落实科学论证的探究性实验教学设计——以“探究加速度与力、质量的关系”为例

代玉婷，刘小兵

广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004

《普通高中物理课程标准 （2017年版2020年修订）》将科学论证列入物理学科核心素养“科学思维”层面的主要要素之一，并在课程目标中要求学生通过高中物理课程的学习，应具有使用科学证据的意识和评估证据的能力，能运用证据对研究问题进行描述、解释和预测[1]。因此，如何在教学中落实科学论证促进学生思维发展，是值得重视和研究的问题。

1 论证式教学

科学论证是以证据为基础，借助证据和逻辑推理获得的理论依据支持自己的主张、反驳他人观点的科学活动[2]。目前应用较广泛的是图尔敏的TAP论证模式，此模式提供了论证过程的基本范式，如图1所示[3]。它包含依据、主张、理由三个基本要素和支援、反驳、限定词三个补充要素。其中，依据是支持主张的数据、事实和证据；主张是我们想要证明和确定的结论；理由是连接依据和主张的普遍性原则和规律。而支援是对理由进一步支持的陈述；限定词是用来表明主张成立的范围及条件；反驳是对资料、理由反驳的事实和观点。

图1 图尔敏修订后的TAP论证模式

论证式教学是将科学论证活动引入课堂教学，落实科学论证促进思维发展的一条行之有效的途径。2010年王星乔和米广春提出论证式教学模式的操作程序（图2）[4]。根据此程序并结合科学探究的要素，在探究性实验教学中，教师可根据教学目标创设情境引入论题，学生在情境和已有经验的基础上提出猜想和进行验证猜想的实验设计，然后开展实验收集证据，并基于证据与理由阐述和解释主张。若各小组意见一致且教师认为达到预期的学习目标可直接进入获得结论阶段[4]。若存在不同主张，教师应引导学生辩证主张，在辩证过程中需要重新分析资料或收集额外证据来进一步支持理由。待大家达成一致主张且教师认为达到预期学习目标时，可进入获得结论阶段。

图2 王星乔与米广春提出的论证式教学程序

2 “探究加速度与力、质量的关系”的论证式教学思路

“探究加速度与力、质量的关系”是新课标明确提出的学生必做实验，也是学生对力与运动认识的延续和学习牛顿第二定律的基础。如果在本实验教学中融合科学论证与科学探究，学生不仅能正确辨析所得的实验结果、深化对实验结论的理解，还能促进科学论证等能力的提高。那么，教师该如何引导学生开展科学论证，提高科学论证能力，发展科学思维？为了有效解决此问题，我们尝试基于论证式教学程序对“探究加速度与力、质量的关系”进行教学创新设计，教学设计思路如图3所示。

图3 “探究加速度与力、质量的关系”的教学设计思路

3 落实科学论证促思维发展的教学创新设计

3.1 创设情境，引入论题

教师播放某综艺节目里“父队”和“子队”挑战拉动静止火车的视频，并提问火车为什么会被拉动？若同样的人在同一个地方拉火车和汽车，哪种车会被较快拉动？火车运动状态发生改变，即产生加速度，运动状态变化快慢反映加速度大小，此情境中火车的加速度受哪些因素影响？通过上述三连问，引导学生基于真实情境提出论题：情境中静止火车的加速度a与受到的拉力F拉、摩擦力f和自身质量M车之间有什么关系？并猜想M车和 f不变，a与 F拉成正比；F拉和 f不变，a与 M车与成反比；M车和F拉一定时，f越小加速度越大。

【设计意图】引入论题是论证的首要工作。这一环节，教师通过创设真实情境帮助学生建立加速度与力、质量的关系的感性认识，以问题驱动学生从物理学视角认识物体加速度与力、质量的关系，并提出论题和猜想。

3.2 开展实验，寻找证据

教师活动：介绍实验仪器（配重片、DIS轨道专用小车、铺布DIS轨道、4个50 g的钩码、1个20 g的砝码、细线、小桶、电子秤、位移传感器、电脑等）。引导学生利用现有仪器设计实验（图4），探究“火车加速度与拉力、摩擦力、质量的关系”。

图4 实验仪器

问题1：需要哪些实验仪器模拟火车、轨道和拉力？

问题2：采取什么实验方法？具体实验思路是什么？

问题3：实验过程需要测量哪些物理量？如何测量？

问题4：是否可视桶和钩码的重力大小为拉力的大小？

（提示：当 M车+发射器＞＞m桶+钩码时，F拉=G桶+钩码）

问题5：实验数据如何处理才能更直观地反映被测物理量间的关系？

学生活动：考虑到摩擦力难以测量，各小组先开展实验，探究前两个猜想。一是在同一个铺布DIS轨道（f相同），控制M物（小车和发射器质量）不变,改变F拉，测量物体加速度大小；二是在同一个铺布DIS轨道（f相同），控制F拉不变，改变M物，测量物体加速度大小。实验过程记录实验数据并处理，得到a-F拉和图像均是与横轴有交点的直线（图5、图6）。

