基于TAP模型的科学论证新课教学实践

林云强　姚华鑫　闫俊卿　杨师杰

摘   要：科学论证是科学工作中非常重要的环节，需要勇于提出观点，然后严谨求证，如此循环往复，推动着科学的发展和进步。对新课程标准中的物理核心素养科学思维方面及其科学论证要素进行解读，说明为什么要提升学生的科学论证能力，并结合图尔敏TAP论证模型理论，以新课教学为例阐述如何提升科学论证能力，促使学生科学思维的发展。最终倡导教师教学过程中应注重培养学生解决问题时的证据意识和科学论证能力，落实核心素养背景下的学科育人目标。

关键词：科学论证；课程标准；证据意识；TAP论证模型；新课教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）5-0015-6

在本轮新课改中，物理学科着眼于培养学生的必备品格和关键能力，在“三维目标”的基础上凝练出了以“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个维度为内核的学科核心素养。新课程标准也表明发展学生的科学思维能力是物理课程教育教学的重要目标之一。本文重点讨论为什么要提升科学论证能力，怎样评估和发展科学论证能力，并以新课教学为例阐述怎么做才能培养学生的科学论证能力。

1    科学思维与科学论证阐释

1.1    什么是科学思维

依据《普通高中物理课程标准（2017年版）》相关内容，重点解读科学思维。首先，科学思维是一种认识事物的方式，其目标是认识客观事物的本质属性、内在规律及其相互关系［1］；其次，科学思维包含多种认知方法。为实现课程标准中关于科学思维的认识目标，要对所获得的直接证据综合运用抽象概括、模型建构、分析归纳、推理论证等多种物理思想方法进行加工处理。最后，科学思维还应该包含突出严谨求实、质疑批判和迁移创新等特质的必备品格。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，以上是科学思维核心素养的四个基本内核。

1.2    什么是科学论证及其对应的课程目标

科学论证是自然科学领域的科学家从事科学研究工作的重要论证实践形式之一。科学论证作为科学思维的关键组成部分，是指基于物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式［2］。科学论证中的“论”和“证”可以分别理解为论点、观点和证据，而科学论证就是依据事实（证据）进行初步分析、推理，提出自己的观点，并不断质疑、批判、修正，最终得出结论的过程。在科学探究中，不仅要关注证据获取的过程，更要强调论证推理的作用。论证方法包括实验论证、演绎论证和归纳论证等，是科学发展过程非常重要的组成部分。例如，高中阶段熟知的牛顿大胆猜测天体之间的引力和地面上物体之间的引力满足相同的规律，进行“月地检验”逻辑推理，论证总结得出万有引力定律。爱因斯坦在两个假说的基础上，经过严格的数学推导，得出相对论时空观，后来高速运动的粒子寿命变长现象成了验证相对论时空观科学性的最早证据。1971年铯原子钟实验结果也对相对论理论进行了宏观验证，建立起物理学发展史又一大厦。纵观物理学发展史，这样的例子不胜枚举，所以培养学生的科学论证能力是提升学生科学思维能力的重要途径之一。有研究指出：“基于科学论证的物理教学研究与实践是提高学生论证能力的必经之路。”［3］结合科学工作的特点，新课标对于科学论证要素明确指出，通过高中物理课程的学习，提升学生对科学证据的使用意识和评估能力，并且能灵活运用科学证据对研究的问题进行建模描述、分析阐释和推理预测。

2    科学论证的评估标准与教学实施

2.1    科学论证评价内容及水平划分

对《普通高中物理课程标准（2017年版）》［1］中关于科学论证的学业质量水平的描述梳理，如表1所示。

2.2    经典论证教学模型TAP的介绍与要素阐释

目前，在论证教学模式方面，图尔敏提出的TAP模型影响最为深远，如图1所示。TAP模型包含六要素，其中资料、主张、根据是主要要素［4］。资料是指提供论证的数据、现象和理论依据；根据是连接资料与主张之间的桥梁，通常是基于基本定理、数据等资料提出初步的观点或论断，即推理过程；主张是基于物理问题的描述作出判断，形成观点；限定是主张观点成立的限制条件；支援是指对推理过程的支援式陈述，也就是要考虑合理性，进行适当补充；反驳是指利用物理知识对反面观点进行质疑与批判。资料环节相当于2.1中的水平等级1，能够在区分观点与证据的基础上给出自己对某一问题的证据；有根据参与的主张环节相当于水平等级3，能够恰当使用证据来表达自己的观点；有支援和根据参与的主张环节相当于水平等级4，能够恰当使用证据来证明自己的观点；如果限定和反驳也加入上述环节则属于水平等级5，能够考虑证据的可靠性与科学性，并合理使用证据。

