基于科学论证思维培养的初中科学教学策略*

沈伟云|浙江省嵊州市教育体育局教研室

科学论证是以科学知识为中介，积极面对问题，对所获得的数据资料进行解释和说明，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级思维能力[1]。美国《K-12科学教育框架》明确将“基于证据进行论证”作为必不可少的科学实践活动。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》专门把科学论证作为科学思维的重要组成部分，并提出了较为明确的教学要求。

当前的初中科学课程缺乏对科学论证思维培养的要求，教学实践中多是指向对科学结论的理解而不是论证，学生证据意识不足，忽视科学推理过程，“据理力争”式的反驳较为罕见，科学论证思维尚处于隐性渗透之中。因此，学生科学论证思维的培养已刻不容缓。

若要显性地培养学生的科学论证思维，教师就应在学生习得一定理论知识的基础上积极开展教学实践。如教师可在认真学习、研究图尔敏论证模式的基础上，结合初中科学教学实际，建构符合初中生认知规律的科学论证模式（如图1）。

图1 初中科学的科学论证模式

教师要创设真实的问题情境，引导学生思考、讨论，提出自己的主张，然后通过自主设计实验等方式去寻找现象和数据等证据，并根据科学概念和规律分析推理。教师还要鼓励并引导学生针对主张、证据、推理过程提出质疑，进行反驳，乃至提出新的主张，在推理解释的基础上作出新的判断，从而形成正确的主张。

一、运用归谬法，辨析前概念

归谬法是人们常用的一种论证方法，它首先假设对方的论点是正确的，然后从这一论点中加以引申、类比、推论，从而得出极其荒谬可笑的结论来，以驳倒对方的论点。前概念是指学生在正式学习科学概念前，基于自己的生活经验而对事物形成的一定观点。若前概念与科学概念相一致，则可成为新的知识的生长点；若与科学概念相悖，则可通过归谬法，推导出前概念的错误原因，加深对科学概念的正确理解[2]，培养科学论证思维。

如在初学电路时，学生会形成“电流经过灯泡以后，会逐渐减小”的前概念。教师可引导学生设计方案：把2只规格相同的小灯泡串联起来，在小灯泡靠近电源负极的一侧串联2只电流表，测出电流大小。按照归谬法，应是近电源负极的灯泡比前一只灯泡暗、近电源负极的电流表示数小，而实际是小灯泡亮度相同、电流表示数相同，由此可论证前概念是错误的。

又如在学习光的反射时，学生会形成“人能看到物体是由于眼睛发出的光照射到物体上”的前概念。教师可让学生在黑暗的房间内观察物体，让学生形成“伸手不见五指”的实践体验。而按照归谬法推断，人眼应该能观察到物体，而实际却看不见物体，由此可论证前概念是错误的，促使学生形成“人眼能观察到物体是由于物体发出或反射的光导致的”这一科学概念。

在运用归谬法辨析前概念的过程中，学生不仅可以改变错误的前概念，深度理解和建构正确的科学概念，而且可以培养科学论证思维，发展批判性思维品质。

二、阅读科学史实，领悟科学论证实质

科学史实是初中科学教材内容的重要组成部分，科学史是一部不断探究、论证科学规律的历史。教师基于科学史开展论证式教学，可以使学生经历科学家建构理论知识的过程，即评价资料、提出主张、为主张进行辩驳等，增强对科学本质的理解。

如原子结构模型的发展经历了道尔顿实心球、葡萄干蛋糕、卢瑟福行星、玻尔量子化、现代电子云模型等阶段。教师可提供阅读资料，并以视频动态展示卢瑟福行星模型，然后对著名的α粒子轰击金箔实验提出如下问题，引导学生论证、批判。

（1）哪个证据否定了道尔顿“原子都是不能再分的粒子”模型主张？（1897年汤姆生发现了电子）

（2）哪个实验现象可驳斥汤姆生“正负电荷均匀分布”模型主张？（极少数α粒子发生较大的偏转甚至像是被金箔弹了回来）

（3）绝大多数α粒子穿过金箔后方向不变说明了什么观点？（原子核很小，原子内部有很大的空间）

（4）极少数α粒子发生较大的偏转甚至像是被金箔弹了回来说明了什么？（原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部）

