高中物理论证教学模型优化及应用——以PCRR优化模型为例

刘 伟|浙江省龙游中学

科学论证是基于科学证据和理由建构科学主张，同时以反驳、劝说等形式辩护自己的科学主张的合理性实践［1］。《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》明确了科学论证是科学思维的重要构成，然而作为培育学生论证素养的基本途径，论证教学的开展却不容乐观。有研究显示，仅有10.91%的教师认为自己在课堂上经常使用论证教学，这其中还包含了“有论无证”“有证无论”和“有据无驳”等不是真正意义上的论证行为［2］。究其根本，是教师缺乏培养学生论证素养的意识，且易于复制、操作、富于实效的高中物理论证教学模型仍有待探索。基于以上原因，笔者对PCRR科学论证教学模型进行优化并予以实践。

一、PCRR 科学论证教学模型分析及其优化模型的构建

（一）PPCCRRRR科学论证教学模型分析

PCRR 科学论证教学模型（如图1 所示），是当前最具影响力的论证教学模型之一，它包含四个阶段［3］，其中批判和反思阶段最关键。

图1 PCRR科学论证教学模型

该模型主要利用观察、查找资料和推理形成论据、论点，环节清晰，有助于论证活动的推进。但从高中物理教学实践来看，其有如下弊端：淡化论证要素，论证主题易跑偏；弱化“反驳”，论证质量难保证；粗化操作，缺少师生任务和行为设计。

（二）构建PPCCRRRR 科学论证教学模型的优化模型

为解决以上问题，在PCRR科学论证教学模型的指引下，历经两年在不同学段多种课型的课堂教学实践，笔者与教研组成员构建了如图2所示的PCRR科学论证教学模型的优化模型（以下简称“PCRR 优化模型”）。该优化模型中，每个环节均规范了师生的具体行为或任务，并且对论证要素的落实进行专项设计。

图2 PCRR优化模型

二、论证题材的选择

从含义来看，科学论证包含“建构主张”和“辩护主张”两个方面。相应地，科学论证的教学也从两个维度展开：其一，教学中如何协助学生建立新概念或规律，形成新知识，提出新观点，与“建构主张”对接；其二，对疑难问题的论辩，体现为针对已有观点（教材等提供的文本观点、教师提出的新颖观点或学生形成的争议观点），阐述为何支持或因何反对的论证过程，与“辩护主张”对接。由此可见，“概念和规律的建立”与“论辩问题的解决”是两类适合论证教学的题材。

“概念和规律的建立”通常有两种情形：一是学生已有经验与科学认知之间存在冲突，如判断静摩擦力的产生条件与方向时，对于“相对运动趋势及方向”的不同理解；二是概念、规律牵涉多个因素，关联多个条件，如探究产生感应电流的影响因素。在这类题材中，论证活动发生在对概念、规律本身的理解内化阶段，一般不包括巩固深化、拓展应用过程。

“论辩问题的解决”主要为澄清学生头脑中模糊有争议性的观点，以及学生选取不同证据、采用不同推理可能形成互斥性的相异观点。比如在持续水流冲击竖直墙壁的过程中，运用动能定理或动量定理求得的平均力不同，用哪个定理求解合理就是一个争议性论题。对两类论证题材的比较如表1所示。

表1 两类论证题材的比较

三、PCRR优化模型的实践路径

PCRR优化模型的实践可分为四个阶段。

阶段1：呈现与生成

［师］呈现观察材料或唤起已有经验。

［生］搜寻支撑证据，生成本小组初步观点。

阶段2：引导与质疑

［师］引导并监督学生围绕论证要素展开讨论。

［生］对其他小组的结论提出质疑，以便签的书面论证形式将意见反馈到相应小组。

阶段3：设疑与反思

［师］通过实验、问题等设置启发性疑问；视情况向学生提出或引导学生提出需要反驳的新观点或需要深入再论证的观点。

［生］依据反馈意见和教师引导，进行组内反思并提出反思结果。在两种情形下提出反驳：一是教师提交新观点；二是对反馈意见存疑。

阶段4：协助与修正

［师］协助学生提炼观点。

［生］修正并形成最终观点。

四、PCRR优化模型的实践案例

以下展示上述两类论证题材的教学案例。

（一）“概念和规律的建立”教学案例（仅节选“质疑”“反思”部分）

论题的提出：轻重不同的两个物体从同一高度同时落下，你认为哪个物体下落得快？

论题的评析：因高一学生还没有学习《运动和力的关系》，未建立运动和力的定量关系，多数学生还不能从合外力角度来分析影响下落的因素。

1.呈现与生成

［师］（1）史实素材：下落快慢与轻重有关，重的物体下落得快（亚里士多德）；通过逻辑推理提出轻、重物体下落同样快（伽利略）。（2）观察实验材料：两张相同的纸制成的纸团和纸片从同一高度同时由静止开始下落。（3）常识性经验：熟透的橘子和枯黄的橘叶从枝头同一高度同时由静止开始下落。

