图尔敏论证模型与物理教学的实践

汪 明

(江苏省常州高级中学，江苏 常州 213000)

科学论证是指学习者具有实用科学证据的意识和评估科学证据的能力,即是能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测．它在当下课程改革中很受关注,是我国物理学科核心素养“科学思维”重要指标之一,在美国《新一代科学教育标准》中,“基于证据的论证”也是K-12科学教育中8种实践之一．物理学本来就以逻辑论证缜密著称,且以观察和实验为基础．而当下物理课堂中普遍缺乏实质性论证教学,甚至连形式化的讨论都做不到教学经常化,因此,笔者将TAP图尔敏论证模型(Toulmin’s Argument Pattern,TAP)引进课堂,以“自由落体运动”教学为例,强化对物理规律进行结构化的知觉理解,让学生不仅深入掌握物理规律构建的过程,而且还能体会科学论证的思维及其价值意义．

1 什么是图尔敏论证模型

图尔敏(S.E.Toulmin,1958)构建了实践论证六要素的宏观模型架构(见图1):主张(claim)、数据(data)、保证(warrant)、支援(backing)、模态限定词(modal qualifier)和反驳(rebuttal)．后期图尔敏(1978)又对论证模式做出修改(见图2):一是将数据D改为理由G(grounds),理由G是数据D的扩展,意在表明作为主张之基础的不仅可以是事实,而且可以是经验观察、常识、统计数据、个体证言、先前确立的主张或其他类似的事实性数据,图尔敏将其概括为grounds．二是将模态限定词(modal qualifier)改为模态词(modality),意在突出论证强度,仍用Q来表示;三是改变了保证W和支援B的位置(从下方挪到上方),同时在整体模型的图示中增加了4个箭头,使得整个模型包含5个箭头．概括说来,图尔敏后期虽对其模型的表述有所变化与发展,但其基本思路仍具有一致性和连贯性．从科学研究维度来说,其六要素构成的论证模式,适合于对物理概念和规律进行论证,可以用来组织课堂教学,也为物理概念和规律的教学提供了一个可参考的范式,同时,论证过程也使学生清晰理解了科学论证范式,通过缜密分析与思维迁移,将抽象论证问题进行具体化和显性化,为学生深入理解物理概念与规律提供了可能．

图1 图尔敏论证模型(1958)

图2 图尔敏论证模型(1978)

2 图尔敏论证模型与科学论证的关联

TAP图尔敏论证模型对经典的形式逻辑进行了质疑和批判,它并没有把论证的要素按照大前提、小前提和结论的三段论模式排列．图尔敏认为,形式逻辑分析模式的不足掩盖了前提之间的巨大差异,科学论证优先级是开始于一个特定的主张(claim)．提出该主张所基于的根据(ground)．接下来,通过观察、实验、分析与推理,由根据得出主张的规则、原则或推论,即保证(warrant)．当保证的权威性或科学性遭到质疑时,就提出支援(backing)用以核定保证．可见,根据、保证、支援、主张四个要素是TAP论证模型的核心部分．而且科学本质上就是可证伪的,物理定律也只是在一定条件下才成立,也就是说,有一些可能的例外或特殊情况,或许能推翻论证,那么它们是该论证的反驳或反证(rebuttals)．最后,整个论证给主张提供的证明能有多强?需要不需要给物理定律加上一个限定条件,即给主张添加一个模态限定词(qualifiers)．

科学论证提倡证实和证伪,证实就是寻求证据支持,证伪就是要进行反驳．从图尔敏论证模型假设及其结构上看,可以从两个方面判断论证的水平:一是论证是否包含相关理由:如依据、理由、支援等;二是论证是否包含反驳．图尔敏论证模型同时包括了证实和证伪思想,与物理科学研究领域的评判标准相通,因而也对科学思想的发展起到了推动作用．此外,图尔敏论证模型为科学实践也拓展一种科研思路,在图尔敏看来,论证需要突出力度、强度和有效性,其包含有逻辑和实质两个层面:一是对理性依据的强调,就是在科学研究过程中要通过“摆事实、讲道理”提供足够的“正当理由”,有事实依据,让大家能够信服;二是对权威性论据的强调,通过“限定词”“支援”等,让科学研究更加严谨,所展现的逻辑思维更加让大家信服,增强研究的信服力．

科学研究论证质量如何保证呢？Erduran等(2004)从图尔敏论证模型各要素的不同组合出发,也将论证分为5个水平(如表1)．影响论证质量水平主要有两个方面:一是论证包含的相关理由,即所包含的要素个数越多,表明了论证的复杂性,则水平层次越高．二是论证是否包含反驳．如下表中水平2只包含2个要素,可以是“主张+资料/根据/支援”3种形式,但没有出现“反驳”这个要素．由于这种论证的评判标准非常简单和明晰,可操作性强,受到广泛的推崇．研究表明,针对普通高中课堂教学,经论证模型教学培训后的教师和学生,对论证的理解会越来越清晰,在课堂教中会使用复杂的论证结构,即选用具备更多要素(如4-5个要素)的论证结构．

