基于科學(xué)論證思維的簡諧運(yùn)動教學(xué)實(shí)踐和探索

摘 要：科學(xué)論證是高中物理學(xué)科素養(yǎng)中的重要內(nèi)容，如何在教學(xué)中發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力是一個重要的課題。以“簡諧運(yùn)動”教學(xué)為例，利用問題激發(fā)學(xué)生思考，通過“師生互動”和“同伴互助”兩種教學(xué)組織方式幫助學(xué)生搭建思維支架，逐步發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)論證；師生互動；同伴互助；教學(xué)組織方式

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0005-5

收稿日期：2024-02-22

基金項目：江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃項目“基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)影視資源育人價值的物理教學(xué)創(chuàng)新研究”（Ｄ／２０２０／０２／１０３）。

作者簡介：孫歡（1991-），女，中學(xué)一級教師，主要研究方向?yàn)楦咧形锢韺W(xué)科教學(xué)和實(shí)踐。

*通信作者：李俊成（1973-），男，正高級教師，江蘇省教學(xué)名師，主要研究方向?yàn)楦咧形锢韺W(xué)科教學(xué)、高考及高考試題。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版２０２０年修訂）》指出，科學(xué)論證是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，是分析綜合、推理論證等思維方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用［１］。開展科學(xué)論證教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣展開基于證據(jù)的論證活動，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，是當(dāng)前教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)。究其原因，一方面，是當(dāng)前的探究教學(xué)流于形式化和程序化；另一方面，是沒有科學(xué)運(yùn)用教學(xué)組織方式幫助學(xué)生搭建思維支架。本文以“簡諧運(yùn)動”的教學(xué)片段為例，探討如何在高中物理課堂中運(yùn)用“師生互動”和“同伴互助”兩種教學(xué)組織方式培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

１ 基于科學(xué)論證的教學(xué)流程

科學(xué)論證是以科學(xué)知識為中介，積極面對問題，對所獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行解釋和說明，提出自己的論點(diǎn)，反思自己和別人論點(diǎn)的不足并提出反論點(diǎn)，同時能反駁他人的質(zhì)疑和批判的高級思維能力，主要包含主張、證據(jù)和推理三個核心要素［２］?；诳茖W(xué)論證的教學(xué)流程強(qiáng)調(diào)以證據(jù)為核心，以思維為實(shí)質(zhì)。教學(xué)中的證據(jù)是一個寬泛的概念，可以理解為理由和依據(jù)，既包括用于建立論點(diǎn)（主張）時情境中的信息和利用原有認(rèn)知得到的推理條件，也包括利用探究計劃獲取的所有數(shù)據(jù)，它貫穿于整個教學(xué)過程。從證據(jù)到最終論點(diǎn)形成需要學(xué)生能夠整合已知信息，通過推理、判斷制訂探究計劃進(jìn)行證偽或證實(shí)，是一個循環(huán)往復(fù)動態(tài)發(fā)展的過程。整合信息是基于情境提出問題，再利用已有的知識和認(rèn)知提出假設(shè)建立論點(diǎn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合等思維。推理分為兩種方式，一種是從證據(jù)到結(jié)論的正向推理，一種是從結(jié)論到證據(jù)的逆向推理，有利于培養(yǎng)學(xué)生的抽象、概括等思維。制訂探究計劃驗(yàn)證論點(diǎn)包含了實(shí)驗(yàn)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)操作和交流反駁等環(huán)節(jié)，其中尋找證據(jù)和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系是探究中的重要步驟，對于學(xué)生演繹、歸納思維要求較高。具體教學(xué)流程如圖１所示。

２  基于科學(xué)論證的教學(xué)片段

簡諧運(yùn)動是在學(xué)生學(xué)習(xí)過直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動的基礎(chǔ)上對一種新運(yùn)動形式的研究，學(xué)生已經(jīng)知道如何建立坐標(biāo)系和用位移、速度、加速度、力、能量等物理量描述運(yùn)動。在之前的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生已經(jīng)掌握了利用公式、運(yùn)動過程圖示和圖像（如位移—時間圖像，速度—時間圖像）來描述運(yùn)動，積累了大量的科學(xué)知識，具備了一定的分析和解決問題的能力，可以為科學(xué)論證提供知識和能力基礎(chǔ)。

２．１ 師生互動，以問題引領(lǐng)論證

通過前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握了機(jī)械振動的概念，了解了它具有周期性和往復(fù)性的特點(diǎn)，如何描述這種運(yùn)動形式呢？圖像法最為直觀。位移是最易測量的，如何獲得位移隨時間變化的圖像，并引導(dǎo)學(xué)生對“如何獲得數(shù)據(jù)”“如何對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析”等問題的解決形成框架。

