基于科学解释能力培养的高中物理“牛顿第一定律”教学设计

王迪 彭章辉 高守宝

摘   要：科学解释在科学探究中具有关键作用。利用PTDR框架对牛顿第一定律的教学过程进行设计，采用渐退式脚手架策略，显化科学解释的路径，以期锻炼学生在探究过程中的思维能力与科学解释能力，为教师设计能发展学生物理核心素养的教学提供启示。

关键词：科学解释;PTDR框架;牛顿第一定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）2-0031-5

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，科学探究包括问题、证据、解释和交流等要素[1]。新一轮基础教育课程改革让科学解释的地位和价值在科学探究中越来越受到重视，“解释”被摆在了我国科学教育中更为重要的位置。在教育实践中，解释普遍存在于教师和学生的语言行为中，而行为主体的不同会导致两者的解释在课堂中起着不同的作用。在课堂教学中，构建对自然系统的行为和特性的科学解释被视为学生进行学习任务的核心能力。学生在尝试理解自然现象时所构造的科学解释有利于帮助其形成有足够说服力的依据并合理表达自己的理解[2]。如果学生在遇到问题时能够自主产生解释，也能有效促进知识的传播[3-4]。教师可以通过学生的解释来了解学生是如何建立诸多概念之间的联系以及如何解释科学模型和科学思想的。

1958年Toulmin提出了包含资料、主张、理由、条件、支持和反证等要素的辩论模型，McNeill等人在此基础上简化，将解释分为了三个部分：主张（Claim）、证据（Evidence）、推理（Reasoning），即CER框架[5]。姚建欣在CER框架的基础上重构科学解释的要素和学习能力进阶，提出了待解释现象/预测（Phenomenon/Prediction）—理论（Theory）—资料（Data）—推理（Reasoning）的PTDR框架[6]，为以培养和提升学生科学解释能力为目的的教学提供了借鉴。

牛顿第一定律揭示了力与运动的关系，即力是改变物体运动状态的原因，为之后进一步分析与处理运动学问题奠定了基础。张晴在初中阶段的牛顿第一定律基础上，从学生认知发展的需要出发设计了牛顿第一定律的教学过程[7];高嵩等设计的教学过程则带领学生重走物理学家探究力与运动关系的历史，帮助学生掌握科学探究的过程[8];徐杰为使学生深入理解牛顿第一定律的概念，以问题为导向，在学生解决问题的过程中达到教学目的[9]。

本文将“牛顿第一定律”的教学进行重新设计，使解释贯穿整个教学过程，每遇到一个真实的问题时，教师便展示相应的工作任务单，让学生在探究的基础上深入思考。从开始的由带有提示的解释框架形成科学解释，到最后学生独立思考，完成不带提示的解释框架。整个过程将科学解释外显化，并采用了渐退式脚手架策略，使学生在學习过程中认识到科学解释的重要性，并能够独立地完成一个完整的科学解释，强化科学解释的能力。

1    基于PTDR框架的教学流程

牛顿第一定律的教学过程（图1）以PTDR框架为指导，采用渐退式脚手架的策略，显化科学解释的路径。从新课导入到实践应用环节，都将科学解释活动作为教学的中心环节，以进一步帮助学生理解所学的内容，有效培养与发展其科学解释能力。

2  ;  教学过程设计

2.1    创设情境，引发认知冲突

教师推动静止于桌面上的木块，提出问题：同学们观察到了什么现象？撤去施加在木块上的推力时，又会发生什么现象？

学生观察思考后，通过直接经验给出力与运动的关系，同时，教师借此提出亚里士多德的观点。

接着，教师用手去推桌面上静止的小车，然后撤去推力，让学生观察小车运动状态的变化。

教师：请同学们根据刚才的实验现象和日常的生活经验完成工作单中的任务1（图2）。

让学生互相讨论，认真思考，完成工作单。

教师：请A组同学来展示讨论结果（图3）。

接着，教师介绍伽利略的观点：摩擦力的存在，使运动的物体最终停止下来，因而物体的运动并不需要外力来维持。（同时，教师简要介绍亚里士多德的事迹与贡献及伟人对他的评价，告诉学生虽然由于当时条件的限制，亚里士多德对力与运动的认识不够全面，但是他的观点在当时乃至以后的很长一段时间里都是绝对的权威）。