表1 图尔敏论证质量水平与论证要素的关系

3 基于图尔敏论证模型的物理教学案例

3.1 背景

落体运动是一种常见的运动,从科学史角度来认识,伽利略对自由落体运动的科学研究意义重大．首先,从知识内容来看,2017版新课标指出:“通过实验,认识自由落体运动规律．结合物理学史的相关内容,认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用．”这体现其对学生的物理核心素养的养成具有重要意义．其次,从教材编排来看,自由落体运动是匀变速直线运动的一个特例,教材安排在运动学的基本概念和匀变速直线运动之后,显然目标不仅仅是知识内容的学习,而是更侧重于培养学生的实验探究能力及科学论证能力．

图3 比萨斜塔落体图

从学情来看,关于自由落体运动,学生有前概念但未必科学．一是迷思概念出现原因有多种:有生活经验的干扰,有对物理定义范式理解不深刻,有对科学语言运用不规范…具体来说,实际运动与理想模型,空气阻力何时可以忽略等,都会对学生认知确实形成干扰．二是学生已初步掌握了位移、速度和加速度等概念,也会用打点计时器来研究匀变速直线运动,即具备了研究落体运动的科学推理与论证能力,因此,按照图尔敏论证模型来具体展开课堂教学恰逢其时．

3.2 从不同理由G(ground)到相异主张C(claim),理性批判多个断言

示例1.高层建筑物之上(见图3),让轻重不同的两个物体从同一高度同时落下?你认为哪个物体会下落的快?

示例2.教学实验演示:钢球①和乒乓球①(G1>G2),在同一高度同时自由下落．观察哪个小球会先落地?

科学论证始于主张C,主张其实就是逻辑学意义上的断言,但是断言的作出又源于所持的理由G．部分学生理解了“伽利略的两个铁球同时落地”故事,主张1:轻重物体下落一样快．另一部分学生依靠生活直觉和示例2实验观察,主张2:物体越重下落越快．

此时教师该如何引导教学呢?

知道一个主张建立在什么根据之上仅仅是为获得其坚固性和可靠性而迈出的第一步．接下来,如果此主张被认为是稳定且可靠的并能被大家接受,那么,需要何种理由作为支撑它的根据?主张的类型决定根据．根据可能包括权威的断言、生活常识、实验观察、众所周知的事实等可参照的“客观资料”(factual data)．

教师首先肯定“主张2”与学术权威亚里士多德的观点一致,古希腊学者亚里士多德是通过生活现象观察和直觉思维得出此断言．“主张1”是物理学家伽利略所持观点,当他质疑和批判“重得物体下落快”时,采用了多种反驳手段．其一是落体“思想实验”:伽利略在《关于两门新科学的对话》中叙述了其推演过程,假设一块大石头具有速度8,而一块较小的石头具有速度4,那么当它们合在一起时,系统将以比8低的速度运动;而当把他们绑在一起时,就变成一块比以前以8的速度运动的石头还要大的石头．所以重的物体比较轻的物体以较低速度运动．即按照亚里士多德的理论,会产生两种自相矛盾的结论,表明该理论不能成立．其二是比萨斜塔实验,“同时下落的两个铁球同时落地”,说明正确的科学断言只能来源于实验．其三冲淡重力斜面实验,说明“自由落体运动是一种匀变速直线运动”,这其实就是保证W(warrant),而“冲淡重力”斜面实验就是支援B(backing)．此环节中教师呈现相关背景资料信息,诱发思考,聚焦问题,为学生进一步掌握科学论证奠基．

3.3 从多个反驳R(rebuttals)到统一主张C(claim),突出科学可证伪性

“主张1”是否正确?示例2中实验提供了有效的反驳,又如何解释?让学生接受断言“轻重不同而下落快慢相同”,还必须有大量的数据为此主张提供真正的有效支持,即使是运用不同方式来“保证”．在科学研究中,保证应该是实验规律和科学定律．此外,是否存在例外和特别状况能推翻论证,即接受的反驳的论证越多,断言就越有说服力．梳理出论证的过程方式是:初始主张(求异)——反驳(多次强化)——限定(成立条件)——最终观点(统一)．具体到“自由落体运动”教学中．教师需要提供思维进阶的实验设计,共设置4个小实验推进(见表2): ① 钢球和钢球(大小); ② 纸片和纸团(质量相同)．③ 纸片和纸团(质量不同)．④ 一大团棉花和小纸团(突出空气阻力)．通过学生实验的方式,进行多次反驳论证,目的是将论证提升到论证水平5层次,让多个主张归于统一．主张于是确定为“只受重力条件下(忽略空气阻力),自由落体运动加速度相同”,而只受重力就是限定条件Q(qualifiers),从而得到“从同一高度同时下落的两物体快慢相同”．

