基于证据，提升学生的科学论证能力

宋怀甫　孙建纹

[摘 要]证据意识就是根据证据来支持自己主张或者反驳他人主张的一种意识。收集证据、进行证据分析与评估是培养学生科学探究能力的重要环节，也是培养学生证据意识的可靠路径。文章以复习“探究电流与电阻的关系”为例，探讨在教学中培养学生的证据意识，提升学生的科学论证能力。

[关键词]探究电流与电阻的关系;证据意识;科学论证

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）20-0033-03

2018年无锡市中考物理试卷上有这样的一道实验题：为了验证“当导体两端的电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比”这一规律，实验小组的同学们准备的实验器材有：干电池2节，滑动变阻器（20 Ω，1 A）、电流表、电压表、开关各一个，导线若干，5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻。准备把5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻分别接入图1所示电路，测量电流进行探究。有同学提议：既然探究时需要保持电阻两端的电压不变，图1中可以不用连接滑动变阻器和電压表。他们按照提议分别将三个电阻由小到大接入电路，闭合开关后，读出电流表示数分别为0.42 A，0.24 A，0.13 A，发现无法验证“当导体两端电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比”这一规律。于是他们计划仍按图1进行探究，分析测量数据后，选定准备加在电阻两端的电压值U。为确保完成验证，则这个电压值U的范围为（）。

A. [1.5 V

C. [1.3 V

批阅完中考物理试卷后发现该题的得分率很低。原因是教师在新课教学“探究电流与电阻的关系”时，由于课堂时间有限，在学生经历了设计实验与制订计划后，直接告诉学生控制电阻两端的电压为某个值进行实验，没有放手让学生随意选择电压进行实验。这样，学生不会想到电阻两端的预设电压不能随意设置，预设电压只能在一定的范围内。另外，初中阶段一般不考虑电源的内电阻，把电源看作是理想电源，这样学生会认为电源电压是不变的。在这道实验题中，把不同的电阻直接接到电源上，电阻两端的电压是变化的。怎么才能帮助学生认识到这个问题呢？答案是实验。让学生在实验中获得证据形成冲突，进而对证据进行解释，才会获得认识的提升。

物理课程标准对本节的教学要求是：学生能“通过实验，探究电流与电压、电阻的关系，理解欧姆定律”，属于理解层次。从本章的知识结构来看，学完本章内容，在复习阶段很有必要再次探究电流与电阻的关系。放手让学生设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、交流与合作，重点要应用欧姆定律解决学生在实验中的困惑，即新课教学中遗留的问题。“把不同的电阻直接接到电源上，电阻两端的电压是不是变化的？电阻两端的预设电压可以随意吗？”就需要基于科学论证能力的培养，对复习课有一个整体的规划：基于证据——科学推理——科学论证。

一、暴露问题形成冲突，培养证据意识，为提升学生的科学论证能力创造条件

要培养学生的科学论证能力，教师在教学中应重视证据，让学生具有证据意识。在复习“探究电流与电阻的关系”时，教师可以设计问题，按照学生的思维，因势利导，帮助学生发现问题形成冲突，在解决冲突的过程中培养证据意识，进而为提升学生科学论证能力打下基础。

教师：请同学们思考，我们在探究电流与电阻的关系时，电路如图2所示，能否用同一个电源，控制电阻两端的电压不变，分别把5 Ω、10 Ω和20 Ω的电阻接到电源上，测量出通过电阻的电流？

学生：可以用这个方案，因为同一个电源两端的电压是不变的。

教师：请同学们按照这个实验方案，根据下列实验步骤，进行实验。

实验步骤：

1.根据图2连接好电路;

2.测量出5 Ω电阻两端的电压和通过它的电流，并填入表格;

3.分别换用10 Ω和20 Ω的电阻重复上述实验。

学生进行实验，教师巡视并收集证据，如表1。

教师把收集到的数据投影到屏幕上，提出问题：分析表格中的实验数据，能否得出电流与电阻的关系？为什么？

学生：分析表格中的数据不能得出电流与电阻的关系，因为实验中没有控制电阻两端的电压一定。

教师：分析表格中的电压与电阻的关系，你能得到什么结论？

学生：外电路电阻两端的电压随电阻的增大而增大。

学生会发现，我们习以为常的“正确答案”在这里被实验推翻了，这是千真万确的证据。

在证据面前，学生原有的“惰性知识”受到冲击，新鲜的“活力知识”获得论证。正如李政道所说：“实验可以打败理论，而理论无法打败实验。”培养证据意识是重要的科学活动，其内涵是利用证据建立科学的理由以支持科学主张。从形式上看，科学论证大体上包括个体内的论证和个体间的论证两类：前者是指个体通过科学推理，利用证据建立自己的科学主张的过程;后者是指人与人之间通过辩论、争论等形式对相互对立的主张进行辩驳，从而巩固个人主张的过程。教师要创造条件，尤其是利用学生“常常认为应该是这样的”一些感性观点来制造冲突，然后利用可靠的科学方法来收集证据，进而通过理性的科学推理来推翻“原来的观点”，这对培养学生的证据意识和科学论证能力是特别有效和深刻的。

二、改变条件不断追问，在解决问题中培养科学论证的能力

复习课不是简单重复，而是精准提升。要在原有实验的基础上，增添新的经历，带来新的思考，从而提升科学论证的能力。前面有了证据意识，接下来，我们就在实验中寻找新问题，基于证据，在解决问题中培养学生的科学论证能力。

