融合科学论证的高中物理教学策略

潘锦峰 林钦

摘   要：论证和辩论普遍存在于科学事业中。在物理课堂上，学生的论证活动却普遍缺失。国内外大量的研究表明，提供学生参与科学论证活动的机会，可以促进其对物理知识的理解，提高科学推理的能力。文章从科学论证的内涵和组成要素出发，阐述了科学论证活动对物理教学的重要性，提出提升学生科学论证能力的教学策略。

关键词：科学论证;物理教学;教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0065-4

2018年教育部颁布的《普通高中物理课程标准（2017版）》中，在原先“三维目标”的基础上，提出了四个维度的物理学科核心素养，其中“科学思维”这一维度下强调了科学论证的重要性。如何在物理教学实践中培养中学生的科学论证能力引起了广泛的重视。

然而研究发现，在我国的中学物理课堂中，论证活动仍以教师为主，学生通过论证活动发展科学思维的机会较少[1]，同时相当一部分教师对科学论证的认识存在偏差，缺乏论证教学的理论指导和实践策略[2]。本文试图从对科学论证的认识出发，结合高中物理的学科特点，以平抛运动的教学为例，探讨并提出有针对性的教学策略，以促进学生科学论证能力的发展。

1    科学论证的两种类型

论证是指利用一些证据来支持自己或反对他人主张的过程[3]。Toulmin通过分析一系列文本中的论证，提出了开创性的论证模型。Osborne基于Toulmin的论证模型进一步将科学论证分成建构（construction）和批判（critique）两种类型。根据他的观点，科学论证被定义为，以科学知识作为支撑，建构或批判证据与主张间的联系[4]。Osborne的科学论证模型如图1所示，其中，建构证据与主张间联系的过程就是科学推理的过程。以“自由落体运动”为例，“自由落体运动是匀加速运动”是要进行论证的主张，支持该主张的证据是做自由落体运动物体的频闪照片。假设两次闪光间的时间间隔为T，通过测量可以得到1T内、2T内、3T内…NT内的位移比为12： 22： 32： …： N2，仅仅拿出证据不够，还需要运用所学的科学知识说明该证据是如何支持主张的。由从静止开始做匀加速直线运动的位移公式s=■at2可知，做匀变速直线运动的物体位移与时间的平方成正比，因此上述主张成立，即自由落体运动是匀变速直线运动。

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图1  科学论证模型及其组成要素

而科学论证的另一种类型——批判，是尝试去识别一个论证中的缺陷，可以是指出证据的不充分，也可以是指出推理过程中存在的错误。下面以2016年北京市高考题为例，阐述科学论证中批判类型的特点。

北京卷2016年第21题：

某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2-h图像，并作如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。

该小题对应的是Osborne科学论证类型中的批判类型。

首先，考生需要明确他人论证中的主张：若v2-h图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。

接着，考生要分析出他人提出该主张的推理过程：根据动能定理得mgh-fh=■mv2-0，进一步得到v2=2（g-f/m）h。

最后，指出该论证中存在的缺陷：若想验证机械能守恒，v2-h图不仅要是一条过原点的直线，并且其斜率还要接近2g。

从该题可以看出，批判类型比建构类型对学生思维能力的要求更高，在批判活动中，学生需要分析出他人论证的各部分以及其中的缺陷，有时还要提出反论证，将双方对某一个问题的认识向前推进。因此，学习者想要对整个物质世界建立更深刻的理解，批判的过程是至关重要的，可以说批判在科学思维中占据中心地位。

2    科學论证活动在物理教学中的重要性

2.1    促进对科学本质的认识

科学不仅仅是大量知识，反映人们对物质世界的理解;科学同时也是一系列以论证为基础的活动，在这些活动中，人们修正先前的观念，发展新的知识。物理学史研究表明，一个新的理论刚开始往往很难被公众接受，例如哥白尼的地心说或者爱因斯坦的相对论，这些理论经历长时间的检验和论证，不断有新的证据涌现出来，才逐渐得到科学共同体的广泛认同。在反复论证的过程中，科学保持了它的客观性。在课堂上，科学常常被描绘成一系列前人创造的知识，以学科内容的形式呈现给学生去记忆，而不是将科学视为学生和教师共同建构的观念[5]。然而，当学生在进行科学论证活动时，他们通过修正原有观念来发展新的观念，这个过程中，他们在创造和批判知识，而不是被动地接受别人构建的知识[6]。这帮助学生认识到科学知识是可以被修正的，意识到证据和理性对于科学的重要性，达到对科学本质的理解。

