基于實(shí)驗(yàn)鏈培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的教學(xué)研究

摘"要：本文將科學(xué)論證能力劃分為三個層次，并與實(shí)驗(yàn)鏈相對應(yīng)，提出了一種基于實(shí)驗(yàn)鏈的動量定理教學(xué)研究思路，探討如何通過實(shí)驗(yàn)鏈的逐步進(jìn)行來提升學(xué)生的科學(xué)論證能力并培養(yǎng)其核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)論證；實(shí)驗(yàn)鏈；科學(xué)思維；核心素養(yǎng)；動量定理

1"引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確指出，科學(xué)論證是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，對學(xué)生能力發(fā)展至關(guān)重要?？茖W(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。［1］

基于英國教育家的研究成果，并結(jié)合我國物理教學(xué)一線名師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)出科學(xué)論證的核心要素包括：證據(jù)、主張、理由與反駁。［2］在物理學(xué)科中，實(shí)驗(yàn)是獲得證據(jù)的重要途徑。因此，利用實(shí)驗(yàn)鏈來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力已被證明是一種有效的方法。實(shí)驗(yàn)鏈依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，將目標(biāo)不同、手段各異的實(shí)驗(yàn)有機(jī)整合起來，形成一個逐步深化的整體教學(xué)框架。［3］這種方法能夠引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握科學(xué)論證的技能，使學(xué)生從論點(diǎn)表達(dá)者生長為論點(diǎn)論證者，再發(fā)展到論點(diǎn)審視者，從而培養(yǎng)他們的觀察、分析和推理能力，提高學(xué)生在科學(xué)論證方面的綜合素養(yǎng)。

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的理念，我們將科學(xué)論證建構(gòu)為由低到高三個層次：基于證據(jù)表達(dá)主張的基礎(chǔ)型科學(xué)論證、基于證據(jù)論證主張的深入型科學(xué)論證以及基于證據(jù)審視主張的進(jìn)階型科學(xué)論證。本文以“動量定理”教學(xué)為例，提出了基于實(shí)驗(yàn)鏈的動量定理教學(xué)研究思路（見圖1）。

2"基于證據(jù)表達(dá)主張——基礎(chǔ)型科學(xué)論證能力培養(yǎng)

2.1"通過演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)主張

演示實(shí)驗(yàn)在科學(xué)論證中扮演著引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)主張的關(guān)鍵角色。教師選擇簡單明了的“磁體脫落”演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助他們基于觀察建構(gòu)個性化的主張。隨后，通過小組討論，讓學(xué)生分享各自的觀點(diǎn)，這一過程不僅加深了他們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，還進(jìn)一步激發(fā)了他們的探究欲望。

“磁體脫落”演示實(shí)驗(yàn)材料有：長度相同且比較結(jié)實(shí)的漁線和橡皮筋，一個直徑約為2～3cm的小鋼珠，一個長度約2～3cm的圓柱形的磁體，一個紙杯。

“磁體脫落”演示實(shí)驗(yàn)如圖2所示。教師首先分別用漁線和橡皮筋將紙杯牢固地系好，并將它們懸掛在支架上。接著，將小鋼珠放入紙杯中，隨后在紙杯底部外側(cè)放置磁體，使磁體能夠吸附住紙杯內(nèi)的小鋼珠。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，前后兩次從同一高度靜止釋放紙杯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)使用魚線懸掛的紙杯下落至魚線繃直后，紙杯中的小鋼珠與磁體分離，而使用橡皮筋懸掛的紙杯在下落過程中，其內(nèi)的小鋼珠則未能與磁體分離。

通過這個生動的實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生可以直觀地觀察到，當(dāng)使用具有彈性的橡皮筋時，繩索產(chǎn)生的拉力相對較小；而當(dāng)使用沒有彈性的魚線時，繩索產(chǎn)生的拉力則相對較大。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生將注意到小鋼珠動量的變化率不同。教師可以利用這個機(jī)會提出富有啟發(fā)性的問題（見表1），以引導(dǎo)學(xué)生深入思考。