图5 控制M物和f不变得到的a-F拉图

图6 控制F拉和f不变得到的图

【设计意图】证据是提出主张的前提依据。教师站在学生的角度，层层设问引导学生构建物理模型。通过设计实验，进行实验，收集证据，为后面的论证阶段奠定基础。

3.3 组内交流，阐释主张

教师活动：在分析数据的过程中发现有的小组容易主观地把图像未过原点的原因归咎于实验误差。这时教师追问：你们的理由是什么？图像与横轴有截距到底是实验误差还是这个截距有什么特殊物理意义？其他小组根据实验数据提出的主张是否与他们相同？

学生活动：在教师的引导下，有的小组基于已有的实验结果和科学推理提出不同主张：图像与横轴的截距不是实验误差，图像就是一条不过原点的直线（证据）。因为在a-F拉图像中，图像与横轴的交点 a=0，根据二力平衡F拉=f，该点数值表示摩擦力大小（理由）。根据数学知识正比例函数图像是一条经过原点的直线；一次函数的图像是一条不垂直于x轴的直线（理由）。所以认为M物和 f不变，a与 F拉不成正比；F拉和 f不变，a与 M物不成反比。但实验过程小车受到的恒力f越小，上述两个图像与横轴的截距会越来越靠近原点。

【设计意图】这一环节学生总是基于原有经验解释证据，不同的学生对同一科学现象可能存在不同的理解。在阐述主张和解释主张的过程中，学生能看到与自己不同的理解，使理解更丰富[4]。此外，学生运用科学推理获得理论依据批判、质疑他人观点的过程，可进一步提高科学推理能力和批判性思维能力。

3.4 补充证据，辩证主张

学生活动：学生经过讨论得到减小小车受到恒定f大小的两种方案：换表面粗糙程度更小的DIS轨道或垫高木板利用重力“冲淡”部分摩擦力。教师提醒学生实验室共有麻布、纤维、雪纺三种不同粗糙程度的铺布DIS轨道，每种类型各4组，由于时间有限，组间可分工协作，开展实验，收集数据。

组间组队类型有两种：一种是DIS轨道粗糙程度不同的三个小组组队，他们互相分享之前在各自的铺布DIS轨道（f相同），控制M物不变,改变F拉测量物体加速度大小的实验数据，处理数据得到的图像如图7所示，分析图像变化规律可知与主张相符。并且纵向对比a-F拉图的三个图像可得，M物和F拉一定时，f越小加速度越大，猜想三得以证实。

图7 小车在不同粗糙程度的水平轨道得到的a-F拉图

另一种是相同实验仪器的三个小组组队，三个小组分别垫高木板的高度是一本、二本和三本物理书，同时进行实验、收集数据，实验结束后处理数据得到的图像如图8所示，分析图像变化规律可知也与主张相符，主张成立。再次纵向对比图的几个图像依然可得，M物和F拉一定时，f越小加速度越大，猜想三再次得以证实。

图8 小车在依次被垫高的雪纺轨道上得到的图

【设计意图】辩证主张是科学论证的核心环节，学生运用与同学合作探究所得的实验数据去解释自我主张、反驳他人主张的过程，不仅能帮助大家正确辨析所得图像未过原点的原因，还能体会科学论证的步骤，培养思维的严谨性。

3.5 优化主张，获得结论

教师提问：既然摩擦力和拉力都影响物体加速度大小，那么它们的合力与物体加速度会不会有什么更特别的关系？

渗透极限思想：从图像可知，f越小，图像与x轴的截距会越来越靠近原点；若f无限接近0时，图像与x轴的截距会无限接近原点，如图9和图10所示。

图9 f→0时所得的 a-F拉图

图10 f→0时所得的图像

学生合理外推：f→0 时，M物一定，a∝F拉。f→0，F拉=F合一定，。

教师提示：f≠0的 a-F拉图像可由 f→0时a∝F拉图像向右平移|f|个单位得到（图 11），依据数学知识正比例函数y=kx向右平移b个单位可得函数 y=k（x-b）。

图 11 a-F拉图像平移得到 a-（F拉-f）图像

学生科学推理得：M物一定，a∝（F拉-f）=F合。

学生由上述科学推理的结果——“F合一定，”“M物一定，a∝F合”，进一步优化主张表述，获得大家认可的结论：物体的加速度与合力成正比，与质量成反比。

【设计意图】这一环节学生在教师的引导下无需做到恰好平衡摩擦，而是基于已有的实验数据，巧用极限思想合理外推得到物体加速度与合力、质量的关系。这样的处理不仅能帮助学生深化对科学本质的理解，还能提高学生的科学思维能力。

4 结束语

科学论证过程，学生基于对证据的理解阐释主张有助于他们超越自我认识，提高评估证据的能力。其次，学生运用证据和科学推理获得的理由能促进批判性思维的发展。科学推理能力和科学论证能力的培养也能从中落地而生。因此，探究性实验教学中，教师在关注学生科学观念的形成、科学探究能力提高的同时，还要注重科学论证等科学思维的发展。