基于圖爾敏模型促進初中生物理科學論證能力提升

摘 要：科學論證能力是培養(yǎng)學生批判性思維的重要載體.教師在初中物理課堂教學中，應當結合物理學科特點，緊緊圍繞物理知識建構，以科學探究問題為引領，以圖爾敏科學論證模型為支撐，引導學生開展嚴謹?shù)目茖W論證活動，對學生進行批判性思維訓練，以期發(fā)展學生批判性思維能力.

關鍵詞：批判性思維;科學論證;圖爾敏模型;物理教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0009-03

作者簡介：葉成林（1969-），男，江蘇儀征人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理課堂教學與實驗研究.

1 圖爾敏模型

批判性思維是決定學生信念和行動而進行的合理的反思性思維[1].批判性思維是學生受用終身的能力與品格，是創(chuàng)造性思維的基礎[2].培養(yǎng)學生批判性思維的重要載體是科學論證[1].科學論證的內涵是“利用證據建立科學理由以推理得出科學主張”[3].英國哲學家斯蒂芬·圖爾敏在20世紀提出一個科學論證模型，以明晰、支撐學生的科學論證活動，規(guī)范學生的批判性思維路徑，提高學生批判性思維能力.圖爾敏模型包括6個論證元素：根據、斷言、保證、支撐、辯駁、限定.其中，根據是用來論證的事實證據，斷言是論證的結論，保證是連接證據和結論之間的普遍性原則，支撐是用來支持保證的陳述，辯駁是反駁和說明，限定是對論證結論限定的修飾詞.

我國董毓博士也認為批判性思維的培養(yǎng)，根子在基礎教育[4].在初中物理教學中培養(yǎng)初中生批判性思維，教師應圍繞物理知識建構，積極倡導批判性思維教學，引導學生以圖爾敏模型為支撐，緊緊圍繞論證6要素，開展科學論證活動，以顯化初中生在認識物理知識過程中內在的科學思維活動，促進初中生深刻理解物理知識的內涵及外延，掌握物理知識建構過程中蘊含的科學思想方法，在發(fā)展初中生批判性思維技能的同時，培養(yǎng)學生團結協(xié)作、嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度.

2 基于圖爾敏模型的初中生物理科學論證能力提升策略

教師在初中物理教學中，應當以科學探究問題為引領，以圖爾敏模型為科學論證模型，對初中生進行批判思維訓練，培養(yǎng)學生理性思維，促進學生對物理知識的深度認知，發(fā)展學生科學探究能力.

2.1 基于物理情境，確認論證根據，明晰科學探究問題

問題，處于人類認知和生活的樞紐位置.學生能夠提出科學探究的“好”問題，是啟動科學探究的起點，是科學探究成敗的關鍵[1].問題通常存在于情境中.初中學生抽象思維欠缺，形象思維仍占主導地位.而且，一個好的推理從根據開始，而最值得信賴的根據來源通常是基于真實物理情境直接觀察的書面記錄或經歷者的記憶、個人證言[5].為讓學生能從日常物理現(xiàn)象的觀察中發(fā)現(xiàn)并提出有價值的科學探究問題，教師創(chuàng)設真實的物理情境十分重要.

筆者在進行“歐姆定律”的教學時，為了讓學生基于直接觀察到的物理現(xiàn)象，提出科學探究問題，并在此基礎上猜想提出個人斷言，筆者創(chuàng)設以下真實的物理情境.

情境1：將小燈泡、干電池、開關用導線連接，閉合開關，小燈泡發(fā)光.改變干電池的節(jié)數(shù)，觀察到燈泡的亮度發(fā)生變化.

學生仔細觀察并記錄實驗現(xiàn)象：干電池節(jié)數(shù)越多，小燈泡兩端電壓越大，燈泡越亮，即燈泡中的電流越大.

情境2：將滑動變阻器接入上述電路中，移動滑動變阻器的滑片，改變接入電路中的電阻大小，觀察到燈泡的亮度發(fā)生變化.

學生仔細觀察并記錄實驗現(xiàn)象：干電池的節(jié)數(shù)不變，移動滑動變阻器的滑片，改變電路中的電阻，滑動變阻器接入電路的電阻越小，燈泡越亮，即電路的電流越大.

教師引導，學生基于實驗現(xiàn)象，提出探究問題：通過燈泡的電流大小與電壓、電阻有什么關系？

教師引導，學生基于確認的根據（實驗現(xiàn)象），猜想問題斷言（結論）：通過燈泡的電流大小與燈泡兩端的電壓成正比，與燈泡的電阻成反比.

