基于科學解釋能力培養(yǎng)的高中物理“牛頓第一定律”教學設(shè)計

王迪 彭章輝 高守寶

摘 ? 要：科學解釋在科學探究中具有關(guān)鍵作用。利用PTDR框架對牛頓第一定律的教學過程進行設(shè)計，采用漸退式腳手架策略，顯化科學解釋的路徑，以期鍛煉學生在探究過程中的思維能力與科學解釋能力，為教師設(shè)計能發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的教學提供啟示。

關(guān)鍵詞：科學解釋;PTDR框架;牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）2-0031-5

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，科學探究包括問題、證據(jù)、解釋和交流等要素[1]。新一輪基礎(chǔ)教育課程改革讓科學解釋的地位和價值在科學探究中越來越受到重視，“解釋”被擺在了我國科學教育中更為重要的位置。在教育實踐中，解釋普遍存在于教師和學生的語言行為中，而行為主體的不同會導致兩者的解釋在課堂中起著不同的作用。在課堂教學中，構(gòu)建對自然系統(tǒng)的行為和特性的科學解釋被視為學生進行學習任務的核心能力。學生在嘗試理解自然現(xiàn)象時所構(gòu)造的科學解釋有利于幫助其形成有足夠說服力的依據(jù)并合理表達自己的理解[2]。如果學生在遇到問題時能夠自主產(chǎn)生解釋，也能有效促進知識的傳播[3-4]。教師可以通過學生的解釋來了解學生是如何建立諸多概念之間的聯(lián)系以及如何解釋科學模型和科學思想的。

1958年Toulmin提出了包含資料、主張、理由、條件、支持和反證等要素的辯論模型，McNeill等人在此基礎(chǔ)上簡化，將解釋分為了三個部分：主張（Claim）、證據(jù)（Evidence）、推理（Reasoning），即CER框架[5]。姚建欣在CER框架的基礎(chǔ)上重構(gòu)科學解釋的要素和學習能力進階，提出了待解釋現(xiàn)象/預測（Phenomenon/Prediction）—理論（Theory）—資料（Data）—推理（Reasoning）的PTDR框架[6]，為以培養(yǎng)和提升學生科學解釋能力為目的的教學提供了借鑒。

牛頓第一定律揭示了力與運動的關(guān)系，即力是改變物體運動狀態(tài)的原因，為之后進一步分析與處理運動學問題奠定了基礎(chǔ)。張晴在初中階段的牛頓第一定律基礎(chǔ)上，從學生認知發(fā)展的需要出發(fā)設(shè)計了牛頓第一定律的教學過程[7];高嵩等設(shè)計的教學過程則帶領(lǐng)學生重走物理學家探究力與運動關(guān)系的歷史，幫助學生掌握科學探究的過程[8];徐杰為使學生深入理解牛頓第一定律的概念，以問題為導向，在學生解決問題的過程中達到教學目的[9]。

本文將“牛頓第一定律”的教學進行重新設(shè)計，使解釋貫穿整個教學過程，每遇到一個真實的問題時，教師便展示相應的工作任務單，讓學生在探究的基礎(chǔ)上深入思考。從開始的由帶有提示的解釋框架形成科學解釋，到最后學生獨立思考，完成不帶提示的解釋框架。整個過程將科學解釋外顯化，并采用了漸退式腳手架策略，使學生在學習過程中認識到科學解釋的重要性，并能夠獨立地完成一個完整的科學解釋，強化科學解釋的能力。

1 ? ?基于PTDR框架的教學流程

牛頓第一定律的教學過程（圖1）以PTDR框架為指導，采用漸退式腳手架的策略，顯化科學解釋的路徑。從新課導入到實踐應用環(huán)節(jié)，都將科學解釋活動作為教學的中心環(huán)節(jié)，以進一步幫助學生理解所學的內(nèi)容，有效培養(yǎng)與發(fā)展其科學解釋能力。

2 ?; ?教學過程設(shè)計

2.1 ? ?創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)認知沖突

教師推動靜止于桌面上的木塊，提出問題：同學們觀察到了什么現(xiàn)象？撤去施加在木塊上的推力時，又會發(fā)生什么現(xiàn)象？

學生觀察思考后，通過直接經(jīng)驗給出力與運動的關(guān)系，同時，教師借此提出亞里士多德的觀點。

接著，教師用手去推桌面上靜止的小車，然后撤去推力，讓學生觀察小車運動狀態(tài)的變化。

教師：請同學們根據(jù)剛才的實驗現(xiàn)象和日常的生活經(jīng)驗完成工作單中的任務1（圖2）。

讓學生互相討論，認真思考，完成工作單。

教師：請A組同學來展示討論結(jié)果（圖3）。

接著，教師介紹伽利略的觀點：摩擦力的存在，使運動的物體最終停止下來，因而物體的運動并不需要外力來維持。（同時，教師簡要介紹亞里士多德的事跡與貢獻及偉人對他的評價，告訴學生雖然由于當時條件的限制，亞里士多德對力與運動的認識不夠全面，但是他的觀點在當時乃至以后的很長一段時間里都是絕對的權(quán)威）。