2.2    促进科学思维的发展

Kuhn提出“科学即论证”这一观点，她认为科学思维植根于日常生活之中。科学家的深刻思维是从孩童时期的朴素思维发展而来的，因此必然有一种思维方式同时存在于科学家和普通人之中，这种思维方式即论证思维。不管是在科学事业还是日常生活中，科学家和普通人都倾向于用证据和推理批判他人的观点，以及辩护自己的主张[7]。此外，在科学论证活动中，学生不仅要提出可靠的证据，更重要的是体验建立证据到主张的推理过程，科学推理是科学论证的内核。因此，科学论证活动可以推动学生的科学思维向更高层次发展。

2.3    促进对物理概念和规律的认识

在科学教育中，学习者使用一种新的语言来表征和描绘客观世界。因此，掌握科学思维的过程与学会一门语言的过程很相似，二者都必须通过反复的运用才能得以实现。学习者不仅需要听到专家们的论述，他们更需要亲自去运用科学概念以获得更深刻的理解。Driver认为，科学论证活动需要以物理概念和规律为支撑，支持或质疑对自然现象的解释、探究活动的设计、模型的构建等，在与他人对话论证的过程中，学生建构和重构科学知识，自身前概念可以得到有效地转变[8]。

2.4    促进交流合作的意识与能力

当科学家们在实施研究时，他们和同事之间频繁地交流，他们交换电子邮件，参加学术讨论会，通过期刊和书籍呈现和回应想法。简言之，科学家构成一个共同体，成员们合作寻找证据，建构和检验理论。在科学论证活动中，学习者经历与科学家相似的过程，他们提出和支持自己的主张，同时也评价和批判他人的观点，在对话与辩论中，最终对某一问题达成一致的意见。在这一过程中，学生逐渐学会去聆听他人的观点，学会在与他人的合作中解决问题。

3    促进学生科学论证能力的教学策略

下面以高中物理必修二中平抛运动的相关教学为例，阐述高中物理教学中融合科学论证的教学策略。

3.1    设计科学论证活动，深化物理观念

我国物理常态课教学中，教师在大多数情况下代替学生进行论证，究其原因在于教师培养学生论证能力的意识不足，以及没能设计相关的教学活动。弭乐在研究物理教师角色变化对学生论证表现的影响时发现，当教师处于传统的知识传递者角色时，学生话语中的论证元素较少，论证表现水平也较低;而当教师利用多种角色建立论证式话语时，比如批判学生论证的教练者角色以及激发学生想法的参与者角色，学生展现了更高水平的认知思维[9]。因此，物理课堂教学中，教师可以创设基于真实情境的问题，将科学论证的元素显性地融入其中，通过课堂话语引导学生完成论证过程。

在人教版“平抛运动”这一章节中，教材根据牛顿第二定律，通过理论推导得到平抛运动竖直方向上的分运动是自由落体运动，而没有从实验角度加以验证。笔者设计以下教学活动，促进学生科学论证表现的同时，加深学生对这一物理概念的理解。

活动1：教师通过平抛运动演示器，让两小球同时做自由落体运动和平抛运动，引导学生观察现象，发现小球同时落地。

提出问题1：这个证据是否支持“平抛运动的竖直分运动是自由落体运动”这一主张？

活动2：教师改变实验装置的离地高度，多次实验，学生观察到两小球总是同时落地。

提出问题2：改进实验后得到的证据是否支持上述主张？

活动3：教师展示两个小球同时开始分别做自由落体运动和平抛运动的频闪照片，从照片可以看出两个小球在同一时刻的高度始终相同。

提出问题3：该照片显示的证据是否支持上述主张？

在这三个教学活动中，教师明示出论证中的“证据”和“主张”部分，学生需要通过头脑中已有的知识建构二者间的联系，这也是科学论证的核心部分。通过这三个提问可以培养学生具有使用科学证据的意识，学会评估不同证据间的效力。学生在完成论证的过程中，训练了自身运用证据对研究问题进行描述、解释和预测的能力，同时也加深了对运动的合成与分解这一原理的理解。

3.2    引入合作论证教学，改善实验教学

我国物理实验课普遍存在“菜谱式”的教学，学生只需按照课本或者实验册上现成的步骤进行实验，因此学生间的交流合作失去了依托，常常出现一个人做另一个人看的现象。针对此问题，我们可以采用合作论证模式改进实验教学。首先，教师提出有利于开展科学论证活动的探究问题;接着，每个小组的成员间交流合作，写出探究方案，这个过程中，组员需要论证自己方案的合理性以及批判他人方案中的缺陷，最终达成一致的意见;最后，教师选取若干小组展示探究方案的论证过程，并提出合适的修改意见，最终全班达成一致的方案。