教师：探究电流与电阻的关系时，为了控制电阻两端的电压不变，你们准备采取什么措施？

学生：在电路中串联一个滑动变阻器，更换电阻后，调节滑动变阻器，控制电阻两端的电压不变。

教师：请同学们按照电路（图3）进行实验（滑动变阻器的铭牌上标有“20 Ω，2 A”）。

学生进行实验，教师巡视并收集证据，如表2。

教师：分析表格中的数据，你能得出什么结论？

学生：导体两端的电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比。

教师：探究电流与电阻关系的实验过程中，你还遇到了什么困难？

学生：我在实验中想控制电阻两端的电压等于1 V，但是把20 Ω的电阻接入电路，无论怎样调节滑动变阻器，电阻两端的电压都不能达到1 V。

教师：探究电流与电阻的关系时，电阻两端的电压为什么不能随意设置？解决这个问题，必须弄清楚：分别用5 Ω、10 Ω和20 Ω的电阻探究电流与电阻的关系时，电阻两端的预设电压范围多大？

教师：电阻两端的预设电压最大是多少？当电阻两端的预设电压最大时，滑动变阻器两端的电压最小，要确保三个电阻都能在预设电压下完成实验，把哪个电阻接入电路时，预设电压最大？

学生：串联分压，滑动变阻器接入电路的电阻最小，所分的电压最小。把5 Ω的电阻接入电路，滑动变阻器接入电路的电阻最小，此时5 Ω的电阻两端的电压就是最大预设电压，根据前面的实验可知，预设电压的最大值是2.0 V。

教师：把5 Ω的电阻接入电路，调节滑动变阻器的滑片，使电压表示数为1 V;取下5 Ω的电阻，把10 Ω的电阻接入电路，闭合开关，滑片P向哪移？取下10 Ω的电阻，把20 Ω的电阻接入电路，闭合开关后滑片P向哪移？若滑片P移到阻值最大处，电压等于1.4 V，电压还是大于预设电压，你的预设电压最小只能是多少？

学生：每次更换较大的电阻后，滑动变阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移动。把20 Ω的电阻接入电路，滑片P移到阻值最大处，预设电压最小为1.4 V。

教师：哪个电阻接入电路，滑片P移到阻值最大处的电压就是最小预设电压？

学生：把最大的电阻接入电路，滑片P移到阻值最大处，此时电阻两端的电压就是最小预设电压。

教师：探究电流与电阻的关系时，要确保三个电阻都能在预设电压下完成实验，把哪个电阻接入电路，预设电压最小？

学生：要确保三个电阻都能在预设电压下完成实验，把20 Ω的电阻接入电路，滑动变阻器的滑片移到阻值最大处，此时20 Ω的电阻所分的电压就是最小电压。此时外电路的总电阻为40 Ω，根据外电路电阻两端的电压随电阻的增大而增大，可知40 Ω的电阻所分的电压大于2.6 V，所以电阻两端的预设电压的最小值Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，电阻两端的预设电压U范围为：[1.3 V

开始的推理，实际上是一种内在的科学推理。所谓内在的科学推理是指学生在证据与主张之间寻求理由来支持自己的主张的过程，学生通过自己对已有经验与外界信息之间的权衡、评价、批判，最终选择一个最合理、最能接受的主张。为了提升学生科学论证的能力，我们还需要在解决问题的过程中采用外在推理的方式。外在推理是指人與人之间通过辩论、争论等形式对相互对立的主张进行辩驳，从而巩固个人主张的过程。在利用外在推理的过程中，驱动了学生“尊重证据，寻找证据，解释证据”的能力提升，进而感受到科学论证的魅力。

三、当堂反馈及时评价，让学生感受科学论证的价值

教师邀请部分学生解决本文中的2018年无锡市中考物理试卷上的那道实验题。

学生：阅读完题目后，我们利用题目中提供的数据，可以找到表中的证据：

从表格中的数据可以看出，外电路的电阻越大，所分的电压越大。要确保三个电阻都能在预设电压下完成实验，如图1，把5 Ω的电阻接入电路，滑动变阻器接入电路的电阻为零，此时电阻两端的电压为2.1 V就是最大预设电压。把20 Ω的电阻接入电路，如图1，滑动变阻器接入电路的电阻最大为20 Ω，此时电阻两端的预设电压最小。这样外电路的总电阻为40 Ω，外电路两端的总电压大于2.6 V，预设电压的最小值为Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，所以预设电压U的取值范围为：[1.3 V

科学推理论证是科学思维的重要组成部分，我们从课程标准中可以看到科学思维的五个水平等级，都对科学推理论证提出了要求。水平1，要求能对常见的物理现象进行简单分析;水平2，要求针对比较简单的物理现象进行分析推理，得到结论，并利用简单直接的证据阐述自己的观点;水平3，要求能对常见的物理现象进行分析推理解释并得到结论，利用证据阐释自己的观点;水平4，要求能对综合性物理问题进行分析推理，解释并得到结论，并且能够证明得到的结论是正确的;水平5，要求能在新情景中对综合性物理问题进行分析推理、解释并得到结论，并且能够在证明过程中，考虑到证据的可靠性并合理地选用。可见，要评价学生的科学论证能力，需要在实际碰到的新情景中去评价。学生在此过程中品尝到科学论证的价值，激发他们对论证的兴趣。实际教学中，通过对学生评价效果的分析，我们发现80%的学生都达到水平2，有40%的学生达到了水平4，也有20%的学生达到了水平5。

综上所述，在物理课堂教学中，为了培养学生的科学论证能力，教师有时要利用学生的“迷思概念”设下陷阱，先让学生陷进去;然后利用收集到的证据，帮助学生深层次地反思，走出困惑，进而提升学生的科学论证能力。能够科学论证，愿意科学论证，乐于科学论证，这就是每一节物理课希望达成的理想愿景。

（责任编辑 易志毅）