2.2 基于實證研究，得出普遍規(guī)律，為斷言提供保證

學生能夠提出問題僅是啟動科學探究、進行批判性思維訓練的第一步.西方學者認為，批判性思維更應看成問題的解決過程.學生在解決科學探究問題過程中發(fā)展批判性思維能力的關鍵在于科學探究實驗方案的設計，實驗證據的收集、分析、鑒別和評估，科學探究結論的推理及其評估，對其他的證據、解釋和論證的考察，對其他解釋、論證全面綜合的判斷等，通過以認識論為基礎的批判性思維訓練，以期學生更全面地理解和掌握所獲得的物理知識，發(fā)展學生能力.

對于學生提出的斷言，教師提出質疑：你根據什么理由得出上述斷言？難道僅憑偶然的實驗現(xiàn)象觀察就能得出電流大小與電壓、電阻大小之間的定量關系？我們要基于圖爾敏論證模型，開展科學論證活動.精心設計實驗方案，獲取精確的實驗數(shù)據，開展實證研究，在此基礎上得出普遍規(guī)律，為斷言（實驗結論）的得出提供重要的保證.

2.2.1 基于合理論辯，設計實驗方案

教師在設計“探究電流與電壓、電阻關系”實驗方案時，首先讓學生明確實驗所應采用的物理方法：“控制變量法”.教師引導學生總結初中物理學習以來運用這個方法進行物理實驗設計的所有實驗，在引領學生復習鞏固所學物理知識同時，強化學生對控制變量法的理解，為本科學探究的實驗設計奠定基礎.

在此基礎上，教師引導學生利用給予的實驗器材：干電池、定值電阻（5Ω、10Ω、15Ω、20Ω）、電流表、電壓表、開關、滑動變阻器、導線等，設計實驗方案.在運用控制變量法進行實驗電路設計時，學生通常會呈現(xiàn)如圖1所示的實驗方案.教師引導學生從可行性、便捷性、可操作性、安全性等方面出發(fā)對該方案進行分析、評估.討論時教師鼓勵學生大膽發(fā)表自己意見，為自己的實驗設計方案的可行性提供證據，同時教育所有學生包容其他學生之間的不同建議，尊重別人的研究成果，注重自我反思，批判性地吸收別人好的建議，以完善自身方案設計，養(yǎng)成良好的批判性思維品德.

小組1：我們學習小組設計的實驗方案如圖1所示.在探究電流與電壓關系時，保持定值電阻大小不變，只要改變干電池的節(jié)數(shù)，就可以讓電阻兩端電壓成整數(shù)倍變化，記錄并觀察電流大小變化;在探究電流與電阻關系時，保持干電池節(jié)數(shù)不變，更換定值電阻，記錄并觀察電流大小變化.

論辯1：該方案便捷性較好.但可操作性不好，在探究電流與電壓關系時，不能連續(xù)改變電壓大小;安全性不高，隨著電池節(jié)數(shù)變多，可能會損壞電路元件.

論辯2：該方案可行性不高.在探究電流與電阻關系時，我們小組對此方案進行實際操作，發(fā)現(xiàn)隨著電阻大小的變化，電壓表的示數(shù)也在發(fā)生變化，說明此方案不能控制電壓一定.

小組2：通過剛才同學們的論辯與我們的自我反思，我們小組設計如圖2所示的實驗方案.在如圖1所示的實驗方案的基礎上，我們在電路中接入滑動變阻器.通過移動滑動變阻器的滑片，以改變定值電阻兩端的電壓或控制其兩端電壓不變，同時還可以起到保護電路的作用.這樣的實驗方案可行性、便捷性、可操作性、安全性都較好.

2.2.2 基于實驗數(shù)據，總結普遍規(guī)律

教師引導學生依據實驗方案2小組合作開展實驗探究，將采集到的實驗數(shù)據填入自行設計的表格中.教師巡視，幫助學生解決實驗過程中存在的問題，并提醒學生實驗時間不可過長.在學生實驗基礎上采集展示部分實驗數(shù)據見表1、表2.

教師引導學生分析實驗數(shù)據，很容易總結出實驗結論：當導體電阻一定時，導體中的電流與導體兩端電壓成正比;當導體兩端電壓一定時，導體中的電流與導體電阻成反比.

在此基礎上，教師對照科學論證圖爾敏模型，向學生指出：這個普遍規(guī)律為歐姆定律內容的推理得出提供重要保證，而精確的數(shù)量關系又是該普遍規(guī)律的重要支撐，由此培養(yǎng)學生嚴謹?shù)倪壿嬎季S能力，發(fā)展學生科學探究能力.