表2 自由落体运动相关实验比较

3.4 从实例支援B(backing)到相关性保证W(warrant),提升论证质量水平

TAP中保证(warrant)的涵义是指通过观察、实验、分析与推理,由根据得出主张的规则、原则或推论．上文已经明确,自由落体运动的保证就是“它是一种匀变速运动”．运动当然遵从匀变速运动物理规律,为了进一步说明,让相关性保证更富有权威性和正当性,我们从定性与定量两个方面提出支援(backing)用以核定保证．

首先,从定性方面,考虑不受空气阻力,其重力加速度相等,从静止同时下落两物体时间必定相等．一是设计抽去空气的“牛顿管”实验,二是无空气月球上落体实验,三是科学家在微观层面做“坠落原子”实验(如表3)．

教学中要体现实验在论证及思维发展方面的核心作用．学生通过观察不同类型的物体做落体运动,理解空气阻力的存在对落体运动的影响,并借助于伽利略对自由落体运动的研究,体会实验思维方式对物理学发展的巨大推动作用．通过对自由落体运动这种常见的、特殊的运动的研究,让学生知识逐渐融入已有认知系统,加强了物理学习与实际生活的联系．一方面是对匀变速直线运动巩固学习,另一方面也为今后研究比较复杂的抛体运动打下良好的基础．

表3 不同观察尺度的自由落体实验

图4 传感器表征加速度图线

其次,定量测出自由落体重力加速度的大小．一是传统实验运用打点计时器测量．学生进行小组实验操作、记录、思考、交流和讨论．根据匀变速直线运动连续相等时间内的位移之差Δs是一个常数,或是利用计算机的Excel的图表功能,绘制v-t图像进行计算．二是现代信息技术,应用手机加速度传感器直接进行数据测量．让手机自由落体后,观察手机上加速度传感器的图线(见图4),可以看到,手机上图线有一小段时间的数值是-10 m/s2(向上的波峰值是接住手机后手机做减速运动的加速度值),这就是自由落体加速度大小．经过这样的论证推理过程,让学生已有的认知结构得以拓展深化,从而理解与掌握TAP标准论证模型．

4 结论与反思

通过以上论证分析,结合科学论证研究成果,有三点反思与启示．首先,图尔敏模型的论证核心层是由根据、保证、支援、主张四个要素构成．在科学探究教学中,会提出问题和明确观点只是论证的一个方面,要让学生深入理解物理规律,让科学论证更加丰富饱满,需要从不同视角给出论证素材,而不是对所持观点只进行类似相关素材堆积,以支持自由落体运动观点3个教学实验为例,并没有让学生找生活中不同物体逐一实验,然后利用不完全归纳法求证．而是从3个不同角度,牛顿管实验是从宏观限定条件(抽出空气),月球落体视频是从宇观太空条件(无空气阻力),“坠落原子”实验是微观条件与宏观条件辩证统一,体现了科学规律的客观性和真理性．让学生在更广阔的物理背景上理解规律,内化观念,为教学目标的落实进行了有效奠基．

其次,反驳论证是物理规律的形成教学的关键．物理规律本就是以经过多年重复实验和观察为基础,并在科学领域内普遍接受的典型结论．让学生在学习过程中进行不断反驳与质疑,能加深学生对科学本质的理解．学生设计不同的生活小实验,亲身实践,亲历过程,来检验落体规律的正确性,最后自己总结出来必须加上限定词(只受重力),同时也说明物理规律只在一定条件下成立,对科学研究的可证伪性有了更真切的感受,梳理出其论证范式是:初始主张(求异)—反驳(多次强化)—限定(成立条件)—最终观点(统一)．同时也是对当前流行的“提出问题→组织讨论→形成概念或规律”探究教学模式进行了深度批判和发展,此对学生体验科学规律和发展科学思维大有裨益．

再次,论证质量水平是科学规律教学的追求．科学论证是以科学知识为依据,积极面对问题,对所获得的数据资料进行解释说明,提出自己的论点,反思自己和别人论点的不足并提出反论点,同时能反驳他人的质疑和批判的高阶思维能力．因此,教师在物理规律教学过程中,要让学生充分展现自我,发展学生的批判性思维,引导其论证丰富性、复杂性和多元化,就像落体运动教学中,在学生做出断言(主张)前,先进行多个主张的甄别．在实施反驳论证时,可以对资料、根据,支援分别进行实施．明确的论证会促进学生对物理规律的理解,促使学生科学论证水平的提升,也有助于学生探索意识和创新能力的形成．