【設(shè)計意圖】 從生活中的示例引出兩種對立的觀點，引起學生的認知沖突，激發(fā)學生的興趣，并讓學生通過科學解釋加深對現(xiàn)象的理解，從而認識到科學解釋能力的重要作用。由于學生一開始嘗試解釋的時候，容易理不清思路，可以先提供給學生帶有提示的解釋框架，幫助學生搭建支架后進行思考。

2.2 ? ?探究力與運動的關(guān)系

教師：300多年前，伽利略設(shè)計了一個著名的斜面實驗來探究力與運動的關(guān)系。接下來，我將帶領(lǐng)你們一起探討這個實驗。

然后，教師簡要介紹伽利略理想斜面演示器。

教師：在剛才的演示實驗中，可以知道是摩擦力使小車最終停了下來。請同學們思考，在演示器的斜面上，可以采取什么方法使小球受到不同大小的阻力呢？

學生：讓小球在不同材料的斜面上運動。

教師：之后就可以換用不同粗糙程度的斜面來進行探究。請同學們思考如何判斷小球在演示器上的運動情況？

學生：可以比較小球滾動到底面之后的運動，也就是觀察小球運動到另一個斜面上的高度。

教師：可以在實驗過程中隨意改變斜面的傾角嗎？

學生：不可以，要保證斜面傾角相同。

教師：這是采用了什么實驗方法呢？還有別的注意事項嗎？

學生：控制變量法。還要保證每次都要在同一高度的位置釋放小球。

教師：現(xiàn)在請各小組自行設(shè)計實驗方案，并在實驗過程中完成工作單2（圖4）。

教師：我看到每個小組的實驗都已經(jīng)完成了，接下來請B組的同學展示他們填寫的工作單（圖5）（為節(jié)省篇幅，之后的工作單均以帶參考答案的形式出現(xiàn)）。

學生開始好奇伽利略是如何實現(xiàn)小球在不受任何阻力的情況下到達與釋放點等高的位置從而來證明他的假設(shè)的。

教師提出理想實驗法：在探究過程中，往往會出現(xiàn)無法滿足實驗條件的情況，為了達到實驗目的，經(jīng)常需要借助在理想情況下進行的實驗假設(shè)，再以此為基礎(chǔ)進行分析推理，從而得出正確的實驗結(jié)論。因此，盡管在實際生活中不存在絕對光滑的斜面，導致小球無法到達嚴格的等高處，但為達到實驗目的，我們?nèi)钥梢詫⑿泵孢M行理想化處理，認為小球是近似等高。由此，我們能夠知道伽利略的理想斜面實驗是在現(xiàn)有的實驗基礎(chǔ)上經(jīng)過了一定的理想化處理后得到的，是一種理想化模型。

教師引導學生思考：如果保持斜面的粗糙程度不變，逐漸改變斜面的傾角，會觀察到什么現(xiàn)象呢？請同學們繼續(xù)實驗，并在實驗過程中完成工作單3（圖6）。

師生進一步總結(jié)伽利略斜面實驗結(jié)論。

【設(shè)計意圖】 學生在進行實驗的過程中通過探究與思考并行的方式對實驗現(xiàn)象作出科學合理的解釋，進一步強化了自己的科學解釋能力。

2.3 ? ?理解牛頓第一定律的概念

教師：至此，我們是不是已經(jīng)可以得出力與運動的關(guān)系了呢？伽利略通過斜面實驗僅能推出當所受外力為零時，處在勻速運動狀態(tài)的物體將會一直保持勻速，而同一時期的笛卡爾在此基礎(chǔ)上探究發(fā)現(xiàn)，物體除了運動速度大小恒定之外，方向也不會發(fā)生變化。 牛頓將伽利略與笛卡爾的觀點進行了歸納完善，總結(jié)出了牛頓第一定律。

教師提問：牛頓第一定律究竟蘊含了哪幾層含義呢？

讓學生分組討論，認真思考。最后，由教師進行總結(jié)：物體在不受外力或合外力為零時，總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)，物體運動狀態(tài)的改變需要外力作用。

2.4 ? ?探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系

在學習了牛頓第一定律的概念之后，學生對其已經(jīng)有了較為清晰的認識。教師還需要強調(diào)其中“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)”，讓學生理解慣性的含義：物體總保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)。

教師剖析其中“總保持”三個字：說明這是物體與生俱來的本領(lǐng)，進一步提出慣性是物體的固有屬性。

教師提問：慣性的大小與什么因素有關(guān)呢？

小組游戲：有兩個大小相同的乒乓球和鋼球，分別用細線拴著，用力吹這兩個球，觀察它們的變化。

教師：經(jīng)過之前的練習，相信同學們已經(jīng)可以獨立地完成科學解釋，請同學們思考觀察到的現(xiàn)象，并認真完成不再帶有提示信息的工作單4（圖7）。

