規(guī)律提供了可能．

圖1 圖爾敏論證模型(1958)

圖2 圖爾敏論證模型(1978)

2 圖爾敏論證模型與科學論證的關聯(lián)

TAP圖爾敏論證模型對經(jīng)典的形式邏輯進行了質(zhì)疑和批判,它并沒有把論證的要素按照大前提、小前提和結(jié)論的三段論模式排列．圖爾敏認為,形式邏輯分析模式的不足掩蓋了前提之間的巨大差異,科學論證優(yōu)先級是開始于一個特定的主張(claim)．提出該主張所基于的根據(jù)(ground)．接下來,通過觀察、實驗、分析與推理,由根據(jù)得出主張的規(guī)則、原則或推論,即保證(warrant)．當保證的權威性或科學性遭到質(zhì)疑時,就提出支援(backing)用以核定保證．可見,根據(jù)、保證、支援、主張四個要素是TAP論證模型的核心部分．而且科學本質(zhì)上就是可證偽的,物理定律也只是在一定條件下才成立,也就是說,有一些可能的例外或特殊情況,或許能推翻論證,那么它們是該論證的反駁或反證(rebuttals)．最后,整個論證給主張?zhí)峁┑淖C明能有多強?需要不需要給物理定律加上一個限定條件,即給主張?zhí)砑右粋€模態(tài)限定詞(qualifiers)．

科學論證提倡證實和證偽,證實就是尋求證據(jù)支持,證偽就是要進行反駁．從圖爾敏論證模型假設及其結(jié)構上看,可以從兩個方面判斷論證的水平:一是論證是否包含相關理由:如依據(jù)、理由、支援等;二是論證是否包含反駁．圖爾敏論證模型同時包括了證實和證偽思想,與物理科學研究領域的評判標準相通,因而也對科學思想的發(fā)展起到了推動作用．此外,圖爾敏論證模型為科學實踐也拓展一種科研思路,在圖爾敏看來,論證需要突出力度、強度和有效性,其包含有邏輯和實質(zhì)兩個層面:一是對理性依據(jù)的強調(diào),就是在科學研究過程中要通過“擺事實、講道理”提供足夠的“正當理由”,有事實依據(jù),讓大家能夠信服;二是對權威性論據(jù)的強調(diào),通過“限定詞”“支援”等,讓科學研究更加嚴謹,所展現(xiàn)的邏輯思維更加讓大家信服,增強研究的信服力．

科學研究論證質(zhì)量如何保證呢？Erduran等(2004)從圖爾敏論證模型各要素的不同組合出發(fā),也將論證分為5個水平(如表1)．影響論證質(zhì)量水平主要有兩個方面:一是論證包含的相關理由,即所包含的要素個數(shù)越多,表明了論證的復雜性,則水平層次越高．二是論證是否包含反駁．如下表中水平2只包含2個要素,可以是“主張+資料/根據(jù)/支援”3種形式,但沒有出現(xiàn)“反駁”這個要素．由于這種論證的評判標準非常簡單和明晰,可操作性強,受到廣泛的推崇．研究表明,針對普通高中課堂教學,經(jīng)論證模型教學培訓后的教師和學生,對論證的理解會越來越清晰,在課堂教中會使用復雜的論證結(jié)構,即選用具備更多要素(如4-5個要素)的論證結(jié)構．

表1 圖爾敏論證質(zhì)量水平與論證要素的關系

3 基于圖爾敏論證模型的物理教學案例

3.1 背景

落體運動是一種常見的運動,從科學史角度來認識,伽利略對自由落體運動的科學研究意義重大．首先,從知識內(nèi)容來看,2017版新課標指出:“通過實驗,認識自由落體運動規(guī)律．結(jié)合物理學史的相關內(nèi)容,認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用．”這體現(xiàn)其對學生的物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成具有重要意義．其次,從教材編排來看,自由落體運動是勻變速直線運動的一個特例,教材安排在運動學的基本概念和勻變速直線運動之后,顯然目標不僅僅是知識內(nèi)容的學習,而是更側(cè)重于培養(yǎng)學生的實驗探究能力及科學論證能力．

圖3 比薩斜塔落體圖

從學情來看,關于自由落體運動,學生有前概念但未必科學．一是迷思概念出現(xiàn)原因有多種:有生活經(jīng)驗的干擾,有對物理定義范式理解不深刻,有對科學語言運用不規(guī)范…具體來說,實際運動與理想模型,空氣阻力何時可以忽略等,都會對學生認知確實形成干擾．二是學生已初步掌握了位移、速度和加速度等概念,也會用打點計時器來研究勻變速直線運動,即具備了研究落體運動的科學推理與論證能力,因此,按照圖爾敏論證模型來具體展開課堂教學恰逢其時．

3.2 從不同理由G(ground)到相異主張C(claim),理性批判多個斷言

示例1.高層建筑物之上(見圖3),讓輕重不同的兩個物體從同一高度同時落下?你認為哪個物體會下落的快?