又如在探究物体运动的原因时，教师可先呈现伽利略设计的理想斜面实验，让学生观察到球沿斜面向下滚动时速度变大，从最低处沿斜面向上滚动时速度变小。然后改变实验装置，如减小右侧斜面的倾角后，小球可以滚动得远一些，把右侧斜面放平时，小球可以滚得更远。在开展实验时，教师可设置如下问题。

（1）小球在左右两侧的斜面高度一样吗？（不一样）

（2）小球在右侧高度为什么比左侧低？为什么在水平面滚动时会停下来？（小球受到摩擦阻力的作用）

（3）假如接触面是光滑斜面，那么小球将怎样运动？（小球在右侧斜面的高度与左侧一样，在水平面上一直做匀速直线运动）

教师可告诉学生，早在400多年前，伽利略就是用这样的斜面理想实验，通过科学推理，形成“球不受力作用会一直做匀速直线运动”的证据，并以该证据有力地反驳了亚里士多德“运动需要力来维持”的观点。

阅读科学史实，学生能领略到经典实验的科学魅力，以及科学家勇于探索的科学精神。教师可对教材中的科学史实进行适当的拓展，引导学生基于科学家的视角提出主张、开展论证，鼓励学生勇于质疑，提出自己的观点，从而加深对科学概念的理解，领悟科学论证思维的本质。

三、辩论社会性科学议题，培养学生的批判性思维

社会性科学议题是指由于科学、技术与社会之间错综复杂关系所引发的一些争议性的科学议题[3]。社会性科学议题是学生开展科学论证活动的良好的“问题情境”之一。教师可引导学生搜集证据，形成自己的主张，并在辩论活动中提出基于证据的反驳，这有利于培养学生的批判质疑思维。

如浙教版义务教育教科书《科学》七年级下册第74页“光污染”条中指出：“大城市高层建筑的玻璃幕墙会产生很强烈的镜面反射，使局部地区气温升高，同时强烈的反射光使人双目难睁，影响车辆行驶和行人的安全。”

学生阅读了这则材料后，一下子就对玻璃幕墙产生了负面的认识。那么玻璃幕墙究竟是有利还是有弊呢？为此，教师可组织学生开展辩论，要求学生通过采访建筑师、查阅资料、实地踏勘等方式搜集资料，论证自己的主张。

正方论证：（1）玻璃幕墙的质量比其他建筑材料轻；（2）在玻璃中添加某些微量金属元素，可吸收红外线，使进入室内的太阳辐射减少，降低室内温度；（3）玻璃的不同颜色易与周围环境协调一致，能提高美观度；（4）抗震能力强；（5）维修与更新较为方便……

反方论证：（1）烈火中玻璃容易破碎，防火能力弱；（2）粘贴的结构胶容易老化，导致幕墙掉落；（3）气温骤变使玻璃热胀冷缩，易破碎；（4）结构胶施工技术对环境和设备要求较高；（5）易造成光污染……

又如教师可结合“日本核废水排放入海”问题，提出“核能发电利弊”的社会性科学议题，组织学生开展辩论。

反方论证：福岛核事故告诉我们，一旦核反应设备损坏，会引起放射性物质泄漏，而且放射性废料较难处理，若处理不当会导致环境污染，就如日本核废水排放入海，会使整个海洋受到污染，影响海洋生态平衡，使海洋生物有了放射性。这是因为放射性物质易致癌致畸致突变，对生物的遗传基因会造成很大影响。此外，核能发电热效率低，排放大量的废热到环境中，会造成较严重的热污染。

正方论证：核能不会产生二氧化碳，能减轻温室效应；不会产生二氧化硫等有害物质，不会造成空气污染；同样功率下，核燃料的消耗要比化石燃料少得多。同时，我国的核能发电安全防护措施非常严格。更可喜的是，2021年5月28日，中科院建成了有“人造太阳”之称的核聚变实验装置，突破亿度百秒记录。或许，在不久的将来，人类将实现核聚变发电。

