運用反思性論證教學策略 培養(yǎng)學生的科學論證能力
——以“小車速度隨時間變化的規(guī)律”為例

馬亞鵬

銀川市第九中學，銀川 750011

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》將科學論證作為科學思維的要素納入了物理學科核心素養(yǎng)，明確倡導基于科學論證的物理教學［1］。然而，科學論證教學仍然是物理教學的薄弱環(huán)節(jié)，實踐中對如何做好論證教學不甚明了。究其原因，一方面是對科學論證的重視不夠，另一方面則缺乏行之有效的教學策略。本文在對科學論證教學現(xiàn)狀分析的基礎上，依據學習心理學對元認知的研究提出了反思性教學策略，并以“小車速度隨時間變化的規(guī)律”的科學論證為例，以期為改善科學論證教學，如何在教學中融合科學探究與科學論證提供可資借鑒的“范例”。

1 反思性科學論證教學策略

科學論證是論證在自然科學領域的運用，其內涵是利用證據建立科學的理由以支持科學主張［2］。開展基于科學論證的物理教學，就是將科學活動中的論證引入物理教學，引導師生像科學家一樣開展基于證據的論證活動以發(fā)展學生的科學思維能力［3］。然而，教學實踐中卻存在著論證能力培養(yǎng)不足的問題，如有研究對中學教師的調查顯示科學探究的質量不高［4］，備受詬病的是科學探究教學程序化、形式化現(xiàn)象嚴重。另外，教師在實施科學探究教學時，往往比較重視猜想假設、實驗設計和實驗操作等，而分析論證環(huán)節(jié)則草草了事，甚至經不住推敲。如以“在實驗誤差允許的范圍內”之語搪塞數據與理論之間的偏差；或者單次實驗就可以得出一個普遍結論，以“大量的實驗均表明”之語確證探究結論。就目前常態(tài)課的教學現(xiàn)狀而言，科學論證教學仍是我國物理教學的薄弱環(huán)節(jié)。

科學論證教學的薄弱固然與教師的教學觀念（理念）有關，更與缺乏行之有效的教學策略有關。已有的科學論證教學模式如5E教學模型、新版ADI模型及相應的教學策略可以保證探究和論證活動的順利展開，但仍無法抵達深度的論證。這是因為基于證據的論證是一種高階思維能力，不僅與學生物理基礎等認知水平有關，還與監(jiān)控、反思等元認知水平有關。學習心理學研究表明，對認知的反思是一種學習能力，能夠對認知起重要的調節(jié)作用，這是因為反思意味著主體抽身于現(xiàn)實狀態(tài)之外，因而有能力超脫于應對性活動之上，從而對主體自身進行更為客觀而遠大周詳的思考檢討［5］。有鑒于此，為了深化科學論證教學，筆者將“反思性教學”引入科學論證，提出了反思性論證教學策略。

“反思性教學”并非指教師的教學反思，而是指教師根據科學論證的目的、方案、操作、數據采集、數據處理、推理論證等合理設計教學，引發(fā)學生的思考、討論、交流等，并在此反思性學習過程中形成對“如何完成實驗”“如何對實驗結果進行分析”“如何得出有效的、真實的結論”等問題的一般性認識框架。這一認識性框架具有“可遷移性”，會成為下一次科學探究與論證教學的“先行組織者”，并逐漸成為學生的能力品質，這對與核心素養(yǎng)研究所提出的批判性思維等跨學科通用能力的培養(yǎng)亦大有裨益。需要指出的是，教師在運用這個策略時，一般要把反思的重心放在討論方向的把握與所涉內容的深度上［6］。

2 反思性科學論證教學策略的案例述評

為了讓教師更好地了解反思性科學論證教學策略的應用，本文以“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”為例加以分析，案例呈現(xiàn)則采用“課堂實錄+評析”的方式。選擇這一案例，是因為這是高中物理教學中第一個結構完整的探究實驗，也是課標要求的學生必做實驗。學生在這一實驗中，首次使用圖像法處理實驗數據，并根據畫出的“速度-時間圖像”得出小車在重物牽引下的運動規(guī)律。學生在本節(jié)課中學到的論證方法亦是后續(xù)學習的基礎，具有重要的教育價值。

出于對本節(jié)內容教育價值的充分考量，將其分為兩個課時：第一課時教師提出實驗目的，師生一起設計實驗方案，學生進行實驗操作并現(xiàn)場處理實驗數據，要求學生在坐標紙上描繪出“速度-時間圖像”，下課時連同原始紙帶交給老師；第二課時則在教師批閱完學生繪制的圖像后，根據學生所作圖像中的問題，循序漸進地引導學生展開反思。具體教學環(huán)節(jié)如下：