3    基于TAP模型的多角度证据培养学生科学论证能力的新课实践

3.1    本节课传统教学片段呈现和分析

下面我们以匀变速直线运动为例，在TAP模型的指导下进行科学论证的课堂实践。本节选自人教版（2019）普通高中教科书物理必修第一册第二章《匀变速直线运动的研究》的第3节。本节是本章的教学难点，同时本节课的难点是引导学生推导匀变速直线运动位移与时间的关系式的过程。对比了新旧版本教材，发现新教材对用微元求和思想推导公式部分做了调整，并没有像旧版教材一样在正文中出现，而是放在了节后的“拓展学习”部分。教科书这种留白的处理方式，可以理解为教师根据学生的认知层次，灵活掌握该推导方法的处理方式，对教师教学的实施是一种选择与挑战。对于公式的推导方法，传统教学大致有两种处理方式：

第一种方式是在保证大部分学生能够理解的难度下，采用了v-t图像中速度直线与时间轴所围成三角形或梯形的面积求位移的迁移类比思想，教学片段流程如图2所示。

总结：该种方法从物体做匀速直线运动v-t图像面积表示位移，再到物体连续经历速率不同的匀速直线运动，v-t图像面积也可以表示位移，从而类比推理得到匀变速直线运动v-t图像面积也可以表示位移，进而得出位移-时间关系式。该教学流程的优点在于对于大部分学生难度适中，又留有空间让有兴趣、有能力的学生课后钻研微元求和思想的推导方法。但是，不利于位移概念的架构和深化，即使搭建了思维台阶——从特殊情况到一般情况的归纳论证推理过程，逻辑上虽然合乎情理，但是过程性丰富度和思想深刻性不够，不利于学生推理论证思维能力的培养。

第二种方式像旧版教材一样，新课教学直接采用微元求和思想推导公式，并贯穿以TAP模型论证教学的过程，公式的得出教学片段流程如图3所示。

第二种论证流程是根据TAP模型归纳出来的主干部分，作为教师教学实施的常规模式。我们运用TAP模型对上述教学片段流程进行详细分解与阐释，让学生进一步体会微元极限思想处理物理问题的思维进阶过程，如表2所示。

总结：此教学方式变推导公式为理论探究公式，过程为“熟知模型，给出启示（资料）”—“提出猜想，给出观点”—“寻找证据，给出证明（根据、反驳）”—“观点成立，得出结论（主张）”。此教学方式渗透了极限思想和微元求和思想（积分思想），同时又深化了位移的概念：位移是速度对时间的积累。教师以基本知识点为载体，注重培养学生科学工作中的科学论证意识，以课题论证教学方式呈现，使学生经历了一个相对完整的科学论证过程，经过演绎推理、逻辑论证使问题得以解决，达到了发展学生科学思维、提升学科素养的目标。很明显此教学方式比第一种方式的教学生成科学论证能力效果要好。

但是，此教学过程也有不足，极限思想在必修1第一章瞬时速度的知识建构进行了理论渗透，接着在新课教学实验操作“用打点计时器测量瞬时速度”进行了实验深化，在第一章的习题巩固中又相继用光电门、频闪照片代替打点计时器进一步迁移深化此思想方法。考虑到高一新生学情特点，并不擅长抽象的逻辑推理，虽然借助了v-t图像形象呈现，但是这种做法较抽象和概括，对于一部分学生来说难度还是比较大的。对他们来说，纯逻辑推理的思维产物，科学性可能还存在疑问。下面我们通过多种形式的实验论证，为上述的论证过程补充事实根据，增进学生对极限推理的科学性认识。

3.2    多方证据证明教学片段呈现和分析

本着发展学生科学思维核心素养的目标，不急于得出物理结论，教学时更需要注重推理过程的呈现和学生在该过程中科学推理论证能力的提升，注重课堂的自然生成和学生的自主学习活动的开展。考虑到上文中反驳部分的误差控制，我们设计验证实验来检验极限推理观点的科学性，下面通过三种教学实验呈现。对于该问题的科学解决过程是不变的，但是在寻找证据的教学环节可以引导学生给出多种方案（图4）。

实验一，重物牵引下小车打下纸带，学生可以从纸带上选择从点1至点6过程，计算出图像中该过程所围成的面积，和点1至点6的刻度尺所测位移进行比较，误差允许范围内二者相等，即打点计时器稳定工作下，观点得以证明（图5）。