示例2.教學實驗演示:鋼球①和乒乓球①(G1>G2),在同一高度同時自由下落．觀察哪個小球會先落地?

科學論證始于主張C,主張其實就是邏輯學意義上的斷言,但是斷言的作出又源于所持的理由G．部分學生理解了“伽利略的兩個鐵球同時落地”故事,主張1:輕重物體下落一樣快．另一部分學生依靠生活直覺和示例2實驗觀察,主張2:物體越重下落越快．

此時教師該如何引導教學呢?

知道一個主張建立在什么根據(jù)之上僅僅是為獲得其堅固性和可靠性而邁出的第一步．接下來,如果此主張被認為是穩(wěn)定且可靠的并能被大家接受,那么,需要何種理由作為支撐它的根據(jù)?主張的類型決定根據(jù)．根據(jù)可能包括權威的斷言、生活常識、實驗觀察、眾所周知的事實等可參照的“客觀資料”(factual data)．

教師首先肯定“主張2”與學術權威亞里士多德的觀點一致,古希臘學者亞里士多德是通過生活現(xiàn)象觀察和直覺思維得出此斷言．“主張1”是物理學家伽利略所持觀點,當他質(zhì)疑和批判“重得物體下落快”時,采用了多種反駁手段．其一是落體“思想實驗”:伽利略在《關于兩門新科學的對話》中敘述了其推演過程,假設一塊大石頭具有速度8,而一塊較小的石頭具有速度4,那么當它們合在一起時,系統(tǒng)將以比8低的速度運動;而當把他們綁在一起時,就變成一塊比以前以8的速度運動的石頭還要大的石頭．所以重的物體比較輕的物體以較低速度運動．即按照亞里士多德的理論,會產(chǎn)生兩種自相矛盾的結(jié)論,表明該理論不能成立．其二是比薩斜塔實驗,“同時下落的兩個鐵球同時落地”,說明正確的科學斷言只能來源于實驗．其三沖淡重力斜面實驗,說明“自由落體運動是一種勻變速直線運動”,這其實就是保證W(warrant),而“沖淡重力”斜面實驗就是支援B(backing)．此環(huán)節(jié)中教師呈現(xiàn)相關背景資料信息,誘發(fā)思考,聚焦問題,為學生進一步掌握科學論證奠基．

3.3 從多個反駁R(rebuttals)到統(tǒng)一主張C(claim),突出科學可證偽性

“主張1”是否正確?示例2中實驗提供了有效的反駁,又如何解釋?讓學生接受斷言“輕重不同而下落快慢相同”,還必須有大量的數(shù)據(jù)為此主張?zhí)峁┱嬲挠行еС?即使是運用不同方式來“保證”．在科學研究中,保證應該是實驗規(guī)律和科學定律．此外,是否存在例外和特別狀況能推翻論證,即接受的反駁的論證越多,斷言就越有說服力．梳理出論證的過程方式是:初始主張(求異)——反駁(多次強化)——限定(成立條件)——最終觀點(統(tǒng)一)．具體到“自由落體運動”教學中．教師需要提供思維進階的實驗設計,共設置4個小實驗推進(見表2): ① 鋼球和鋼球(大小); ② 紙片和紙團(質(zhì)量相同)．③ 紙片和紙團(質(zhì)量不同)．④ 一大團棉花和小紙團(突出空氣阻力)．通過學生實驗的方式,進行多次反駁論證,目的是將論證提升到論證水平5層次,讓多個主張歸于統(tǒng)一．主張于是確定為“只受重力條件下(忽略空氣阻力),自由落體運動加速度相同”,而只受重力就是限定條件Q(qualifiers),從而得到“從同一高度同時下落的兩物體快慢相同”．

表2 自由落體運動相關實驗比較

3.4 從實例支援B(backing)到相關性保證W(warrant),提升論證質(zhì)量水平

TAP中保證(warrant)的涵義是指通過觀察、實驗、分析與推理,由根據(jù)得出主張的規(guī)則、原則或推論．上文已經(jīng)明確,自由落體運動的保證就是“它是一種勻變速運動”．運動當然遵從勻變速運動物理規(guī)律,為了進一步說明,讓相關性保證更富有權威性和正當性,我們從定性與定量兩個方面提出支援(backing)用以核定保證．