【設(shè)計意圖】 通過游戲探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系，激發(fā)學生的興趣，調(diào)動他們的積極性，從而加深學生對慣性的認識，明確質(zhì)量是慣性的唯一量度。同時，學生經(jīng)過之前對構(gòu)建科學解釋的方法練習，其科學解釋能力有了一定提高。因此，撤去解釋框架中的提示，讓學生經(jīng)歷完整的解釋過程，在獨立思考中有效提升科學解釋能力。

師生共同總結(jié)：質(zhì)量是慣性大小的唯一量度。質(zhì)量大的物體，它的慣性就大，反之慣性就小。

教師：生活中還有哪些事例可以證明該結(jié)論呢？學生思考并舉例。

2.5 ? ?應用實踐

教師：相信同學們已經(jīng)能夠正確理解力與運動的關(guān)系了。最后，作為練習，請同學們思考這樣一個常見的生活實例，并完成工作單5，寫出合理的科學解釋（圖8）。

【設(shè)計意圖】 在基本完成所有的教學內(nèi)容之后，學生已經(jīng)對本堂課的內(nèi)容有了初步的掌握，構(gòu)建科學解釋的意識也逐步增強。于是，最后通過一個真實的問題情境讓學生獨立構(gòu)建科學解釋，一方面鞏固本節(jié)課所學內(nèi)容，另一方面通過練習進一步強化學生在處理實際問題時的邏輯思維能力與科學解釋能力。

3 ? ?教學啟示

3.1 ? ?注重科學探究過程中解釋的作用

新一輪基礎(chǔ)教育改革以來，科學探究在教學中的地位越來越突出，已成為高中物理課堂中必不可少的教學環(huán)節(jié)。但一些教師在教學過程中只重探究，忽略了解釋的作用，陷入了“凡課必探究”的教學誤區(qū)，造成了形式主義下的課堂教學[10]。在探究過程中雖然能夠調(diào)動學生的積極性，但整節(jié)課下來學生找不到本堂課的中心問題，而且該課對提升學生邏輯思維能力的作用也微乎其微。教師應有意識地將科學解釋滲透于教學過程之中，使科學探究的活動能夠圍繞解釋展開，凸顯教學中解釋的重要性，并強化學生科學解釋能力的目的。

3.2 ? ?合理安排教學步驟，顯化解釋路徑

基于PTDR 框架指導的科學解釋包括四個要素，因此，學生在構(gòu)建科學解釋時花費的時間較長，為保證在一堂課的時間里教學能夠順利進行并完成，教師只在少數(shù)關(guān)鍵的問題情境下讓學生經(jīng)歷完整的科學解釋過程即可。至于學生沒有經(jīng)歷完整科學解釋過程的不足，教師可在講解過程中通過提出科學解釋的思想，或僅采用部分科學解釋的要素去有針對性地引導學生進行思考。

3.3 ? ?課后作業(yè)應加強對科學解釋的練習

學生在課上雖然已經(jīng)學習了在一個問題情境下如何構(gòu)建科學解釋來解決問題的方法，但由于課堂時間有限，教師應在課后布置包含有科學解釋類的相關(guān)題目，幫助學生進一步鞏固構(gòu)建科學解釋的過程，從而強化學生的科學解釋能力，幫助他們真正建立起對物理現(xiàn)象與規(guī)律的深刻認識。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]Berland， L. K.， Reiser， B. J. Making sense of argumentation and explanation[J].Science Education，2009，93（01）：26-55.

[3]Chi， M. T. H.， Bassok， M.， Lewis， M. W.， etal. Self-explanations： How students study and use examples in learning to solve problems[J]. Cognitive Science， 1989，13（02）： 145-182.

[4]Chi， M. T.， De Leeuw， N.， Chiu， M. H.， etal. Eliciting self‐explanations improves understanding[J]. Cognitive Science， 1994，18（03）：439-477.

[5]McNeill， K. L.， Lizotte ， D. J.， Krajcik， J.， etal. Supporting students' construction of scientific explanations by fading scaffolds in instructional materials [J]. Journal of the Learning Sciences，2006，15（02）：153-191.

[6]姚建欣.中學物理課程中科學解釋學習進階及其教學應用[M].南寧：廣西教育出版社，2019.

[7]張晴.基于學生認知發(fā)展的高中物理教學設(shè)計研究——以“牛頓第一定律”的教學為例[J].中學物理教學參考，2019，48（10）：46-47.

[8]高嵩，秦飛.基于物理學史的“牛頓第一定律”的數(shù)字化教學設(shè)計[J].物理教師，2017，38（07）：17-21.

[9]徐杰.巧用問題導向 促進深度學習——以“牛頓第一定律”教學為例[J].湖南中學物理，2021，36（02）：60-63.

[10]童大振.基于科學解釋的教學設(shè)計——以“牛頓第三定律”為例[J].中學物理，2020，38（23）：2-5.

（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）

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