实验二，为进一步提升论证的科学性和严谨性，我们需要运用更为先进的光电门技术以实现瞬时物理量的精准测量。如图6所示，运用光电门测重物牵引下小车经过光电门1和光电门2的瞬时速度，学生选择小车从光电门1运动到光电门2的过程研究，将经过光电门1、光电门2的速度和整个过程的时间标在图像中，计算“面积”和刻度尺测量光电门1和光电门2间的位移进行比较，误差允许范围内，观点得以证明。

总结：核心素养引领下结合图尔敏TAP论证模型进行的教学优化，教学呈现为“熟知模型，给出事实依据”—“提出猜想，给出观点”—“寻找证据、理论和实验的多方证明”—“观点成立，得出结论”—“实践关联，迁移拓展”的基本过程。教师有意培养学生科学工作中的科学论证意识，使学生意识到理论证明和实验证明是解决物理学问题常用的方法［6］。有的问题可能需要多种方法并用，比如伽利略的理想斜面实验就是“实验事实+合理推理”，使学生在今后的学习中根据自己需要解决的问题来合理寻找和使用证据，达到更高的论证能力水平层级。

本优化教学流程是以科学思想和方法（极限思想和微元求和的方法）为抓手，注重科学思想和方法的渗透，注重推导过程的严谨性和科学论证意识，引导学生大胆猜测，多方论证。首先用抽象的逻辑推理进行证明，再分组讨论设计实验方案进行实验论证，实验不仅论证了“面积等于位移”观点，也论证了微元求和方法的科学性，更易于迁移拓展推广到一般的、更复杂的直线运动位移的求解，概括性更强。优化后的教学方式多样，能兼顾到大多数学生的学情程度，让学生直观感受物理求证的科学性，促进其知识架构和论证思维螺旋式上升发展，最终实现发展物理观念的同时锻炼科学思维，真正提升学生运用物理知识和规律进行科学探究的能力，培养学生讲求证据、求真务实的科学态度与责任，达成学生核心素养的全面提升。

实验三作为课下兴趣拓展，本文不再赘述。对于本单元的“自由落体运动”一节课，我们仍然采用图尔敏TAP论证模型进行新课教学的重构（图7）。“自由落体运动”是匀变速直线运动的典型实例，新课标既明确要求学生掌握自由落体运动规律，又要求掌握“实验验证与逻辑推理相结合”的科学思想方法，注重在课程教学中发展学生科学推理论证能力，进而达到发展学生学科科学思维的目标。

部分教师对本单元的绝大部分处理是：在新课教学时急于抛出计算公式，紧接着在课堂上花大量时间应用公式进行做题训练，这其实是本末倒置的。我们教师教学实施当中更应该将课堂重点放在架构知识的过程和科学思想方法上，进而设计出多样的学生课堂活动，使学生潜移默化地达到知识的深化和思维的进阶发展，发展学生的科学思维能力，助力落实核心素养。

4    结  语

基于新教材、新课程标准的指导作用以及物理学科的特点，教师教学应以学生为中心，让其经历培养物理科学思维能力的过程，最终落实到物理教学任务，提倡在教学中经常从学生的角度出发不断反思和优化教学。在物理教学中，在引导学生建立模型之后，用自己掌握的知识和方法解决未知问题时，需要引导和鼓励学生依据事实和所学大胆给出观点，并用多种方法寻找证据支撑，培养用已知解决未知的论证与创新能力，以提升学生的科学思维能力。

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）［S］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］马亚鹏.科学论证在我国课程政策中的历史演进——以高中物理课程标准（教学大纲）为例［J］.物理教师，2019，40（3）：7-10.

［3］邓阳.科学论证及其能力评价研究［D］.武汉：华中师范大学，2015：51-54.

［4］徐嘉君，丁聪，朱巧萍.科学论证视角下的物理高考试题分析——以2022年全国乙卷第24题为例［J］.物理教学探讨，2022，40（10）：36-39.

［5］朱可，桑芝芳.提升学生证据意识的物理教学策略探讨［J］.物理之友，2019，35（11）：6-7，13.

［6］张兴龙，张羽燕，翟磊.基于证据意识的物理核心素养培育［J］.教学与管理，2021（19）：56-58.

［7］姚华鑫，闫俊卿.2023年湖南省高考物理压轴题评析、溯源与拓展［J］.理科考试研究，2023，30（21）：32-36.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2024-01-04

作者简介：林云强（1990-），男，中学一级教师，主要从事中学物理教学与高考试题研究。

*通信作者：杨师杰（1966-），男，教授，博士生导师，主要从事凝聚态物理与物理教材编写研究。