首先,從定性方面,考慮不受空氣阻力,其重力加速度相等,從靜止同時下落兩物體時間必定相等．一是設計抽去空氣的“牛頓管”實驗,二是無空氣月球上落體實驗,三是科學家在微觀層面做“墜落原子”實驗(如表3)．

教學中要體現(xiàn)實驗在論證及思維發(fā)展方面的核心作用．學生通過觀察不同類型的物體做落體運動,理解空氣阻力的存在對落體運動的影響,并借助于伽利略對自由落體運動的研究,體會實驗思維方式對物理學發(fā)展的巨大推動作用．通過對自由落體運動這種常見的、特殊的運動的研究,讓學生知識逐漸融入已有認知系統(tǒng),加強了物理學習與實際生活的聯(lián)系．一方面是對勻變速直線運動鞏固學習,另一方面也為今后研究比較復雜的拋體運動打下良好的基礎．

表3 不同觀察尺度的自由落體實驗

圖4 傳感器表征加速度圖線

其次,定量測出自由落體重力加速度的大小．一是傳統(tǒng)實驗運用打點計時器測量．學生進行小組實驗操作、記錄、思考、交流和討論．根據(jù)勻變速直線運動連續(xù)相等時間內(nèi)的位移之差Δs是一個常數(shù),或是利用計算機的Excel的圖表功能,繪制v-t圖像進行計算．二是現(xiàn)代信息技術,應用手機加速度傳感器直接進行數(shù)據(jù)測量．讓手機自由落體后,觀察手機上加速度傳感器的圖線(見圖4),可以看到,手機上圖線有一小段時間的數(shù)值是-10 m/s2(向上的波峰值是接住手機后手機做減速運動的加速度值),這就是自由落體加速度大?。?jīng)過這樣的論證推理過程,讓學生已有的認知結(jié)構得以拓展深化,從而理解與掌握TAP標準論證模型．

4 結(jié)論與反思

通過以上論證分析,結(jié)合科學論證研究成果,有三點反思與啟示．首先,圖爾敏模型的論證核心層是由根據(jù)、保證、支援、主張四個要素構成．在科學探究教學中,會提出問題和明確觀點只是論證的一個方面,要讓學生深入理解物理規(guī)律,讓科學論證更加豐富飽滿,需要從不同視角給出論證素材,而不是對所持觀點只進行類似相關素材堆積,以支持自由落體運動觀點3個教學實驗為例,并沒有讓學生找生活中不同物體逐一實驗,然后利用不完全歸納法求證．而是從3個不同角度,牛頓管實驗是從宏觀限定條件(抽出空氣),月球落體視頻是從宇觀太空條件(無空氣阻力),“墜落原子”實驗是微觀條件與宏觀條件辯證統(tǒng)一,體現(xiàn)了科學規(guī)律的客觀性和真理性．讓學生在更廣闊的物理背景上理解規(guī)律,內(nèi)化觀念,為教學目標的落實進行了有效奠基．

其次,反駁論證是物理規(guī)律的形成教學的關鍵．物理規(guī)律本就是以經(jīng)過多年重復實驗和觀察為基礎,并在科學領域內(nèi)普遍接受的典型結(jié)論．讓學生在學習過程中進行不斷反駁與質(zhì)疑,能加深學生對科學本質(zhì)的理解．學生設計不同的生活小實驗,親身實踐,親歷過程,來檢驗落體規(guī)律的正確性,最后自己總結(jié)出來必須加上限定詞(只受重力),同時也說明物理規(guī)律只在一定條件下成立,對科學研究的可證偽性有了更真切的感受,梳理出其論證范式是:初始主張(求異)—反駁(多次強化)—限定(成立條件)—最終觀點(統(tǒng)一)．同時也是對當前流行的“提出問題→組織討論→形成概念或規(guī)律”探究教學模式進行了深度批判和發(fā)展,此對學生體驗科學規(guī)律和發(fā)展科學思維大有裨益．

再次,論證質(zhì)量水平是科學規(guī)律教學的追求．科學論證是以科學知識為依據(jù),積極面對問題,對所獲得的數(shù)據(jù)資料進行解釋說明,提出自己的論點,反思自己和別人論點的不足并提出反論點,同時能反駁他人的質(zhì)疑和批判的高階思維能力．因此,教師在物理規(guī)律教學過程中,要讓學生充分展現(xiàn)自我,發(fā)展學生的批判性思維,引導其論證豐富性、復雜性和多元化,就像落體運動教學中,在學生做出斷言(主張)前,先進行多個主張的甄別．在實施反駁論證時,可以對資料、根據(jù),支援分別進行實施．明確的論證會促進學生對物理規(guī)律的理解,促使學生科學論證水平的提升,也有助于學生探索意識和創(chuàng)新能力的形成．