2.3 基于批判反駁，界定適用范圍，完善科學斷言

圖爾敏模型還提醒人們對于斷言有無辯駁和反例，以限定推理的范圍和結論[1].歷史上，認識的革命，常常就是推翻人們已經下意識接受的共同觀念.不同的甚至對立的觀念對發(fā)展學生的批判性思維具有重要的作用，它不僅突破人們看問題的視角，而且培養(yǎng)學生的發(fā)散思維.在科學論證活動中，教師應引導學生基于不同的事實證據對已經形成的斷言進行批判反駁，全員參與正、反方批判性討論，通過討論讓學生比較各種觀點的優(yōu)缺點，評估各種信息的真?zhèn)危龠M學生深入思考，拓寬學生認知邊界，提高學生綜合判斷能力，從而促使學生全面深入認知所獲取的知識.

基于初中學生認知的局限，在學生推理得出歐姆定律內容和數(shù)學表達式后，教師主動引導學生提出質疑：歐姆定律是否對所有導體都適用？為什么本節(jié)課教學問題引入從小燈泡開始，而在實驗探究過程中老師要提供給大家的是定值電阻？在實驗操作過程中，為什么要提醒同學們實驗時間不要過長？下面請同學們利用所提供的小燈泡利用實驗方案2來探究電流與電壓關系，并計算出電阻，分析思考上述問題.

學生實驗探究電流與電壓關系，教師采集部分數(shù)據見表3.小燈泡的規(guī)格為“2.5V 0.3A”.

學生反駁：通過對所采集的精確的實驗數(shù)據分析，通過小燈泡的電流大小與小燈泡兩端的電壓不成正比關系，不適用于歐姆定律.利用前面學過的知識，我們初步分析原因在于燈泡的電阻受溫度影響，不是定值電阻.

教師：看來，歐姆定律的適用有條件限制.請大家利用實驗數(shù)據分別畫出定值電阻和小燈泡的I-U圖像，結合圖像小組集體批判論辯與總結定律適用的條件.

學生界定：定值電阻I-U圖線是一條通過坐標原點的傾斜直線，而小燈泡I-U圖線的斜率不斷改變.歐姆定律適用于I-U圖線斜率不變的定值電阻，不適用于I-U圖線的斜率不斷改變的非定值電阻.

教師在此基礎上引導學生認識到滿足歐姆定律的元器件一定是線性元件.其I-U圖線是一條通過坐標原點的直線，斜率不變，具有這種性質的電器元件叫線性元件，其電阻叫線性電阻或歐姆電阻（如常溫下的金屬、電解質溶液）.對于I-U圖線的斜率不斷改變的非線性元件（如實際燈泡、半導體元件等），其電阻隨電壓的改變而改變，就不適用于歐姆定律.

但教師需向學生進一步指出，盡管非線性元件不適用于歐姆定律，但電阻R=U/I的定義式依然成立，該公式適用于所有的導電元件.雖然導體的電阻隨溫度、環(huán)境條件的影響而發(fā)生變化，但我們仍可以用改變后某一時刻電壓和電流求解出電阻.如實際燈泡的工作I-U圖線是一條曲線，我們可以用此曲線求解出某時刻的燈泡電流、電壓和電阻關系.

教師最后引導學生依據圖爾敏模型，構建本節(jié)課基于科學探究問題解決的科學論證活動的邏輯框架，如圖3所示，目的在于讓學生進一步理解科學論證各要素間的邏輯關系，為學生以后開展科學論證活動奠定基礎.

在初中物理教學中，教師以圖爾敏模型6要素為支撐，緊緊圍繞物理知識建構，以科學探究問題為引領，引導學生開展科學論證活動.此外，教師通過設計嚴謹?shù)目茖W論證活動，對學生進行批判性思維訓練，以期培養(yǎng)學生邏輯思維能力、科學研究能力，為學生終身發(fā)展奠定基礎.針對初中學生的認知特點，剛開始的時候，教師應幫助學生厘清圖爾敏論證模型6要素內涵，重點引導學生理解6要素之間的邏輯關系，并在課堂上結合實例注重示范，以使得學生充分理解圖爾敏論證模型.在此基礎上，教師便可結合物理科學探究活動，引導學生循序漸進開展論證活動，逐步提高學生科學論證能力，提高學生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]董毓.批判性思維原理和方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]董毓.批判性思維的探究本質和對創(chuàng)新的作用[J].工業(yè)和信息化教育，2017（05）：27-36.

[3]馬亞鵬.科學論證在我國課程政策中的歷史演進——以高中物理課程標準（教學大綱）為例[J].物理教師，2019，40（03）：7-10.

[4]董毓.角逐批判性思維[J].人民教育，2015（09）：13-19.

[5]戴維·希契柯克，武曉蓓，張志敏.基于圖爾敏模型的好推理[J].工業(yè)和信息化教育，2017（05）：15-26.

（收稿日期：2020-11-21）