社会性科学议题一般没有绝对正确的答案，这就使学生处于“两难”境地，容易激发学生的能动性，使其主动搜集资料证据、开展辩论，进而形成一分为二的辩证唯物主义观点。当然，在这一过程中，学生也培养了搜集信息的能力，促进了科学论证思维的发展。

四、开展探究实践，提高分析论证能力

科学论证是科学探究的核心，学生参与科学论证活动，能够增强对科学概念的认识，深化对合理使用证据的理解，提高逻辑论证能力[4]。分析论证是科学探究中的重要一环，在探究实践中观察到的现象、获得的数据，都需要通过分析论证，才能形成科学结论。

如“闭合电路中的一部分导体在磁场里做切割磁感线运动产生感应电流”，其中“切割磁感线运动”是产生感应电流的一个必备条件。为了论证这一结论，教师可引导学生设计实验，寻找证据。在满足“电路闭合”“一部分导体在磁场里”两方面条件时，该导体相对于磁场静止，电流表指针不偏转，据此证据可论证“导体静止不能产生感应电流”。当闭合开关，导线垂直于磁场方向、斜向上或向下做切割磁感线运动时，电流表指针偏转，而导线平行于磁场方向运动，也即没有切割磁感线运动，电流表指针不偏转，由此证据可对比分析论证“产生感应电流需要切割磁感线运动”。然后通过导线静止而磁体运动，来进一步充分论证“切割磁感线运动是产生感应电流的一个必备条件”这一主张。教师可在此实验的基础上，提出“产生感应电流方向与哪些因素有关”“感应电流的大小有哪些影响因素”等问题，引导学生通过小组合作交流，提出探究实验的方案，寻找证据等来证明结论，当然也鼓励学生提出质疑。

实验探究是培养学生科学论证思维的重要途径，结合教学需要拓展实验探究对于发展学生科学论证思维意义重大。如在学习电路短路时，教师可呈现小实验：取一张锡纸，剪成两端宽中间狭窄的一段纸条，接着把锡纸的两端与干电池的正负极相连，发现锡纸燃烧。根据此实验现象，教师引导学生分析，得出：锡纸的两端与干电池的正负极相连时造成了短路，电流变大，产生的热量增多，锡纸的温度升高，达到了锡纸的着火点，锡纸发生燃烧。此外，这个实验现象也可作为证据，来论证燃烧发生需要“温度要达到着火点”这一条件。对于这个小实验，教师可留给学生适当的思考时间，鼓励学生提出探究问题。如有学生提出问题：“锡纸的金属是锡吗？”教师不用直接给出答案，而是可布置成作业，让学生课后去搜集资料、设计方案，开展实践探究。

学生主张：（1）可能是锡；（2）可能是铝。

实验方案：（1）把打磨后的锡纸片放入试管里，滴加稀盐酸，观察到有气泡产生，根据锡和铝的金属活动性，可知它们都能与稀盐酸反应，因此，这一实验证据还无法判断锡纸的金属成分；（2）把打磨后的锡纸片放入试管里，滴加氯化锌溶液，发现锡纸表面有深灰色固体析出。

论证：根据金属活动性顺序，铝排在锌的前面，锡排在锌的后面，能与氯化锌溶液发生置换反应，说明该金属是铝。

该拓展性探究实验较好地体现了科学是一门综合性学科的理念。

探究实验是训练学生科学论证思维的优良素材，教师要善于在课堂上给学生“留白”，放手让学生自主设计探究方案，搜集证据并分析论证，得出结论。当然，教师也可根据教学需要，适当拓展探究内涵与外延，开展科学论证的深度学习活动。

五、结语

科学论证思维是一类高阶思维，它能让学生体验科学知识的形成，引导学生用科学家探究问题的方式去思考问题。在初中科学学习阶段，教师要结合学生的认知规律和思维基础，关注学生的思维过程，适度开展适合学生发展的科学论证教学，及时评价并改进论证教学，促进学生科学论证思维的发展，发展学生的科学核心素养。□◢