為了更快地切入論證環(huán)節(jié)，問題的設(shè)置形式需要加以收斂，以便簡化主張建構(gòu)的難度并明確論證的方向。［4］在這種問題背景下，通常會出現(xiàn)等于或不等于兩種主張。一般情況下，學(xué)生會根據(jù)問題的建構(gòu)方向提出肯定的主張，即認(rèn)為物體所受力的大小等于動量的變化率。不論學(xué)生建構(gòu)了哪種主張，他們都已成功地進(jìn)行了科學(xué)論證的第一步。

2.2"通過合作交流幫助學(xué)生理解主張

在建構(gòu)主張的過程中，學(xué)生能主動地將先備知識融入討論中，并通過協(xié)商與討論進(jìn)一步豐富和精化這些先備知識，從而對主張形成更深刻的理解。［5］因此，學(xué)生之間的合作與交流尤為重要。它不僅促使學(xué)生從多角度審視問題、分享見解并相互提供反饋，還促進(jìn)他們共同深化對各自主張的深入理解。在這個過程中，教師扮演著關(guān)鍵的引導(dǎo)和反饋角色，他們通過激發(fā)學(xué)生的思考，協(xié)助學(xué)生解決困惑，引導(dǎo)學(xué)生向更精準(zhǔn)、合理的方向邁進(jìn)。教師可以利用表2中的問題引導(dǎo)學(xué)生展開合作討論，以幫助他們掌握主張的本質(zhì)和關(guān)鍵點(diǎn)。

3"基于證據(jù)論證主張——深入型科學(xué)論證能力培養(yǎng)

3.1"根據(jù)建構(gòu)的主張完成推理

論證與推理有密切的聯(lián)系。論證必須應(yīng)用推理，而推理是為論證服務(wù)的。［6］在教學(xué)中，教師應(yīng)將學(xué)生的發(fā)展置于核心地位，深入貫徹最近發(fā)展區(qū)理論，采用具有啟發(fā)性的教學(xué)手段引導(dǎo)學(xué)生思考，通過師生互動，共同推進(jìn)推理過程，從而幫助學(xué)生理解問題本質(zhì)，同時充分展現(xiàn)物理學(xué)科的獨(dú)特魅力。鑒于物體的受力情況多種多樣，為便于分析，教師應(yīng)先引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物體在碰撞時受恒力作用的情況。

在假設(shè)物體受到恒力的情況下，學(xué)生可以根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出力與物體動量變化率之間的關(guān)系。其中，大前提是牛頓第二定律，小前提包括加速度的計(jì)算公式和動量的表達(dá)式，結(jié)論是物體所受合外力等于物體動量的變化率。通過這一推理過程，我們可以得到F＝Δp/Δt。其中Δp表示物體在Δt時間內(nèi)動量的變化量。

經(jīng)過師生共同進(jìn)行理論演繹推理，學(xué)生對力與動量變化率之間的關(guān)系有了定性的認(rèn)識。然而，僅憑定性的認(rèn)識來論證學(xué)生的主張尚顯不足，我們還需要通過定量研究來進(jìn)一步深化和驗(yàn)證這一關(guān)系。同時，盡管演繹推理被視為一種必然性推理，但其結(jié)論仍需要接受實(shí)踐檢驗(yàn)。這是因?yàn)檠堇[推理的可靠性受到前提的制約，而前提本身的正確性在演繹推理的范圍內(nèi)是無法直接驗(yàn)證的。因此，演繹的方法必須與其他方法相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，以確保論證的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2"通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生論證主張

通過進(jìn)行“風(fēng)推小球”驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，我們可以有效地檢驗(yàn)推理結(jié)果的正確性，從而幫助學(xué)生完成論證過程。實(shí)驗(yàn)裝置包括一對直徑相同但質(zhì)量不同的鋼珠和玻璃球、一個由木板制成的跑道以及一臺手持鼓風(fēng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，將玻璃球和鋼珠分別放置在相同的起始位置上；接著，啟動鼓風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)力驅(qū)動玻璃球和鋼珠開始沿跑道運(yùn)動，同時，在跑道末端預(yù)定位置鋪設(shè)白紙，并在白紙上放置復(fù)寫紙，以便準(zhǔn)確記錄玻璃球和鋼珠最終落地的位置。實(shí)驗(yàn)的原理示意圖如圖3所示。

