落實(shí)科學(xué)論證的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

代玉婷，劉小兵

廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) （2017年版2020年修訂）》將科學(xué)論證列入物理學(xué)科核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”層面的主要要素之一，并在課程目標(biāo)中要求學(xué)生通過(guò)高中物理課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估證據(jù)的能力，能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)[1]。因此，如何在教學(xué)中落實(shí)科學(xué)論證促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，是值得重視和研究的問(wèn)題。

1 論證式教學(xué)

科學(xué)論證是以證據(jù)為基礎(chǔ)，借助證據(jù)和邏輯推理獲得的理論依據(jù)支持自己的主張、反駁他人觀點(diǎn)的科學(xué)活動(dòng)[2]。目前應(yīng)用較廣泛的是圖爾敏的TAP論證模式，此模式提供了論證過(guò)程的基本范式，如圖1所示[3]。它包含依據(jù)、主張、理由三個(gè)基本要素和支援、反駁、限定詞三個(gè)補(bǔ)充要素。其中，依據(jù)是支持主張的數(shù)據(jù)、事實(shí)和證據(jù)；主張是我們想要證明和確定的結(jié)論；理由是連接依據(jù)和主張的普遍性原則和規(guī)律。而支援是對(duì)理由進(jìn)一步支持的陳述；限定詞是用來(lái)表明主張成立的范圍及條件；反駁是對(duì)資料、理由反駁的事實(shí)和觀點(diǎn)。

圖1 圖爾敏修訂后的TAP論證模式

論證式教學(xué)是將科學(xué)論證活動(dòng)引入課堂教學(xué)，落實(shí)科學(xué)論證促進(jìn)思維發(fā)展的一條行之有效的途徑。2010年王星喬和米廣春提出論證式教學(xué)模式的操作程序（圖2）[4]。根據(jù)此程序并結(jié)合科學(xué)探究的要素，在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可根據(jù)教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)情境引入論題，學(xué)生在情境和已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出猜想和進(jìn)行驗(yàn)證猜想的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)，并基于證據(jù)與理由闡述和解釋主張。若各小組意見(jiàn)一致且教師認(rèn)為達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)可直接進(jìn)入獲得結(jié)論階段[4]。若存在不同主張，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生辯證主張，在辯證過(guò)程中需要重新分析資料或收集額外證據(jù)來(lái)進(jìn)一步支持理由。待大家達(dá)成一致主張且教師認(rèn)為達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，可進(jìn)入獲得結(jié)論階段。

圖2 王星喬與米廣春提出的論證式教學(xué)程序

2 “探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的論證式教學(xué)思路

“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是新課標(biāo)明確提出的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，也是學(xué)生對(duì)力與運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的延續(xù)和學(xué)習(xí)牛頓第二定律的基礎(chǔ)。如果在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融合科學(xué)論證與科學(xué)探究，學(xué)生不僅能正確辨析所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、深化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的理解，還能促進(jìn)科學(xué)論證等能力的提高。那么，教師該如何引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)論證，提高科學(xué)論證能力，發(fā)展科學(xué)思維？為了有效解決此問(wèn)題，我們嘗試基于論證式教學(xué)程序?qū)Α疤骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系”進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 “探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

3 落實(shí)科學(xué)論證促思維發(fā)展的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入論題

教師播放某綜藝節(jié)目里“父隊(duì)”和“子隊(duì)”挑戰(zhàn)拉動(dòng)靜止火車(chē)的視頻，并提問(wèn)火車(chē)為什么會(huì)被拉動(dòng)？若同樣的人在同一個(gè)地方拉火車(chē)和汽車(chē)，哪種車(chē)會(huì)被較快拉動(dòng)？火車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，即產(chǎn)生加速度，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢反映加速度大小，此情境中火車(chē)的加速度受哪些因素影響？通過(guò)上述三連問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)情境提出論題：情境中靜止火車(chē)的加速度a與受到的拉力F拉、摩擦力f和自身質(zhì)量M車(chē)之間有什么關(guān)系？并猜想M車(chē)和 f不變，a與 F拉成正比；F拉和 f不變，a與 M車(chē)與成反比；M車(chē)和F拉一定時(shí)，f越小加速度越大。

【設(shè)計(jì)意圖】引入論題是論證的首要工作。這一環(huán)節(jié)，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境幫助學(xué)生建立加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的感性認(rèn)識(shí)，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生從物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)物體加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，并提出論題和猜想。