按照基于科學(xué)論證的教學(xué)流程，在教學(xué)中設(shè)置了問題引導(dǎo)學(xué)生的思考方向（表1）。

教學(xué)過程中關(guān)于如何描繪位移—時間圖像，學(xué)生最為熟悉的是描點(diǎn)作圖法，記錄不同時刻彈簧振子的位移，然后將每個點(diǎn)用平滑的線連接起來，學(xué)生嘗試畫出的位移—時間圖像如圖4所示。

哪一個猜想是正確的？通過獲取更多時刻的位移數(shù)據(jù)，可以得到更精確的位移—時間圖像。如何獲取不同時刻的彈簧振子位移數(shù)據(jù)？打點(diǎn)計時器或者頻閃照相機(jī)在理論上都是可行的。需要和學(xué)生說明，由于時間問題，本節(jié)課只能選取其中一個方法進(jìn)行記錄。引導(dǎo)學(xué)生觀察彈簧振子不同時刻的位置圖像，能否得出位移隨時間變化的規(guī)律？并不能，只能看到小球上上下下的運(yùn)動。在必修一中，我們將打點(diǎn)計時器的紙帶每隔０．１ ｓ剪斷，得到若干短紙帶，再將短紙帶貼在一張紙上，使其下端對齊作為時間軸，最后將紙帶的上端中心連接起來，得到速度—時間圖像，這就是用空間的均勻平移來表示時間均勻流逝。那么，學(xué)生就很容易理解為何要將所有圖片在空間中均勻排列起來。

這一片段中，教師通過精心設(shè)計的問題串和學(xué)生互動，引導(dǎo)學(xué)生明確了探究目的，知道了探究方法是多樣的，也認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理不是簡單地按照老師布置的步驟一步步完成即可，再一次體會了在科學(xué)論證中描繪圖像的方法。

２．２ 同伴互助，以討論生成論證

通過實(shí)驗(yàn)探究獲得彈簧振子的位移—時間圖像后，我們需要進(jìn)一步明確位移隨時間變化的函數(shù)關(guān)系。如何處理圖像中的數(shù)據(jù)進(jìn)而得出規(guī)律，是科學(xué)論證中最重要的環(huán)節(jié)。探究的開始，教師通過問題幫助學(xué)生明確論證的內(nèi)容（表2）。

２．２．１ 特殊值驗(yàn)證

學(xué)生Ａ：數(shù)學(xué)上我們可以用關(guān)鍵點(diǎn)來描繪函數(shù)圖像，同理，我們可以通過測量關(guān)鍵點(diǎn)或者特殊點(diǎn)來驗(yàn)證。一個周期對應(yīng)的是３６０°，那么特殊值３０°對應(yīng)的就是T/１２，４５°對應(yīng)的是T/８，６０°對應(yīng)的是T/６，依此類推。

學(xué)生Ｂ補(bǔ)充：由于簡諧運(yùn)動的對稱性和周期性，我們只需要驗(yàn)證前１/４周期。

學(xué)生討論修改，最終形成表格，如表３所示。

２．２．２ 函數(shù)擬合

學(xué)生Ａ：特殊值法驗(yàn)證只是說明了驗(yàn)證的幾個點(diǎn)符合正弦函數(shù)，并不能驗(yàn)證圖像上所有點(diǎn)都符合正弦函數(shù)。

學(xué)生Ｂ：將數(shù)據(jù)輸入到可以處理數(shù)據(jù)的軟件中，擬合成一個函數(shù)。

學(xué)生Ｃ：利用幾何畫板，將不同時刻的位移標(biāo)注好，然后再繪制一個正弦函數(shù)曲線（圖５），發(fā)現(xiàn)每一個點(diǎn)都和正弦函數(shù)吻合。

學(xué)生Ｄ：現(xiàn)在已經(jīng)證明，在一個周期內(nèi)彈簧振子的位移—時間圖像是正弦函數(shù)，那多個周期的圖像是否也是正弦函數(shù)？

學(xué)生Ｅ：我們可以采集多個周期的數(shù)據(jù)，利用方法１或方法２進(jìn)行驗(yàn)證。

學(xué)生Ｆ：或者換用傳感器采集多個周期數(shù)據(jù)，傳感器的功能比較強(qiáng)大，可以直接擬合圖像，并顯示圖像的函數(shù)式（圖5）。

２．２．３ ＤＩＳ位移傳感器描繪圖像

教師提供實(shí)驗(yàn)器材，并說明傳感器的使用方法。

學(xué)生Ａ：在彈簧的正下方掛上位移傳感器的發(fā)射器充當(dāng)重錘，下方是接收器，如圖６所示。打開軟件，電腦可以實(shí)時顯示出重錘位移隨時間變化的圖像（圖７），通過ＤＩＳ傳感器中的數(shù)據(jù)處理功能，我們可以直接得出該圖像的函數(shù)式。