【设计意图】 从生活中的示例引出两种对立的观点，引起学生的认知冲突，激发学生的兴趣，并让学生通过科学解释加深对现象的理解，从而认识到科学解释能力的重要作用。由于学生一开始尝试解释的时候，容易理不清思路，可以先提供给学生带有提示的解释框架，帮助学生搭建支架后进行思考。

2.2    探究力与运动的关系

教师：300多年前，伽利略设计了一个著名的斜面实验来探究力与运动的关系。接下来，我将带领你们一起探讨这个实验。

然后，教师简要介绍伽利略理想斜面演示器。

教师：在刚才的演示实验中，可以知道是摩擦力使小车最终停了下来。请同学们思考，在演示器的斜面上，可以采取什么方法使小球受到不同大小的阻力呢？

学生：让小球在不同材料的斜面上运动。

教师：之后就可以换用不同粗糙程度的斜面来进行探究。请同学们思考如何判断小球在演示器上的运动情况？

学生：可以比较小球滚动到底面之后的运动，也就是观察小球运动到另一个斜面上的高度。

教师：可以在实验过程中随意改变斜面的倾角吗？

学生：不可以，要保证斜面倾角相同。

教师：这是采用了什么实验方法呢？还有别的注意事项吗？

学生：控制变量法。还要保证每次都要在同一高度的位置释放小球。

教师：现在请各小组自行设计实验方案，并在实验过程中完成工作单2（图4）。

教师：我看到每个小组的实验都已经完成了，接下来请B组的同学展示他们填写的工作单（图5）（为节省篇幅，之后的工作单均以带参考答案的形式出现）。

学生开始好奇伽利略是如何实现小球在不受任何阻力的情况下到达与释放点等高的位置从而来证明他的假设的。

教师提出理想实验法：在探究过程中，往往会出现无法满足实验条件的情况，为了达到实验目的，经常需要借助在理想情况下进行的实验假设，再以此为基础进行分析推理，从而得出正确的实验结论。因此，尽管在实际生活中不存在绝对光滑的斜面，导致小球无法到达严格的等高处，但为达到实验目的，我们仍可以将斜面进行理想化处理，认为小球是近似等高。由此，我们能够知道伽利略的理想斜面实验是在现有的实验基础上经过了一定的理想化处理后得到的，是一种理想化模型。

教师引导学生思考：如果保持斜面的粗糙程度不变，逐渐改变斜面的倾角，会观察到什么现象呢？请同学们继续实验，并在实验过程中完成工作单3（图6）。

师生进一步总结伽利略斜面实验结论。

【设计意图】 学生在进行实验的过程中通过探究与思考并行的方式对实验现象作出科学合理的解释，进一步强化了自己的科学解释能力。

2.3    理解牛顿第一定律的概念

教师：至此，我们是不是已经可以得出力与运动的关系了呢？伽利略通过斜面实验仅能推出当所受外力为零时，处在匀速运动状态的物体将会一直保持匀速，而同一时期的笛卡尔在此基础上探究发现，物体除了运动速度大小恒定之外，方向也不会发生变化。 牛顿将伽利略与笛卡尔的观點进行了归纳完善，总结出了牛顿第一定律。

教师提问：牛顿第一定律究竟蕴含了哪几层含义呢？

让学生分组讨论，认真思考。最后，由教师进行总结：物体在不受外力或合外力为零时，总保持静止状态或匀速直线运动状态，物体运动状态的改变需要外力作用。

2.4    探究惯性与质量的关系

在学习了牛顿第一定律的概念之后，学生对其已经有了较为清晰的认识。教师还需要强调其中“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，让学生理解惯性的含义：物体总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。

教师剖析其中“总保持”三个字：说明这是物体与生俱来的本领，进一步提出惯性是物体的固有属性。

教师提问：惯性的大小与什么因素有关呢？

小组游戏：有两个大小相同的乒乓球和钢球，分别用细线拴着，用力吹这两个球，观察它们的变化。

教师：经过之前的练习，相信同学们已经可以独立地完成科学解释，请同学们思考观察到的现象，并认真完成不再带有提示信息的工作单4（图7）。

【设计意图】 通过游戏探究惯性与质量的关系，激发学生的兴趣，调动他们的积极性，从而加深学生对惯性的认识，明确质量是惯性的唯一量度。同时，学生经过之前对构建科学解释的方法练习，其科学解释能力有了一定提高。因此，撤去解释框架中的提示，让学生经历完整的解释过程，在独立思考中有效提升科学解释能力。

