在初中物理课堂引入科学论证教学探讨

摘" 要：传统的科学探究课堂往往过于看重学生的“做”，而忽略了探究过程中的思考，科学论证弥补了这一缺陷。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对学生的科学论证能力提出了要求，教师可以通过Toulmin论证模式完成教学设计，以学生为主体，增强学生的证据意识，帮助他们认清科学本质。

关键词：初中物理；物理课堂；科学论证

1" 引言

科学论证教学，又称论证式教学，源于Toulmin在1958年提出的论证模型。该模型综合逻辑学、法律、科学等领域的论证过程，是一种基于学科知识构建证据链、通过论证维护主张的教育教学方式。传统的科学探究课堂往往过于看重学生的“做”而忽略了探究过程中的思考过程，科学论证弥补了这种缺陷。以科学论证为主的课堂教学强调将学生的所思所想表达出来，通过外显的方式强化知识学习过程中思维的作用，这有助于学生培养证据意识、认清科学本质。科学论证教学是培养学生科学论证思维的有效方式，同时论证特有的交互过程，也可以帮助学生建立持续性科学学习的积极情感。通过对知识从证据到辩护再到主张的完整学习过程，学生可以在竞争与合作的氛围里感受科学学习的乐趣，体会科学永无“铁律”的特点，在质疑和反驳中不断前进。

我国在《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）中对于论证在教学中的地位做了解释，要求培养学生的科学思维，同时，科学论证的思维同样在列，科学探究中也包含了“证据”“解释”等论证要素。［1］郑永和教授等提出，我国当前科学教育的路径方法为基于科学证据和教学经验进行互动实践。［2］

2" 论证模型

英国哲学家、逻辑学家Stephen Toulmin认为，论证是一种社会性的、追求合作认知的认识论活动。他将科学论证过程界定为主张（claim）、资料（data）、正当理由（warrant）、支援（backing）、修饰（qualifiers）、反驳（rebuttal）六个结构要素，其中主张、资料、正当理由构成了Toulmin论证的基本模式（见图1）［3］，支援、修饰、反驳等为补充要素。Toulmin论证模型是科学论证教学最基本的理论依据，对于大多数教学情况都适用，因此被选择作为本次教学的理论指导。

3" 教学分析

“探究浮力的大小跟哪些因素有关”是人教版初中物理八年级下册第十章第1节“浮力”板块中的内容，隶属于“运动和相互作用”一级主题下的“机械运动和力”二级主题。《课程标准》对该节内容的要求：通过实验认识浮力，探究并了解浮力大小与哪些因素有关。［4］在学习本节内容之前，学生已经具备了一定的力学基础，了解了受力分析以及浮力产生的原因，对浮力大小的影响因素提出自己的主张。

浮力是学生在日常生活中常见且有直接体验的一种力。在没有学习这节内容之前，学生往往具有“质量大的物体浮力小”“体积大的物体浮力大”等类似的错误观念。传统的探究性教学通过猜想、实验的方式对浮力的影响因素进行偏操作型的教学，并没有给学生足够的思考空间和表达机会，这在一定程度上影响了学生的深度学习，导致学生学完浮力知识点之后对于浮力的影响因素仍有不理解、不会用、概念不清晰等问题。学生只有经历交流、表达和被反驳的过程，充分将所疑所惑推理论证，才能更好地理解浮力的影响因素，这正是科学论证教学所提倡的。

4" 教学设计

资料是推理得出主张的主要依据，选择哪些内容作为资料参与教学是进行教学设计的关键。我们可以把物理学习分为理论学习和实验学习两种方式，对应到论证的资料则分为理论资料与实验资料。“探究浮力的影响因素”这一节课就可以归类为基于实验资料的论证课堂。因此本节课将按照Toulmin论证的基本模式，将课堂分为提出主张、收集资料、阐述正当理由三个主要环节，其中收集资料阶段以进行实验为主，以理论知识为辅助，带领学生经历一次从资料到主张的完整推理体验。

4.1" 建立主张

主张是论证的起点，而问题是主张的来源。科学论证教学围绕主张进行论证，因此教师首先提出问题，引导学生分组得出规范的主张。

4.1.1" 创设情境，提出问题

教师播放人漂在“死海”表面、羽毛在水中漂浮、轮船在水中漂浮等视频，创造出浮力的世界，让学生沉浸在浮力的神奇之中，并逐步联系到生活中各种各样物体受到浮力的例子。

视频播放结束后，教师紧接着提出问题：①你们还见过生活中哪些受浮力的物体呢？②通过刚才的视频展示，结合自身经验，想一想影响浮力的因素是什么？

这一环节的设计意图在于展示各种物体在水中的浮沉情况，让学生获得身临其境的体验，为学生后续提出主张提供思路，同时联系生活，引导学生思考本节课的关键问题，对上述问题②建立主张。