實(shí)驗(yàn)圖像的處理一直是高中教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，這主要因?yàn)榇蟛糠指咧形锢硪?guī)律圖像都是直線。學(xué)生可以很快猜想得出簡諧運(yùn)動的位移—時間圖像是正弦函數(shù)。那么如何驗(yàn)證呢？我們可以直接通過軟件擬合簡單地告知學(xué)生確實(shí)是正弦函數(shù)，這也不會影響學(xué)生知識規(guī)律的習(xí)得，但是無法幫助學(xué)生形成“如何處理實(shí)驗(yàn)圖像”的一般性認(rèn)識框架，那么在下一次實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)論證中學(xué)生就失去原有認(rèn)知，也就不會形成科學(xué)論證思維。

這一教學(xué)片段通過同伴之間的討論互助，從特殊點(diǎn)入手，再到一個周期內(nèi)圖像的函數(shù)擬合，最后利用軟件直接得出多個周期的函數(shù)關(guān)系式，由點(diǎn)及面步步深入，將數(shù)學(xué)中的方法遷移到物理中，學(xué)生進(jìn)行思維碰撞生成最終論證結(jié)論，讓他們意識到原來科學(xué)論證如此簡單。

２．３ 師生互動，以反思升華論證

對于任意方向上彈簧振子的位移—時間圖像是否是正弦函數(shù)，教學(xué)中不能簡單用一句“大量實(shí)驗(yàn)可以表明”就得出結(jié)論，我們需要給予學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思維支撐，并幫助學(xué)生形成完整的科學(xué)論證框架（表4）。

由于目前國內(nèi)教學(xué)時長的限制，科學(xué)論證的最終環(huán)節(jié)一般是通過教師的引領(lǐng)形成論點(diǎn)。但是教學(xué)中不能簡單地利用“誤差允許范圍內(nèi)”“大量實(shí)驗(yàn)表明”這樣的籠統(tǒng)話語灌輸，而是要給與學(xué)生思考的空間，和學(xué)生強(qiáng)調(diào)這節(jié)課的結(jié)論是基于我們目前的探究粗略得出，關(guān)于如何更加精確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)誤差，是課后可以進(jìn)一步思考的問題。

３ 對科學(xué)論證教學(xué)的啟示

傳統(tǒng)的“食譜式（ｃｏｏｋｂｏｏｋ）”探究教學(xué)，片面強(qiáng)調(diào)動手，表現(xiàn)為教師給出實(shí)驗(yàn)清單，學(xué)生只需要按部就班、照貓畫虎地進(jìn)行技術(shù)性重演［４］?？茖W(xué)論證是一種認(rèn)知技能，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生“動腦”，所有的操作步驟都是基于對證據(jù)的獲取。簡諧運(yùn)動的教學(xué)對于學(xué)生的思維要求較高，這就要求教師在教學(xué)中要通過多種方法幫助學(xué)生鋪設(shè)思維通道，引導(dǎo)他們有意識地訓(xùn)練和發(fā)展科學(xué)論證思維能力，在教學(xué)片段一、片段三中利用問題進(jìn)行師生互動，主要是幫助學(xué)生在以下幾個方面搭設(shè)思維支架：（1）提供及時的反饋，引導(dǎo)學(xué)生的思維方向；（2）提供多元化的觀點(diǎn)，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)一步思考現(xiàn)象的本質(zhì)；（3）根據(jù)過程的需要，及時發(fā)問、提供建議、評論，并對探究工具進(jìn)行使用說明，使學(xué)生的思維聚焦在探究論證問題本身［５］。因此，在科學(xué)論證教學(xué)中，師生互動這一教學(xué)組織形式更有利于幫助學(xué)生厘清論證環(huán)節(jié)，突破論證難點(diǎn)，聚焦論證重點(diǎn)。

同伴互助論證學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)生多角度思考問題，針對某個議題提出多個論點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生思維競爭性、批判性和形成結(jié)構(gòu)化［６］。簡諧運(yùn)動是學(xué)生在學(xué)習(xí)了直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動基礎(chǔ)上展開的，同時高二的學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)探究方案設(shè)計和數(shù)據(jù)分析也形成了一般性的認(rèn)識框架。教學(xué)片段二中，通過同伴互助的方式促進(jìn)了學(xué)生觀點(diǎn)的討論交流和反駁，也加強(qiáng)了對思維過程的相互審視。由此可見，在科學(xué)論證教學(xué)中，同伴互助更有利于幫助學(xué)生解決認(rèn)知沖突，解決多解的開放性問題，完善論證過程。

師生互動和同伴互助為科學(xué)論證提供了組織方式，科學(xué)論證為同伴互助和師生互動學(xué)習(xí)提供了具體的任務(wù)﹐在科學(xué)論證教學(xué)中應(yīng)合理運(yùn)用教學(xué)組織方式幫助學(xué)生搭建思維支架，真正實(shí)現(xiàn)１＋１＞２的教學(xué)效果。

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（欄目編輯 趙保鋼）