3.2 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，尋找證據(jù)

教師活動(dòng)：介紹實(shí)驗(yàn)儀器（配重片、DIS軌道專(zhuān)用小車(chē)、鋪布DIS軌道、4個(gè)50 g的鉤碼、1個(gè)20 g的砝碼、細(xì)線、小桶、電子秤、位移傳感器、電腦等）。引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（圖4），探究“火車(chē)加速度與拉力、摩擦力、質(zhì)量的關(guān)系”。

圖4 實(shí)驗(yàn)儀器

問(wèn)題1：需要哪些實(shí)驗(yàn)儀器模擬火車(chē)、軌道和拉力？

問(wèn)題2：采取什么實(shí)驗(yàn)方法？具體實(shí)驗(yàn)思路是什么？

問(wèn)題3：實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要測(cè)量哪些物理量？如何測(cè)量？

問(wèn)題4：是否可視桶和鉤碼的重力大小為拉力的大小？

（提示：當(dāng) M車(chē)+發(fā)射器＞＞m桶+鉤碼時(shí)，F(xiàn)拉=G桶+鉤碼）

問(wèn)題5：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理才能更直觀地反映被測(cè)物理量間的關(guān)系？

學(xué)生活動(dòng)：考慮到摩擦力難以測(cè)量，各小組先開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，探究前兩個(gè)猜想。一是在同一個(gè)鋪布DIS軌道（f相同），控制M物（小車(chē)和發(fā)射器質(zhì)量）不變,改變F拉，測(cè)量物體加速度大??；二是在同一個(gè)鋪布DIS軌道（f相同），控制F拉不變，改變M物，測(cè)量物體加速度大小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理，得到a-F拉和圖像均是與橫軸有交點(diǎn)的直線（圖5、圖6）。

圖5 控制M物和f不變得到的a-F拉圖

圖6 控制F拉和f不變得到的圖

【設(shè)計(jì)意圖】證據(jù)是提出主張的前提依據(jù)。教師站在學(xué)生的角度，層層設(shè)問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)，為后面的論證階段奠定基礎(chǔ)。

3.3 組內(nèi)交流，闡釋主張

教師活動(dòng)：在分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有的小組容易主觀地把圖像未過(guò)原點(diǎn)的原因歸咎于實(shí)驗(yàn)誤差。這時(shí)教師追問(wèn)：你們的理由是什么？圖像與橫軸有截距到底是實(shí)驗(yàn)誤差還是這個(gè)截距有什么特殊物理意義？其他小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的主張是否與他們相同？

學(xué)生活動(dòng)：在教師的引導(dǎo)下，有的小組基于已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和科學(xué)推理提出不同主張：圖像與橫軸的截距不是實(shí)驗(yàn)誤差，圖像就是一條不過(guò)原點(diǎn)的直線（證據(jù)）。因?yàn)樵赼-F拉圖像中，圖像與橫軸的交點(diǎn) a=0，根據(jù)二力平衡F拉=f，該點(diǎn)數(shù)值表示摩擦力大?。ɡ碛桑８鶕?jù)數(shù)學(xué)知識(shí)正比例函數(shù)圖像是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線；一次函數(shù)的圖像是一條不垂直于x軸的直線（理由）。所以認(rèn)為M物和 f不變，a與 F拉不成正比；F拉和 f不變，a與 M物不成反比。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程小車(chē)受到的恒力f越小，上述兩個(gè)圖像與橫軸的截距會(huì)越來(lái)越靠近原點(diǎn)。

【設(shè)計(jì)意圖】這一環(huán)節(jié)學(xué)生總是基于原有經(jīng)驗(yàn)解釋證據(jù)，不同的學(xué)生對(duì)同一科學(xué)現(xiàn)象可能存在不同的理解。在闡述主張和解釋主張的過(guò)程中，學(xué)生能看到與自己不同的理解，使理解更豐富[4]。此外，學(xué)生運(yùn)用科學(xué)推理獲得理論依據(jù)批判、質(zhì)疑他人觀點(diǎn)的過(guò)程，可進(jìn)一步提高科學(xué)推理能力和批判性思維能力。