4.1.2" 分组讨论，规范论证

论证可以分为个体论证和个体间的论证，前者属于单个个体基于证据进行推理得到主张，后者涉及群体关系。分组讨论可以刺激学生的学习兴趣，集体观念与合作竞争也是教学目标中的隐含素质，因此让学生分组进行讨论是进行科学论证教学的策略之一。

对论证进行规范是必要的阶段，集体秩序维护是顺利教学的环境要求。规范论证要达到两个目的：一是显性科普论证要素，学生要明确知道自己正在进行的科学论证学习的过程，其要经历主张、资料、阐述正当理由的环节；二是要给出论证规范，方便学生模仿榜样，例如“主张”的正确表达为“我们小组的主张是影响浮力的因素有A”。学生需要认真听取论证的流程，集思广益，按照老师的示范提出自己组内对于上述问题②的主张。

4.2" 收集资料

实验是获得资料的主要手段之一，可以为小组的主张提供直接支持，学生需要设计实验获取主张所需资料。如果在做实验时发现一些主张没有办法进行探究，教师可以协助修正主张继续完成实验。

4.2.1" 准备实验

实验所需的器材有弹簧测力计、铝块、铁块、烧杯、水、盐。接下来，教师讲解各个器材的使用规范，并引导学生联系问题，思考小组的主张，并考虑各个器材的使用与实验设计。在完成实验器材准备后，教师引导学生回归重点，重述各组主张，通过重述问题和主张，让学生回归实验目的，自觉在脑中模拟实验过程，“顿悟”实验方法，即控制变量法。然后教师再讲解实验原理，让学生理解何为“二提法”（见图2）。用F表示弹簧测力计的示数，F1＝G物，F2＝G物－F浮，即浮力的大小F浮＝F1－F2。

4.2.2" 整理数据

在实验阶段，教师观察各组实验进度并随时解答疑问，发放实验记录表（见表1），并提醒学生在实验过程中将实验数据整理作为资料支持主张，这是为了让学生体会从资料到主张的过程，强化其证据意识，同时利用实验记录表作为“脚手架”辅助实验顺利进行，其对应主张的操作如表2所示。

4.3" 阐述论证

根据前面实验所得到的数据，每组学生可以对各自的论证进行完整阐述，包含主张、资料以及理由，同时，在别人阐述主张时，其他组的学生要勘察其论证过程、寻找破绽进行反驳，反驳的过程就是锻炼学生科学思维的过程。这里以“影响浮力的因素为质量，质量大的物体浮力小”这一遗留有疑问的主张进行举例。由于这一主张不能按照“二提法”进行实验，因此这里用生活经验代替实验作为理由。

4.3.1" 阐述理由

支持这一主张的小组提供了这样的生活经验：体积相同的铁块与铝块同时自由放入水中，发现铁块下降得更快，说明铁块在水中受到的浮力更小。

理由是铁块到达水底的时间短，根据x＝12at2，相同位移，时间越短a越大，因此a铁＞a铝，进行受力分析，物体在水中受到重力和浮力两种力，根据G－F浮＝ma，加速度越大的物体受到的浮力越小，因此铁块受到的浮力小，说明质量越大的物体受到的浮力越小。

4.3.2" 其他小组反驳

其他小组对这一主张的资料、正当理由、主张进行核查，寻找论证要素中出现的问题并借此提出反驳：第一，实验方法没有达到完全的控制变量，物体的密度没有控制相同；第二，正当理由推理过程有误，在G－F浮＝ma里，G的大小是不同的，而该主张同学把G铁与G铝当成同一数值减去浮力进行计算，因此得到错误结论。

教师对此进行引导，将式子G－F浮＝ma变形为mg－ma＝F浮，按照数学方法将m提出来，式子变为m（g－a）＝F浮，由于a铁＞a铝，所以g－a铁＜g－a铝，而m铁＞m铝，乘积双方一大一小所以无法比较大小。因此，这种方式不能比较铁块与铝块受到的浮力大小。

针对“物体的质量是否影响浮力大小”这一问题，教师可以指出，由于无法将质量、体积和密度完全分割开来控制变量进行实验，因此不能单一说三者中的任何一个会影响浮力的大小。

