以CER框架为导向

汪鸿飞 姚关心

摘要：在科学探究的过程中，科学思维和科学解释既是重要能力，又是核心环节。CER框架是美国中小学教育研究过程中提出的引导学生开展科学解释的教学模式，包括主张、证据、推理三个要素。《实验：探究平抛运动的特点》一课教学，尝试以CER框架为导向：基于“经验”，讨论提出“假设”;基于“假设”，探究得到“证据”的方案;基于“证据”，开展“推理”分析;基于“推理”，提出“主张”，得到“科学结果”。

关键词：CER框架;科学探究;科学解释;平抛运动

“科学探究”是物理学科核心素养之一，“是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力”，“主要包括问题、证据、解释、交流等要素”。在科学探究的过程中，科学思维和科学解释既是重要能力，又是核心环节。

CER框架是美国中小学教育研究过程中提出的引导学生开展科学解释的教学模式，包括主张（claim）、证据（evidence）、推理（reasoning）三个要素。在CER框架（如下页图1所示）下，学生在学习科学知识的过程中，以已有经验（前概念）为基础，提出假设（主张），搜集相关证据，基于科学思维和科学知识进行推理，并通过师生之间、生生之间的交流讨论，验证或修改自己的假设（主张），完成对科学知识的建构，重构对自然世界的深度理解。人教版高中物理必修第二册《实验：探究平抛运动的特点》一课，尝试以CER框架为导向实施教学。

一、基于“经验”，讨论提出“假设”

实验探究之前，需要引导学生开展基于已有经验的问题讨论。一方面，可以解决相关概念不清造成的困扰，另一方面，可以启发思维，让学生提出相关假设。

本节课，开始探究之前，学生需要知道什么是平抛运动、平抛运动与之前所学的直线运动的区别与联系。教学片段如下：

师什么是平抛运动？用生活中的一些实例来说明。

生以一定的速度将物体抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，物体只受重力的作用，这时的运动叫作抛体运动。如果初速度是沿水平方向的，这样的抛体运动就叫作平抛运动。

生轰炸机投弹时，炸弹做的运动就是平抛运动。

（教师用视频动画演示小球的抛体运动，包括斜抛运动、竖直上抛运动和平抛运动三种形式，定格画面分别如图2—图4所示。）

师这三种运动过程哪个是平抛运动？平抛运动与我们之前所学的直线运动有什么区别和联系呢？

生第三种运动是平抛运动。直线运动的轨迹是直线，平抛运动的轨迹是曲线，且是平面曲线。

生平抛运动无法用一维坐标来描述，也许可以用二维坐标来描述。

二、基于“假设”，探究得到“证据”的方案

设计实验探究方案，需要考虑到基于学生自己的假设，让他们通过找寻证据来证明或修正、改进自己的假设。

平抛运动实验探究方案的设计，为了培养学生的科学思维和科学解释能力，提供了一种以问题为导向的科学探究方式。教学片段如下：

师为什么说可以用二维坐标来描述平抛运动呢？

生直线运动的轨迹在一条直线上，平抛运动的轨迹在一个平面内，平面是一个二维空间。

师基于此，我們该如何用实验来研究平抛运动的特点？

（学生思考并交流。）

生根据运动的合成与分解，将平抛运动（二维运动）分解为竖直方向和水平方向上的直线运动（一维运动），再分别研究这两个运动的特点。

生直线运动的研究是从其轨迹开始的，根据运动轨迹和运动时间，研究运动的位移、速度和加速度之间的关系。

生可以用频闪照相机记录小球做平抛运动的轨迹，并从水平和竖直两个方向对平抛运动的轨迹进行分析。

师为什么要用频闪照相机记录小球做平抛运动的轨迹？

生这样可以通过测量得出小球水平方向上的位移x和竖直方向上的位移y，并根据频闪次数计算出小球运动的时间t。

（学生设计实验方案：如图5所示，让小球从斜槽上某个位置自由滚落，将带有方格的纸板放在竖直平面内，每个方格的边长均为5 cm，与小球运动轨迹所在平面平行，用频闪照相机记录小球做平抛运动时的位置影像。）