3.4 補(bǔ)充證據(jù)，辯證主張

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生經(jīng)過(guò)討論得到減小小車(chē)受到恒定f大小的兩種方案：換表面粗糙程度更小的DIS軌道或墊高木板利用重力“沖淡”部分摩擦力。教師提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)室共有麻布、纖維、雪紡三種不同粗糙程度的鋪布DIS軌道，每種類(lèi)型各4組，由于時(shí)間有限，組間可分工協(xié)作，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)。

組間組隊(duì)類(lèi)型有兩種：一種是DIS軌道粗糙程度不同的三個(gè)小組組隊(duì)，他們互相分享之前在各自的鋪布DIS軌道（f相同），控制M物不變,改變F拉測(cè)量物體加速度大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)得到的圖像如圖7所示，分析圖像變化規(guī)律可知與主張相符。并且縱向?qū)Ρ萢-F拉圖的三個(gè)圖像可得，M物和F拉一定時(shí)，f越小加速度越大，猜想三得以證實(shí)。

圖7 小車(chē)在不同粗糙程度的水平軌道得到的a-F拉圖

另一種是相同實(shí)驗(yàn)儀器的三個(gè)小組組隊(duì)，三個(gè)小組分別墊高木板的高度是一本、二本和三本物理書(shū)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后處理數(shù)據(jù)得到的圖像如圖8所示，分析圖像變化規(guī)律可知也與主張相符，主張成立。再次縱向?qū)Ρ葓D的幾個(gè)圖像依然可得，M物和F拉一定時(shí)，f越小加速度越大，猜想三再次得以證實(shí)。

圖8 小車(chē)在依次被墊高的雪紡軌道上得到的圖

【設(shè)計(jì)意圖】辯證主張是科學(xué)論證的核心環(huán)節(jié)，學(xué)生運(yùn)用與同學(xué)合作探究所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去解釋自我主張、反駁他人主張的過(guò)程，不僅能幫助大家正確辨析所得圖像未過(guò)原點(diǎn)的原因，還能體會(huì)科學(xué)論證的步驟，培養(yǎng)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

3.5 優(yōu)化主張，獲得結(jié)論

教師提問(wèn)：既然摩擦力和拉力都影響物體加速度大小，那么它們的合力與物體加速度會(huì)不會(huì)有什么更特別的關(guān)系？

滲透極限思想：從圖像可知，f越小，圖像與x軸的截距會(huì)越來(lái)越靠近原點(diǎn)；若f無(wú)限接近0時(shí)，圖像與x軸的截距會(huì)無(wú)限接近原點(diǎn)，如圖9和圖10所示。

圖9 f→0時(shí)所得的 a-F拉圖

圖10 f→0時(shí)所得的圖像

學(xué)生合理外推：f→0 時(shí)，M物一定，a∝F拉。f→0，F(xiàn)拉=F合一定，。

教師提示：f≠0的 a-F拉圖像可由 f→0時(shí)a∝F拉圖像向右平移|f|個(gè)單位得到（圖 11），依據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)正比例函數(shù)y=kx向右平移b個(gè)單位可得函數(shù) y=k（x-b）。

圖 11 a-F拉圖像平移得到 a-（F拉-f）圖像

學(xué)生科學(xué)推理得：M物一定，a∝（F拉-f）=F合。

學(xué)生由上述科學(xué)推理的結(jié)果——“F合一定，”“M物一定，a∝F合”，進(jìn)一步優(yōu)化主張表述，獲得大家認(rèn)可的結(jié)論：物體的加速度與合力成正比，與質(zhì)量成反比。

【設(shè)計(jì)意圖】這一環(huán)節(jié)學(xué)生在教師的引導(dǎo)下無(wú)需做到恰好平衡摩擦，而是基于已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巧用極限思想合理外推得到物體加速度與合力、質(zhì)量的關(guān)系。這樣的處理不僅能幫助學(xué)生深化對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，還能提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)論證過(guò)程，學(xué)生基于對(duì)證據(jù)的理解闡釋主張有助于他們超越自我認(rèn)識(shí)，提高評(píng)估證據(jù)的能力。其次，學(xué)生運(yùn)用證據(jù)和科學(xué)推理獲得的理由能促進(jìn)批判性思維的發(fā)展?？茖W(xué)推理能力和科學(xué)論證能力的培養(yǎng)也能從中落地而生。因此，探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在關(guān)注學(xué)生科學(xué)觀念的形成、科學(xué)探究能力提高的同時(shí)，還要注重科學(xué)論證等科學(xué)思維的發(fā)展。