虽然我们在生活中会见到重的物体沉入水中、轻的物体漂浮在水面的现象，但这实际上是与浮沉条件有关，不能单一讨论物体所受的浮力大小。

4.3.3" 总结评价

教师组织学生按照分组展示论证资料、支持主张的恰当理由，其他小组进行反驳，阐述与反驳后得出最终结论就是我们的主张：浮力大小的影响因素为液体的密度和物体排开水的体积。

总结最终主张后，教师要对代表性小组的论证要素进行评价，指出其优点与不足，并让学生做出反思与自我评价，得出论证评价表（见表3）。通过评价形成正向激励，让学生在学习知识的同时发展科学论证能力，在学习的过程中养成思考的好习惯。

5" 科学论证教学的特点

5.1" 反应科学本质

理解科学本质是培养科学素养的关键内容，提高学生对科学本质的认识是全球科学教育改革的核心主题。［5］《课程标准》中将“认识科学本质”作为科学态度与责任的第一要素。［6］

高中物理教学是初中物理教学的延续，因此在初中阶段对学生的科学本质观进行培养是必要的。科学论证以“论证”为主，赫里克修订的科学本质分析框架将科学本质分为“实证性”“创造性”“理论负载性”等十个维度［7］，其中“实证性”“暂定性”“科学知识建构的社群性”都能够通过科学论证教学得到体现。科学不是一成不变的理论堆积，它是社群之间思维的碰撞，需要不断提出新理论，不断质疑旧理论，从而使得科学知识始终能保持先进性，促进社会进步。

5.2" 适切性

不同于科学探究，科学论证不适合所有科学知识的教学，通过教学设计可以发现，论证的基础是学生的心中具有争议点的问题。

如果学生接触到的是一个陌生知识或不具有争议的知识，论证可能并不适用。在人教版初中物理教材当中，声音的产生与传播、光的反射折射定律、透镜的成像规律、摩擦力的影响因素、电功率等内容均符合上述条件，学生对于这类知识既有一定的经验基础，又可以找到具有争议点的问题，是很好的论证教学素材。

5.3" 实用性

论证是一项实用的社会技能。无论是对于科学知识的坚持追求，还是进入社会后需要学习新的社会技能以成为合格的社会人员，科学论证能力作为一种高阶思维能力，能够使人持续对未知保持好奇心，对权威保持合理的质疑，更愿意相信有理有据的科学研究，有助于学生成为真正的社会主体。尤其是在社会性科学议题（Socio-Scientific Issue，简称SSI）上的内容，关注科学与社会、人文、伦理道德、文化的关系，有助于学生在当前信息发达的时代，识别、理解、处理各种与科学相关的社会问题，学会合理地批判、审慎地思考，从而做出科学正确的决策。［8］

6" 结语

综上所述，通过论证进行教学与传统的探究性教学并不存在绝对的冲突。通过将论证融入传统教学中，可以巧妙地引入证据意识，强化探究之后的论证过程。通过语言交锋和证据串联，培养学生科学论证的高级思维，同时分组的设定可以让学生在学习中的主动性大大提升，不同主张之间的相互反驳可以引发学生的竞争意识，从而激发其内在的求知欲望。教学内容的选择也至关重要，不是所有的知识都适合论证教学。教师需要对知识主题进行筛选，选择有争议点的内容作为教学重点，这样才能从根本上引发学生论证的兴趣，让学生自发参与到论证过程中来，真正进行思考，从而加深对知识的理解。

参考文献

［1］［4］［6］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］. 北京：北京师范大学出版社，2022：4-5，16，5.

［2］郑永和，周丹华，王晶莹.科学教育的本质内涵、核心问题与路径方法［J］.中国远程教育，2023，43（9）：1-9，27．

［3］Toulmin S.The Uses of Argument［M］. Cambridge：Cambridge University Press，1958：89-100．

［5］张雪，张静，姚建欣.物理教科书中科学本质表征变迁研究［J］.全球教育展望，2020，49（7）：106-118．

［7］Abd-El-Khalick F，Myers J Y，Summers R，et al.A Longitudinal Analysis of the Extent and Manner of Representations of Nature of Science in U.S.High School Biology and Physics Textbooks ［J］.Journal of Research in Science Teaching，2016，54（1）：82-120．

［8］邓阳.科学论证及其能力评价研究［D］.武汉：华中师范大学，2015：4．