［生］6 个论证小组组内讨论后，归纳为3种初步观点（下面展示观点3）。

观点3：橘叶因受到更大的空气阻力比橘子下落慢，纸片与纸团下落情况也同理，快慢不同是因为空气阻力的大小不同。当空气阻力大小相等时，轻、重物体下落一样快。

2.引导与质疑

［师］引导学生针对论证要素提出反馈意见。

［生］持观点3 的小组将收到的反馈意见归纳为：观点3 的证据限定条件为“空气阻力大小相等”，结论为“轻、重物体下落一样快”，错误原因是证据不合理，因为“橘子与橘叶”“纸片与纸团”的下落除要考虑空气阻力外，还要考虑重力因素，因此给出“快慢不同是因为空气阻力的大小不同”这一结论是不合理的。

3.设疑与反思

［师］（1）演示启发性实验：牛顿管实验（利用手机拍摄慢动作视频，让学生在慢动作回放中再次观察）。（2）提出启发性疑问：观察对比实验（有空气阻力、无空气阻力两种情况），在排除空气阻力影响的情况下，重的铁块和轻的羽毛下落快慢如何？以此引发学生的反驳。

生（持观点3 的小组）：牛顿管实验中，无空气阻力影响，轻重物体下落一样快，那么，在空气阻力大小相同时，同样也可以得出轻重物体下落一样快的结论。

［师］把持观点3 的小组的反驳观点提交学生再论证。（教师需事先尽量预设多种可能性并做好相应准备，如重力小的比重力大的物体下落快的实验、视频或生活经验等）

实验设计：无空气流动的环境下，大小相同的两只气球各夹两块重量不同的钕磁体，从同一高度同时下落。

引导性实验：教师播放空气阻力大小可认为相同的气球下落视频。

生（持观点3的小组给出反思3）：物体下落的快慢不同是因为受到空气阻力、重力的大小不同。

4.协助与修正

［师］协助学生修正观点。

［生］形成最终观点：空气阻力会影响物体下落的快慢；在只受重力影响的情况下，轻重不同的两个物体从同一高度同时落下时的快慢是一样的。

（二）“论辩问题的解决”教学案例

该教学案例课堂简录如表2所示。

表2 “论辩问题的解决”课堂简录（部分）

论题的提出：［2020 年1 月浙江省物理选考卷第17 题第（3）小题］在用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”实验中，平衡阻力后，小车与橡皮筋组成的系统在橡皮筋恢复形变前机械能是否守恒？

论题的评析：该教学的对象为高二两个班级的学生，其学习基础较好，且已在一轮中复习过相关知识。再次学习，大部分学生能顺利给出正确答案，但依然有不少学生不能充分理解，这是教学要关注的焦点。因此，教师要引导学生关注论证要素而非结论本身。

五、实践PCRR优化模型的教学启示

（一）围绕论证要素引导学生充分参与

如果以一堂课为一个教学单元，那么一次完整的论证教学只是教学单元的一部分。其间优化模型设计有时间不等的3～4次小组讨论，因此教学实施要紧凑而高效。在充分讨论形成一致意见后，由小组代表统一发声，其他组员在全班层面不应零星发言，避免无序、低效、耗时的现象。同时，让学生充分讨论，可以减少此后更换观点的频次。

学生需围绕论证要素提交反馈意见。针对不同观点的小组直接指出证据是否充分、合理，推理逻辑正确与否，是否考虑了观点的限定条件等，而不是为证明自身观点的正确继续去寻找证据。否则小组间各执一词，自说自话，偏离论证主题，会影响到论证活动的深入开展。比如下面五个反馈意见，前两个能围绕主题、针对证据，后三个则偏离主题、自说自话，对此，教师需要心中有数，并能正向引导学生。

反馈意见1：在光滑水平面上橡皮筋水平拉小车模型，弹性势能+动能不变。但该问题中重力势能在变化，两个模型可以转化吗？

反馈意见2：忽略高度下降的事实，所以两个模型不能相互转换。

反馈意见3：小车为何会发热？

反馈意见4：弹簧做的功+重力做的功=摩擦力做的功+动能增加量。

反馈意见5：重力和弹力以外的力做功反映机械能的变化，题目中还有阻力做功，所以机械能不守恒。

（二）论证中预设或引发“反驳”行为

有研究表明，论证中应用到反驳且次数越多论证水平越高［4］。因此，教师要充分重视反驳行为的实施。反驳时的相异观点可以由学生在反思后给出，也可以由教师基于学生的认知起点和偏差性经验提出。如在“概念和规律的建立”教学案例中，持观点3的小组给出“牛顿管实验中，无空气阻力影响，轻重物体下落一样快，那么，在空气阻力大小相同时，同样也可以得出轻重物体下落一样快的结论”，而在“论辩问题的解决”教学案例中，教师提出“系统未含地球，系统机械能守恒吗”。以这样的方式提出的观点容易引发学生共鸣，使学生在更深度的困惑中能自觉地进行更深入的思考。

（三）提供论证支架推进论证过程

论证活动各环节，都可能出现论证活动无法正常持续的情况：或因论辩问题争议性弱，影响参与热情；或因知识能力不足，导致学生无法参与；或因论证效果未达预期，不能揭示问题本质等。除慎选难度适宜的题材外，面对学生知识能力的欠缺，教师需要提供论证支架，如以问题链的形式引导学生思维渐进发展，通过演示实验、视频、现象描述等方式，使学生的论证活动有序高质地深入进行。