在人教版“研究平拋运动”这一节实验课中，学生通过适当方法得到平抛运动的轨迹后，只需计算小球的初速度，将实验探究过程变成了计算题，削弱了对学生思维的培养。教师可以通过以下改进后的探究问题，组织学生的合作论证活动。

探究问题：已知平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动，请你通过合适的方法得到小球平抛运动的轨迹，并确定水平分运动的规律。

笔者选择如下两个方案的小组，让他们向全班进行展示：

小组1：假设水平分运动为匀速直线运动，从抛出点起取水平位移间隔相等的点，看这些点间的竖直位移之比是否满足1∶3∶5…。

小组2：已知竖直分运动是自由落体运动，因此可以从抛出点起，取竖直位移间隔之比为1∶3∶5…的点，再看这些点间的水平位移是否近似相等。

经过全班的讨论达成一致意见：由于实验误差的存在，根据小组1的方案难以得到恰好的奇数比规律。相比之下，小组2的方案更易于操作。由此可见，合作论证式教学的前提和核心是确立一个适当的探究问题，学生针对此问题，通过交流和论证得到一致的探究方案，在这个过程中，学生的合作意识和科学论证能力都得到了提升。

3.3    设计写作论证任务，优化习题布置

郭晓丹通过对人教版高中物理教科书课后习题的分析，发现习题类型单一会导致对学生物理思维能力培养不足，建议开发有利于拓展学生写作能力的习题[10]。相比选择题，科学论证写作题需要学生以物理知识和推理能力为支撑，建构正确的答案或批判他人的答案。因此，科学论证题既能检测学生的科学论证能力，也能了解学生对学科知识的掌握情况。下面是笔者以“平抛运动”为知识背景设计的一道科学论证写作题。

科学论证写作题：图2是一张小球做平抛运动的频闪照片，某同学根据小球在相同时间内在竖直方向上的位移越来越大，得出结论“平抛运动的竖直分运动是匀加速运动”。请你分析论证该同学的判断依据是否正确，并分析根据图中所给的数据能否推出他的结论。

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图2  小球做平抛运动的频闪照片

分析题意可知，该同学“平抛运动的竖直分运动是匀加速运动”的主张是正确的，但是该同学推出这一主张的证据“相同时间内在竖直方向上的位移越来越大”是不充分的。相当一部分学生给出的论证是“小球在竖直方向只受重力，且初速度为零，所以做的是自由落体运动”。然而，根据图2中所给的数据，竖直方向上通过的位移与时间的平方成正比，可以推出竖直分运动是由静止开始的匀加速运动，但是无法进一步推出是自由落体运动。这说明学生倾向从大脑中已有的认知出发构建论证，缺乏运用证据支持观点的意识。可见，科学论证类习题能有效检测出学生认知中的不足，促进学生对物理概念和规律的理解。

4    结  语

物理学科核心素养要落实到具体的教学中，结合教学内容特点，合理设计科学论证活动，可以改善概念规律课、实验课和习题课教学，从而提高学生的科学论证能力，促进科学思维的发展。

参考文献：

[1]张艳香，魏昕.促进学生物理论证能力发展的策略研究[J]. 课程·教材·教法， 2016（3）：122-127.

[2]张春丽，陈颖.关于高中物理实施“科学论证教学”的调研和思考[J].物理教师，2018，39（5）：2-5.

[3]Kuhn D. Teaching and Learning Science as Argument[J]. Science Education， 2010， 94（3）：810-824.

[4]Osborne J， Henderson B. The Development and Validation of a Learning Progression for Argumentation in Science[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2016， 53（6）：823-846.

[5]National Science Council. A framework for K-12 science education： practices， crosscutting， and core ideas[M]. Washington D C： National Academy Press， 2011.

[6]Schwarz C， Reiser B. Helping Students Make Sense of the World[M]. Virginia： NSTA Press， 2017.

[7]Kuhn D. Science as Argument[J]. Science Education， 1993， 77（3）：319-337.

[8]Driver R， Newton P， Osborne J. Establishing the Norms of Scientific Argumentation in Classrooms[J]. Science Education， 2000， 84（3）：287-312.

[9]弭樂，郭玉英.科学论证教学中教师提问角色的变化及其对学生口头论证表现的影响研究[J].教师教育研究， 2018，30（4）：65-72.

[10]郭晓丹.高中物理教科书中的课后习题设计研究及编写建议[J].物理教师，2016，37（9）：29-31.

（栏目编辑    张正严）