三、基于“证据”，开展“推理”分析

科学推理是指在实验的基础上概括、抽象、推理得出规律。一个物理规律的发现过程必然经过科学的推理和分析，而科学的推理和分析一定是基于证据进行的。

本实验中，要基于小球运动的轨迹，推理出平抛运动的规律。教学片段如下：

（教师引导学生将频闪照相机记录的小球运动轨迹置于平面直角坐标系中，得到图6，记录水平位移和竖直位移。）

师分析小球运动的轨迹，你有什么发现？

生在相等的时间间隔t（t=0.05 s）内，小球的水平位移x是相等的，竖直位移y越来越大。

师（出示表1）这是实验数据记录表，分析表中的数据，你能得出什么结论？

生从表中的数据可以得知，水平位移x线性（正比例）增大，竖直位移y非线性（非正比例）增长，且增幅越来越大。

生我想到，之前学过的匀变速直线运动的位移的增幅就是越来越大。根据匀变速直线运动位移公式的特征，即关于时间的二次函数，结合具体数据，可以发现：y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。这验证了小球在竖直方向上的运动是匀变速直线运动。

四、基于“推理”，提出“主张”，得到“科学结果”

科学结果的提出一定要基于实验和证据，经过科学地推理和论证，再经过反复地验证和交流，最终形成具有普适性的物理规律。

在教师的指导下，学生已经依据已有的经验提出了自己的假设（主张）。基于搜集的证据，经过推理和分析，学生可以验证自己的假设（主张）是否正确，是否有需要修正的地方。在此基础上，学生完善假设，提出新的主张，从而得到正确的科学结果。教学片段如下：

师据此，我们可以推测做平抛运动的物体在水平方向上做怎样的运动？你的依据是什么？

生在水平方向上做匀速直线运动。我的依据是在相等的时间间隔t内，小球在水平方向上的位移相等。

师在竖直方向上做怎样的运动？你的依据是什么？

生在竖直方向上做匀加速直线运动。我的依据是小球在竖直方向上位移的比例关系y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。

生我认为，竖直方向上的运动是自由落体运动。我的依据，一是通过估算得出小球在竖直方向上运动的加速度大约为9.7 m/s2，与重力加速度的值接近;二是通过对小球进行受力分析，发现在小球竖直方向上只受到重力的作用，根据牛顿第二定律，可知小球在竖直方向上运动的加速度a=g。

师基于本节课的科学探究，我们得出了平抛运动的特点：（1）水平方向上的运动是匀速直线运动;（2）竖直方向上的运动是自由落体运动。

总体来说，CER框架导向下的物理教学对于学生物理学科核心素养的培育具有独特的优势。首先，CER框架指导学生通过科学观察、科学调查和科学实验获得证据，支持科学主张，帮助学生形成物理观念。其次，CER框架导向下的物理教学是以问题驱动、思维引导的方式进行的，在解决问题的过程中不断训练学生的推理、分析、质疑等科学论证能力，进一步促进学生科学思维的养成。再次，CER框架下的物理教学强调基于证据的科学证明，学生可以从多个方面收集证据、资料，检验自己的主张（假设），培养实证精神;也可以基于证据和推理对自己或者别人的观点进行质疑、开展辩论，这对学生质疑精神和批判性思维的培养具有重要的意义。

当然，以上只是CER框架在高中物理教学中应用的初步尝试，我们还将在更广阔的领域中挖掘這一框架更丰富的适用性。

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] 潘洪建，盛群力.CER教学：引导学生建构科学解释[J].开放教育研究，2019 （5）.

[3] Quinten Loch.The Impact of ClaimEvidenceReasoning Writing Techniques on Argumentation Skills in Scientific investigations[D].Bozeman：Montana State University，2017.