我們可以合理假設(shè)，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，鋼珠和玻璃球在跑道上做勻加速運(yùn)動，其運(yùn)動時間之比tAtB＝mAmB。

根據(jù)學(xué)生經(jīng)演繹推理得出的公式F＝ΔpΔt，可以得出平拋運(yùn)動水平初速度之比

vAvB＝mBmA。

另外，由于玻璃球和鋼珠平拋運(yùn)動中豎直方向自由落體運(yùn)動下落高度相同，故平拋運(yùn)動水平運(yùn)動距離與初速度成正比，我們可以通過驗(yàn)證表達(dá)式dAdB＝mBmA是否成立來驗(yàn)證學(xué)生經(jīng)演繹推理得出的結(jié)論公式F＝ΔpΔt的正確性。

通過運(yùn)用演繹推理和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠?qū)Α昂懔ψ饔孟?，物體所受合外力等于物體動量變化率”這一主張進(jìn)行論證。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生使用演繹論證的方式，將已有的知識和實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相結(jié)合，達(dá)到對主張的論證和解釋。

4"基于證據(jù)審視主張——進(jìn)階型科學(xué)論證能力培養(yǎng)

4.1"通過探究實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生完善主張

通過上述論證過程，學(xué)生自然而然地會產(chǎn)生“在物體受到變力作用時動量定理是否依然成立”這一疑問。質(zhì)疑是科學(xué)論證中的一個重要指標(biāo)，它通過對他人的主張或推理過程進(jìn)行深入的質(zhì)疑和批判，促使主張建構(gòu)者和質(zhì)疑者雙方進(jìn)行反思和論證，從而為主張的可靠性提供了保障。因此，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)鏈的下一個實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步論證和完善所建構(gòu)的主張。

探究實(shí)驗(yàn)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，并提供實(shí)證證據(jù)來完善學(xué)生的主張，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力。探究實(shí)驗(yàn)還有助于學(xué)生拓寬視野，培養(yǎng)多元化的思維方式。在這一過程中，學(xué)生逐漸認(rèn)識到任何主張都必須建立在充分的證據(jù)和推理之上，并學(xué)會不斷完善自己的觀點(diǎn)。這樣的過程使學(xué)生變得更加自信，幫助學(xué)生成為有力的科學(xué)論證者。在本研究中，我們使用智能手機(jī)中的phyphox應(yīng)用程序中的加速度傳感器功能，以測量設(shè)備在“落體測定”探究實(shí)驗(yàn)（見圖4）中的加速度。實(shí)驗(yàn)中，我們讓手機(jī)自由下落并撞擊一個緩沖墊，該緩沖墊在撞擊過程中對手機(jī)施加一個變力。通過這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們可以收集數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證在變力作用的情況下“物體所受合外力等于物體動量變化率”這一假設(shè)是否成立。

通過使用phyphox應(yīng)用程序，學(xué)生能夠獲得加速度隨時間變化的數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)表格。運(yùn)用微元法，學(xué)生可以計(jì)算出手機(jī)撞擊緩沖墊時加速度與時間所圍成曲線的面積，進(jìn)一步推導(dǎo)出手機(jī)撞擊緩沖墊時受到的合外力與時間所圍成曲線的面積。由于手機(jī)的下落過程在手機(jī)撞擊緩沖墊前可視為自由落體運(yùn)動，學(xué)生可以根據(jù)下落高度和手機(jī)質(zhì)量計(jì)算出手機(jī)在撞擊緩沖墊前的速度。基于這些數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠推理驗(yàn)證“在變力作用下，物體所受合外力等于物體動量變化率”。

