利用科学论证解决物理课堂生成问题

赵海艳 李宇炜

(1. 北京师范大学实验中学丰台学校，北京 100069；2. 北京师范大学附属实验中学，北京 100052)

在探究性教学中,教师往往会追求科学探究的形式,而忽视了证据、解释等科学探究的要素。教师对实验过程很熟悉,往往在操作过程中按照自己的节奏,直奔主题,片面强调物理理论的验证和实验技巧的娴熟。但对于学生而言这些实验是未知的,每一个环节都需要去思考、质疑,在教学中教师应尊重学生的质疑,关注课堂中生成的问题,激发学生自主探究的热情,利用科学论证方法，让学生充分体会探究和思维碰撞的过程,以有利于学生对于知识的理解、掌握，促进学生高阶思维的发生。在课堂中生成的问题往往都是学生错误高发的问题,针对课堂生成问题，我们应合理运用教学策略,将实验现象形象化地呈现在学生眼前，帮助学生真正释疑解惑，从而达到真正理解的目的。

科学论证是科学探究中一项重要的活动，是由一人或多人利用事实证据、理论知识以及逻辑推理，对观点和主张进行证实的实践活动。有学者认为：科学论证不仅关注科学解释和科学推理的过程,重要的是提升了参与者的批判反思意识，进而提高了审辨式思维能力。科学论证在探究式学习中，不仅协助学习者获得知识，还会使他们相信为什么这一解释优于其他解释。因此在讨论课堂中生成的问题时，运用科学论证方法来解释自己的观点，不仅有益于学生高阶思维的生成，而且能促进学生形成物理观念、提升科学思维能力。笔者根据“超重和失重”教学中生成的问题，适时改变教学策略，以学生自主实验探究和科学论证的方式来解决问题，使学生更加深刻理解物理概念和规律，提高学生的核心素养。

1 问题的生成

“超重和失重”涉及牛顿运动定律的应用,是“运动和力的关系”一章的最后一节，本节课既能进一步巩固学生的动力学知识，又能增强物理与日常生活、宇宙开发的联系，激发学生学习物理的兴趣，培养学生运用科学思维方法解决生活问题的能力。本节课演示实验较多,学生对其中的液体柱自由下落实验最感兴趣，如图1所示，利用上端带摄像头的塑料管，下端用橡胶膜封闭，在管中注入水，在高处释放，用手接住后静止，通过摄像头实时展示水膜在此过程中的变化情况。

图1

在现场实验操作时，学生实时观看摄像头拍摄的视频，往往对水膜的最后状态更感兴趣,视觉震撼效果比较强。教师以此为契机，通过对水膜受力的分析引发出对生活中蹦极时身体感受的解释。既能从实验中看出水膜形变量很大,又从理论上再次印证了物体处于超重状态的受力特点。在第二遍慢放水膜下落过程时,可以明显看到水膜在下落期间的变化情况，细心的学生敏锐地发现图2中有两张图片中的水膜几乎是水平的,他们提出了疑问:为什么在自由下落的过程中,水膜似乎不受力了呢?为什么会不受力呢？物体在下落过程中都是不受力的吗?

图2

2 针对生成问题,运用科学论证方法解决问题,促进学生高阶思维发生

针对学生在课堂上生成的问题,笔者及时改变教学策略,引导学生自主探究，对实验现象进行科学论证，从而得出自己的结论。在论证中运用了英国学者图尔敏提出的科学论证模型(图3)，它由6个要素组成：(1) 主张：个人提出观点、结论；(2) 资料：现象、事实、记载、实验数据；(3) 理由：说明资料如何支撑主张；(4) 支援：理由的补充；(5) 反驳：主张不能成立的情况；(6) 限定：限定主张的条件。

图3

2.1 学生自主制定实验计划,展示实验评价过程,总结结论

针对物体做自由落体运动时受力问题,将学生分成小组，分别研究固体、液体的情况,为学生提供了传感器和相关实验器材。要求学生按照自己的主张来进行实验设计，支持自己的主张，经过全班同学的评价，同组同学互相给与支援和补充，最终得出结论。

2.2 学生论证主张，进行科学评价

2.2.1 固体组

(1) 主张

在自由下落时固体间没有力的作用。所做的验证实验为:在两本书之间夹一张纸，在静止时很难抽出纸，在书自由下落时可轻松将纸抽出(图4)。

图4

(2) 资料(现象)

两书自由下落时，它们间夹的纸被轻松抽出。

(3) 分析(理由)

因为自由下落时固体间没有压力的作用,所以纸很容易被抽出来。

(4) 质疑

大家对固体组的实验提出了质疑：容易抽出不能说明两书间没有力的作用，有可能是下落过程中物体处于失重状态，书对纸的作用力变小。

(5) 同组补充实验

利用数字化实验系统(DIS)验证做自由落体运动的固体间没有弹力的作用，将力传感器的一端用细绳固定在铁架台上，在其挂钩上悬挂重物，剪短上端细绳，力传感器与重物一同做自由落体运动，可以清晰地看到在下落过程中，力传感器读数为零(图5)。

图5

(6) 补充分析

当物体自由下落时, 加速度大小为g，方向为竖直向下,处于完全失重状态，有：F-mg=-mg，F=0，重物对力传感器没有拉力的作用。

固体组学生的科学论证过程如表1所示。

表1

2.2.2 液体组

(1) 主张

液体在自由下落时，不产生液体压强。

(2) 资料

在瓶子中装满水，在侧壁扎孔，水会从小孔流出来(图6)，从高处释放瓶子，在下落过程中水没有从小孔流出来(图7)。

图6

图7

(3) 分析

水没有从小孔流出，说明小孔处的水没有受到周围水给它的压力。

(4) 质疑

依据是什么？

(5) 同组补充

液体组学生的科学论证过程如表2所示。

表2

3 教学反思

科学论证是科学思维的要素之一，在科学探究中学生生成新的问题时可以运用科学论证的方式，引导学生通过与他人的交流，为自己的观点提出辩护，并验证、完善自己的观点。在“超重和失重”一课中，针对学生在课堂教学中生成的问题：“做自由落体运动的物体间是否有力的作用”，教师及时调整教学策略，留下充足的时间交给学生去实验探究，利用科学论证来解决课堂中生成的问题，充分发挥科学论证的“证据、解释、质疑、反驳”等功能，不仅能提升学生的科学思维能力，还能培养学生的质疑精神，帮助学生深入理解核心问题。在本节课中，充分发挥了学生寻找证据的主观能动性，在寻找证据的同时，加深了他们对问题的理解，同时在互动中促进学生高阶思维的发生。针对固体、液体在完全失重状态下的受力情况展开大胆的猜想，学生运用实验验证自己的想法，转变错误的前概念，体会科学研究的严谨，强化对实验是检验真理的唯一标准的认知，这一过程培养了他们的科学态度与责任，使他们感受了科学探究的魅力。在课堂教学中融入科学论证的教学方式，使学生经历类似科学家获得资料、提出主张，进行质疑和补充的过程，有助于学生深刻理解科学概念，提高了学生的核心素养。