2.1 環(huán)節(jié)1：實驗目的與任務反思

師：上節(jié)課我們去實驗室做了小車在重物牽引下運動速度隨時間變化的規(guī)律的實驗，這個實驗的目的與任務有哪些？

生1：探究小車在重物牽引下運動時，速度隨時間變化的規(guī)律。

生2：描繪小車運動的“速度-時間圖像”，分析小車的運動。

師：非常好！每做一個實驗，都要首先明確實驗的目的與任務。只有這樣，我們才能圍繞目標及任務設計與完成實驗。

【評析】反思探究目標，為后續(xù)教學“釘鉚”。

2.2 環(huán)節(jié)2：實驗操作與數據處理反思

師：圖1是實驗裝置圖，請大家思考以下問題。

圖1 實驗裝置示意圖

師：安裝實驗裝置，應注意哪些事項？

生：打點計時器固定在軌道的一端，紙帶穿過打點計時器的限位孔，小車、細線、紙帶在一條直線上。

師：打點計時器在使用時應注意哪些問題？

生1：先打開打點計時器電源，后釋放小車。

師：還有嗎？

生2：實驗完畢后，先斷開電源，再取下紙帶。

師：怎樣選擇合適的紙帶？

生1：點跡清晰，間距合理。

生2：可以每幾個點選一個計數點，能夠選出五六個計數點的紙帶比較合適。

師：怎樣計算各個計數點的瞬時速度？

生：這個和上一次實驗的數據處理方法是一樣的，可以把要算的某個計數點看成一個中間時刻，計算這一段時間內的平均速度就可以了。

【評析】回顧實驗操作和數據處理方法，將實驗操作內化為學生的技能型素養(yǎng)。

2.3 環(huán)節(jié)3：描繪“速度-時間圖像”反思

師：在這個實驗中，要求大家畫出“速度-時間圖像”，大家有沒有想過為什么要畫圖像？

生：圖像比較直觀。

師：這是圖像的特點，問題是為什么要畫圖像？

（學生沉默，思考中）

師：可能這個問題稍微有點難。我舉一個大家在初中學過的例子，請先觀察課件上展示的海波和松香的熔化曲線，再思考我提出的問題。

生：海波是晶體，松香是非晶體，熔化時的特點不一樣，晶體有固定的熔點。熔化曲線反映了晶體和非晶體融化時溫度隨時間變化的規(guī)律。

師：請綜合兩位同學的說法，再回答問題。

生：圖像可以形象、直觀地反映事物變化的規(guī)律。

師：非常好！我們正是要用小車運動的“速度-時間圖像”來反映小車運動的規(guī)律。

師：關鍵的問題是，如何描繪“速度-時間圖像”，這是又一個難題。接下來，我們把這個難題分解成幾個小問題。

師：上節(jié)課做實驗時，我給每個實驗小組發(fā)了一張坐標紙，要求大家在坐標紙上作圖。這里就有如何在坐標紙上布局的問題。請大家看一些實驗小組的坐標布局（圖2），你們認為哪個布局合理？