為了論證此主張，學(xué)生應(yīng)該進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析。學(xué)生應(yīng)清楚物體所受合外力是原因，物體動量變化率是結(jié)果，二者之間存在著因果聯(lián)系。因此，學(xué)生所采用的推理方式屬于科學(xué)歸納推理。通過多次實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)歸納，學(xué)生可以對比不同質(zhì)量的手機(jī)、不同下落高度等條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及推理這些條件下力與動量變化率之間的關(guān)系。這樣的觀察和分析過程，有助于學(xué)生進(jìn)一步論證和完善他們的主張。最終，通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以得出一般性結(jié)論，以論證所建構(gòu)主張的合理性。

4.2"通過激趣實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生深化主張

激趣實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生深化主張。通過激發(fā)學(xué)生的好奇心、提供直觀的觀察和體驗(yàn)，學(xué)生能更深入地掌握物理原理。激趣實(shí)驗(yàn)還鼓勵學(xué)生提出問題與思考，以激發(fā)學(xué)生的自主探究精神并促使他們尋求解釋。通過討論和反思，學(xué)生能夠與同伴交流思想并擴(kuò)展觀點(diǎn)。這種參與式的學(xué)習(xí)模式不僅培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維，還提升了他們的科學(xué)推理能力，從而促進(jìn)了學(xué)生對自己建構(gòu)的主張的深化。筆者設(shè)計(jì)的“泡沫板爬升”激趣實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

教師可以利用表3中的問題激發(fā)學(xué)生的思考和討論，幫助他們更好地理解自己所建構(gòu)的主張。通過回答這個問題，學(xué)生可以深入思考他們的觀點(diǎn)、原理和證據(jù)，并進(jìn)一步加強(qiáng)他們對于自己建構(gòu)的主張的信心和認(rèn)知程度。

在展示實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生觀察風(fēng)吹向泡沫板時的流入方向和流出方向。根據(jù)學(xué)生所建構(gòu)和完善的主張，他們可以推理論證得到泡沫板向上爬升的原理正是動量定理。這一原理的示意圖如圖6所示。

若用m表示流動空氣的質(zhì)量，v表示流動空氣流入的速度，v′表示流動空氣流出的速度，根據(jù)動量定理，流動空氣所受泡沫板的力的豎直向下的沖量的大小為I＝FΔt＝mv′1。

已知泡沫板對流動空氣施加的力的沖量有豎直向下的分沖量，可推斷出泡沫板對流動空氣施加的力有豎直向下的分力，根據(jù)牛頓第三定律，可知流動空氣對泡沫板施加的反作用力有豎直向上的分力。在特定條件下（如泡沫板形狀、空氣流速等），這個向上的分力，可以轉(zhuǎn)化為推動泡沫板向上爬升的力。

在推理論證結(jié)束后，教師可以提出表4中的問題引導(dǎo)學(xué)生猜想與創(chuàng)新。

這個問題鼓勵學(xué)生思考是否存在其他形狀或設(shè)計(jì)的泡沫板可以實(shí)現(xiàn)類似的爬升效果。學(xué)生可以嘗試改變泡沫板的形狀，如迎角、大小等參數(shù)，以尋找能夠產(chǎn)生類似爬升效果的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。這樣的思考過程將促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造力和解決問題能力的發(fā)展，激發(fā)他們對科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)的興趣。

5"總結(jié)

綜上所述，教師在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力方面，可以通過實(shí)驗(yàn)鏈的逐步引導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這個過程從學(xué)生基于證據(jù)表達(dá)主張開始，逐步發(fā)展為基于證據(jù)進(jìn)行論證，再到基于證據(jù)完善主張，并最終達(dá)到基于證據(jù)深化主張的高層次水平。通過這種漸進(jìn)式的方法，學(xué)生的科學(xué)論證能力能得到顯著提升。同時，這個過程中還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對物理概念的理解，促進(jìn)他們的創(chuàng)新思維和批判性思維的發(fā)展，從而有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)水平。

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*基金項(xiàng)目：本文系國家自然科學(xué)基金（課題編號：12074289）、浙江省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（課題編號：Y23A040004）、浙江省高等教育“十四五”教學(xué)改革項(xiàng)目（課題編號：jg20220509）及浙江省研究生教育學(xué)會科研項(xiàng)目（課題編號：2023"-016）的研究成果。