师生共同总结：质量是惯性大小的唯一量度。质量大的物体，它的惯性就大，反之惯性就小。

教师：生活中还有哪些事例可以证明该结论呢？学生思考并举例。

2.5    应用实践

教师：相信同学们已经能够正确理解力与运动的关系了。最后，作为练习，请同学们思考这样一个常见的生活实例，并完成工作单5，写出合理的科学解释（图8）。

【设计意图】 在基本完成所有的教学内容之后，学生已经对本堂课的内容有了初步的掌握，构建科学解释的意识也逐步增强。于是，最后通过一个真实的问题情境让学生独立构建科学解释，一方面巩固本节课所学内容，另一方面通过练习进一步强化学生在处理实际问题时的逻辑思维能力与科学解释能力。

3    教学启示

3.1    注重科学探究过程中解释的作用

新一轮基础教育改革以来，科学探究在教学中的地位越来越突出，已成为高中物理课堂中必不可少的教学环节。但一些教师在教学过程中只重探究，忽略了解释的作用，陷入了“凡课必探究”的教学误区，造成了形式主义下的课堂教学[10]。在探究过程中虽然能够调动学生的积极性，但整节课下来学生找不到本堂课的中心问题，而且该课对提升学生逻辑思维能力的作用也微乎其微。教师应有意识地将科学解释渗透于教学过程之中，使科学探究的活动能够围绕解释展开，凸显教学中解释的重要性，并强化学生科学解释能力的目的。

3.2    合理安排教学步骤，显化解释路径

基于PTDR 框架指导的科学解释包括四个要素，因此，学生在构建科学解释时花费的时间较长，为保证在一堂课的时间里教学能够顺利进行并完成，教师只在少数关键的问题情境下让学生经历完整的科学解释过程即可。至于学生没有经历完整科学解释过程的不足，教师可在讲解过程中通过提出科学解释的思想，或仅采用部分科学解释的要素去有针对性地引导学生进行思考。

3.3    课后作业应加强对科学解释的练习

学生在课上虽然已经学习了在一个问题情境下如何构建科学解释来解决问题的方法，但由于课堂时间有限，教师应在课后布置包含有科学解释类的相关题目，帮助学生进一步巩固构建科学解释的过程，从而强化学生的科学解释能力，帮助他们真正建立起对物理现象与规律的深刻认识。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]Berland， L. K.， Reiser， B. J. Making sense of argumentation and explanation[J].Science Education，2009，93（01）：26-55.

[3]Chi， M. T. H.， Bassok， M.， Lewis， M. W.， etal. Self-explanations： How students study and use examples in learning to solve problems[J]. Cognitive Science， 1989，13（02）： 145-182.

[4]Chi， M. T.， De Leeuw， N.， Chiu， M. H.， etal. Eliciting self‐explanations improves understanding[J]. Cognitive Science， 1994，18（03）：439-477.

[5]McNeill， K. L.， Lizotte ， D. J.， Krajcik， J.， etal. Supporting students' construction of scientific explanations by fading scaffolds in instructional materials [J]. Journal of the Learning Sciences，2006，15（02）：153-191.

[6]姚建欣.中學物理课程中科学解释学习进阶及其教学应用[M].南宁：广西教育出版社，2019.

[7]张晴.基于学生认知发展的高中物理教学设计研究——以“牛顿第一定律”的教学为例[J].中学物理教学参考，2019，48（10）：46-47.

[8]高嵩，秦飞.基于物理学史的“牛顿第一定律”的数字化教学设计[J].物理教师，2017，38（07）：17-21.

[9]徐杰.巧用问题导向 促进深度学习——以“牛顿第一定律”教学为例[J].湖南中学物理，2021，36（02）：60-63.

[10]童大振.基于科学解释的教学设计——以“牛顿第三定律”为例[J].中学物理，2020，38（23）：2-5.

（栏目编辑    邓   磊）

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