圖2 坐標紙如何布局

（學生看到課件上呈現(xiàn)的圖，笑了）

師：大家暫且不用考慮圖像畫得好不好，就看坐標的布局。

生：最右面的圖布局合理，坐標紙的大小是一定的，應該讓圖像盡可能地布滿整個坐標紙。

師：在坐標布局合理的情況下，我們可以將實驗中的數據描到坐標紙上。但是如何連線？

師：根據大家連線的情況，我們一起來分析這個問題。請大家看圖3，思考在本實驗中應該將各個實驗數據點連成折線、直線還是曲線？

圖3 如何連線

生1：我覺得應該用折線把數據點連起來。

生2：不能用折線，得用直線。

生3：數學老師一般用平滑的曲線連線。

師：看來這個問題大家有比較嚴重的分歧。再想一想畫圖像的目的，看這個圖線能不能隨心所欲地連。

師：圖像反映運動的規(guī)律，即運動的趨勢。因而，連什么線取決于運動自身的規(guī)律。大家想一想，小車在重物牽引下，做的是加速運動，可以連成折線嗎？

生：不可以連成折線?？赡苁乔€或直線。

師：順便說一句，大家看到自己畫的圖，實際上有些同學與我們的“預期”相差甚遠，主要是瞬時速度測量不正確，還有的是紙帶選擇得不好。

師：零時刻對應的點怎么連？請大家看這位同學畫的圖（圖4），他們認為零時刻應該連著坐標原點，你們怎么看？

圖4 零時刻對應的點怎么連

生：這個圖是我畫的，我覺得圖像的起點應該畫到原點，就連過去了。

師：為什么你會覺得應該畫到起點呢？

生：感覺。

師：感覺往往會騙人，想一想圖像坐標的物理意義。零時刻的縱坐標指的是什么？

生：明白了，零時刻的縱坐標指的是零時刻的瞬時速度。

師：說下去。

生：在我們這個實驗中，因為處理數據時并沒有從起點開始，所以零時刻的瞬時速度不為零，不能畫在原點上。

師：非常好！緊扣物理意義去分析，總會找到合理的解釋。實驗中的異常點怎么處理？請大家繼續(xù)看圖4。

師：我們不考慮這個圖中零點的連線，只看第一個數據點和第二個數據點的連線，你們認為這樣連線可以嗎？

生：在這個圖中，這位同學將后面的幾個數據點連成了直線，第一個點和第二個點連成折線。我覺得這樣連不合適。

師：理由呢？

生：小車做的是加速運動，速度是增大的，第一個點可能是錯的。

師：能考慮到實際情況，非常好！在連線時，有些數據點偏離所連的線較遠，這個時候，就不能太“任性”了。偏離太遠的話，可能就屬于實驗中的錯誤點，經過分析確定之后，可以舍棄。

師：在批閱大家的圖像時，還發(fā)現(xiàn)了圖5所示的圖像，請大家分析這種情況是怎么產生的？

圖5 實驗圖像

生1：最后一個點偏離直線太遠，應該是錯誤的，直接舍去。

師：他認為是錯誤的，我倒不這樣看。

生2：我做實驗時，發(fā)現(xiàn)小車停止運動后，紙帶還往前“沖”一段距離，應該是紙帶在小車停止運動后做減速運動時的速度。

師：我也是這樣認為的。也就是說，我們思考和分析問題時要緊緊圍繞當時的情境，每個結論的得出都應建立在事實根據的基礎上。

師：第一次放手讓大家根據自己的“創(chuàng)意”畫圖像，失誤和錯誤在所難免，我們從失誤和錯誤中能學到更多。在大家做實驗的同時，我也做了這個實驗。下面看我的實驗數據（表1）。

表1 實驗數據記錄表

師：下面我用計算機中的數表軟件來處理這些數據，先畫散點圖，再添加趨勢線，然后寫入趨勢方程（圖 6）。

圖6 運用數表軟件繪制圖像

師：大家看，我用計算機畫的圖中，雖然這些數據點不在一條直線上，但可以看出來，實驗中的數據點近似地在一條直線上，那么考慮到實驗中不可避免的誤差等方面的因素，我們可以認為理想情況下，數據點就在一條直線上。因此，添加趨勢線時，添加了直線（線性），這種方法叫作“線性擬合”，我們后面會多次用到這種方法。進行線性擬合時，要考慮如下幾點：①讓盡可能多的數據點落在直線上；②不在直線上的點，對稱分布在直線兩側；③偏離直線較遠的點，應當舍去。

師：大家觀察我根據實驗繪制的“速度-時間圖像”，你們認為小車在重物牽引下速度隨時間變化的規(guī)律是什么？

生：“速度-時間圖像”是一條傾斜的直線，說明小車做加速運動。

師：不僅是加速，而且速度還是均勻增加的，這種運動稱之為勻加速直線運動，是勻變速直線運動的一類，我們今后比較長的一段時間內都要研究這種運動。

【評析】這一環(huán)節(jié)是本節(jié)課的核心環(huán)節(jié)，教師巧妙運用學生的“素材”（學生自己所畫圖像），精心設計“問題串”，在與學生相互討論的過程中，開展反思性論證。學生從中學會了根據實驗數據繪制實驗曲線的方法，產生了科學論證“原來應該如此”的驚嘆，體會到科學的嚴謹。

2.4 環(huán)節(jié)4：實驗小結

師：這節(jié)課我們反思了“小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗的方方面面，我相信大家對物理實驗有了新的認識，我想用一段寄語結束本節(jié)課：中學生做實驗，不是老師告訴你關于實驗的一切，然后到實驗室去“照貓畫虎”，而是需要真正想明白，要實現(xiàn)實驗目標，我究竟要怎么做，然后才是去做。其實做任何事都一樣，先想清楚目標，再想清楚怎么做，最后不遺余力地付諸于行動。這樣做，無法保證你一定會成功，但至少你所做的事情是你心里清楚的。

【評析】有了前述的系統(tǒng)反思，學生體會到科學論證過程中的種種需要“謀劃”的方面，收獲頗豐，也意猶未盡。此時，教師適時地總結發(fā)言，啟迪學生的心智，彰顯物理教學的育人功能，正所謂“沒有無教育的教學”。

3 反思與啟示

3.1 對教學案例的反思

本節(jié)課是應用反思性教學策略的“范例”，本節(jié)課的設計和實施體現(xiàn)了以下幾個特點：

第一，線性擬合的方法在物理數據處理和物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)中具有舉足輕重的地位，也是高中物理要著力教會的重要方法。這種方法也是“探究彈簧彈力與伸長量的關系”“探究加速度與力、質量的關系”“探究功與動能變化的關系”“測定電源電動勢和內阻”等多個實驗數據處理的基本方法。學生第一次接觸這種方法，是在研究“小車速度隨時間變化的規(guī)律”這個實驗之中。因此，需要在本節(jié)課中將這種處理數據的方法和背后的道理，讓學生在自己實驗中產生的“素材”的反思性思考中獲得方法論的訓練，這種訓練是傳統(tǒng)的教師直接告知的教學方式所不能替代的。

第二，從科學論證的角度，學生對數據的整理、分析是重要的論證能力。學生已在上一個實驗“用打點計時器測速度”中學會了計算瞬時速度，本實驗則不僅需要計算若干個計時點的瞬時速度，更要根據瞬時速度得出小車的速度隨時間變化的規(guī)律。而要得出這一規(guī)律，需要對實驗數據進行分析，分析所借助的方法就是要畫好“速度-時間圖像”?？梢姡枥L圖像是得出結論的前提，是進行科學論證的基礎。

第三，教學中要給學生反思實驗過程與方法的機會。在“描繪速度-時間圖像反思”教學環(huán)節(jié)中，所使用的圖像全部是學生親手在實驗室中畫出來的，具有典型性和代表性，在對出自他們之手的多個圖像的反思性分析的過程中，逐漸形成對“坐標如何布局”“如何連線”“異常點如何處理”“特殊圖像產生的原因”等問題的認識。這種反思性學習有效地將教師的教和學生的學密切結合起來，有助于培養(yǎng)學生思維的深刻性與批判性。

3.2 對科學論證教學的啟示

論證是一種思維活動，這種思維活動是腦的功能，學生只有通過參與真實的論證活動，才能真正獲得這種能力。傳統(tǒng)的“食譜式”（cookbook）探究教學，片面強調動手，表現(xiàn)為由教師給出實驗清單，學生只需要按部就班、照貓畫虎進行技術性重演。殊不知，探究與論證活動從根本上是一種認知技能，這種認知技能不是簡單的肌肉活動，它的獲得特別強調“動手”對“動腦”的依賴，即“動手”是由“動腦”所驅動、所操縱的。這一點也為晚近興起的具身認知心理學所證實。反思性論證教學策略能夠彌補上述不足，這是因為反思性教學通過對探究過程中關鍵環(huán)節(jié)的反思、質疑、討論并形成共識，在學生頭腦中形成一個一般性的認識框架。筆者在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”教學的實施中，先讓學生自主通過測量繪制圖像（第一課時），而并未告訴他們具體的操作程序，給他們“動腦”留下了充足的空間。然而，學生的動腦并非會自覺地產生，需要進一步概括、提煉。正如本文課例中呈現(xiàn)的五花八門的圖像，實際上是學生未經反思的作業(yè)。面對這些作業(yè)，教師并沒有簡單地告知學生應該怎么畫圖像，而是設計問題，引導學生的反思、質疑、討論，最終形成共識。從課堂觀察所得到的情況，這種教學對學生思想的觸動是深刻的，這正是反思性論證教學的魅力所在。

可見，反思性論證教學策略確實有效地克服了傳統(tǒng)探究教學的不足。通過反思性論證教學，一方面，可以實現(xiàn)學生對所要探究和論證的內容的深度學習；另一方面，這種反思性教學實踐本身促進了學生元認知能力的發(fā)展，并轉化、內化為學生不可剝離的素養(yǎng)。因此，核心素養(yǎng)時代所要求的學生主體性學習能力的提升與發(fā)展，離不開反思性論證教學等具有重要價值的教學策略的開發(fā)、研究與使用。