構建實施科學論證教學模式 培養學生科學論證核心素養

黃國龍

(寧波市鎮海中學 浙江 寧波 315200)

1 科學論證教學模式的構建

科學論證是科學共同體圍繞同一論題，收集證據并運用一定的論證方法解釋、評價自己及他人的觀點，促進思維的交鋒，最終達成雙方可接受結論的科學活動[1].不同的學者提出不同的論證模式，其中以圖爾敏最具有代表性，圖爾敏論證模型包含有6個因素(主張、資料、根據、支援、限定、反駁等6個因素).科學論證是新課標物理科學思維核心素養的重要組成部分.筆者認為，應根據科學論證模式的一般性結合物理教學實際和學生的認知水平，構建實施適合物理教學實際的科學論證教學模式來有效培養學生科學論證核心素養.

科學論證教學模式的教學流程如圖1所示.

圖1 科學論證教學模式流程圖

其特點是:以科學探究教學理論和圖爾敏科學論證模型為指導，以培養學生科學論證核心素養為目標，構建出由提出物理觀點、尋求論證證據、實施推理論證、證實(證偽)正面(反面)物理觀點、拓展推廣、修改物理觀點等5個環節組成的教學程序.該教學模式中，既滲透了一般性科學論證模型中的相關要素，又符合學生認知水平,具有物理教學特征，不僅可操作性強，而且有較廣的應用領域，能有效地培養學生科學論證核心素養.

2 有效實施科學論證教學模式策略分析

(1)創設基于物理觀點的教學情境，提出物理觀點

提出物理觀點是科學論證的起點.科學論證教學中物理觀點表現為對某一物理問題作出的科學判斷、科學猜想、科學解釋、科學預測等.物理科學論證教學中學生的物理觀點是在具體教學情境中提出的，基于物理觀點的教學情境是由一些知識性、實踐性、哲理性知識、策略和方法組成的，可以從實踐(實驗、自然、生活、生產等)和理論(知識、方法、哲學等)兩個角度創設教學情境，是啟發引導學生提出物理觀點的有效策略.

(2)尋求論證物理觀點的理論依據和實踐證據

科學證據是論證和反駁某一物理觀點的重要環節.科學證據既可以是實踐性(實驗、自然現象等)的，也可以是理論性的(已知的一般性物理原理、模型、知識和方法).尋求實踐性的證據時，要求引導學生根據提出物理觀點設計物理實驗來獲取實驗數據和相關信息，尋求理論性證據時，要求引導學生檢索上位性的物理理論和方法(例如，能量守恒理論、某一正確的理論、某一正確的方法等).

(3)實施推理過程，證實(證偽)物理觀點

證實(證偽)物理觀點就是在收集一定證據的基礎上，運用相應的論證方法進行推理來分析證實原有正面物理觀點，證偽原有反面物理觀點.它是科學論證中最核心、最關鍵的環節.對于通過實驗方法獲取的證據(往往以實驗數據方式呈現)，運用實驗數據分析方法(例如，比值歸納法、圖像方法、線性化方法、外推方法、圖像相交方法等)進行推理來證實正面觀點，證偽反面觀點；對于一些理論性證據，需要通過構建物理模型，運用原有一般性物理理論和方法進行推理來證實原有正面觀點，證偽反面觀點.

(4)修正原有物理觀點，提出新的物理觀點

考慮到學生提出物理觀點需要有一個從錯誤到正確，從片面到全面的探究過程.若推理論證證偽學生提出物理觀點，則需要引導學生修正原有物理觀點，提出新的物理觀點，進行新的科學論證過程.

(5)拓展推廣新的情境，實施新的推理論證

為了減小推理論證難度，促進學生思維連續展開，推理論證的實驗證據和理論證據及物理情境起點可以比較特殊和簡單.若推理論證證實原有物理觀點，則需要對證據和物理情境進行拓展，從特殊到一般，從簡單到復雜，尋求更加一般的復雜證據，進行新的推理論證，在科學論證原有正面物理觀點、證偽原有反面物理觀點的同時，有效培養學生科學論證核心素養.

3 實施科學論證教學模式培養學生科學論證核心素養途徑探索

3.1 在新課教學中實施科學論證教學模式 培養學生科學論證核心素養

教學案例1:機械能守恒定律的科學論證教學

(1)創設動能和勢能相互轉化情境，提出機械能轉化和守恒觀點.

情景1:不計阻力小球從某高度下落，重力勢能轉化為動能；小球上升過程中，動能轉化為重力勢能.

情景2:如圖2所示，小球在光滑斜面上下滑過程中，重力勢能變小，動能變大；小球上升過程中，重力勢能變大，動能變小.

圖2 小球在光滑斜面上運動

提出探究問題:情景1和情景2中小球動能與重力勢能在轉化過程中機械能是否守恒？

機械能守恒觀點1:學生提出小球動能和重力勢能轉化過程中機械能守恒觀點.

(2)建立理想模型，尋求科學論證機械能守恒觀點的證據

實踐證據1:為了促使學生自主論證，從簡單到復雜，首先選擇自由落體運動模型、光滑斜面模型作為論證實踐證據.

理論證據1:引導學生尋求論證的理論證據(動能定理、機械能、牛頓第二定律、勻變速運動知識).

(3)推理論證機械能守恒觀點

推理論證1:根據動能定理得物體下落h過程中動能增量為

W合=ΔEk=mgh

重力勢能增量為

ΔEp=-mgh

ΔE機=ΔEk+ΔEp=0

物體機械能守恒.

推理論證2:根據動能定理得物體向下運動s過程中動能增量為

W合=ΔEk=mgssinθ

重力勢能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機=ΔEk+ΔEp=0

物體機械能守恒.

(4)拓展推廣，尋求反面證偽證據

實踐證據2:為了揭示機械能守恒的條件，教學中拓展論證領域，探究小球在阻力為f的斜面上由靜止向下運動的情境，作為反面證偽實踐證據.

理論證據2:動能定理，力的合成，牛頓第二定律，勻變速運動知識.

(5)理論論證，證偽原有守恒觀點

推理論證3:學生運用動能定理等知識進行推理：物體向下運動s過程中動能增量為

W合=ΔEk=(mgsinθ-f)s

重力勢能增量為

ΔEp=-mgssinθ

ΔE機=ΔEk+ΔEp=-fs

物體下滑過程中機械能減小，不守恒，從而證偽原有觀點.

(6)修正原有守恒觀點，提出新的守恒觀點

機械能守恒觀點2:教師引導學生分析比較3種理論論證因果關系，對原有守恒觀點進行修正，提出新的守恒觀點：物體若受重力做功，機械能守恒.揭示了物體機械能守恒的條件.

(7)拓展推廣，尋求更加一般論證證據

為了得出更加一般情形機械能守恒觀點，教師拓展探究情境，尋求更一般機械能守恒的證據.

實踐證據3:如圖3所示，質量為m的小球懸掛于勁度系數為k的輕質彈簧下端，空氣阻力不計.在彈力和重力作用下振動.

圖3 教學案例1實踐證據3圖

實踐證據4:如圖4所示，質量為m的小球用輕質細線懸掛于O點，不計空氣阻力.小球從距離最低點Q高度h的P點由靜止運動.用刻度尺測量h，用光電門測量小球在Q點速率v.實驗數據如表1所示.

圖4 教學案例1實踐證據4圖

表1 實踐證據4實驗數據

理論證據3:動能定理，重力(彈力)做功與重力勢能(彈性勢能)變化關系.

(8)運用功能關系和實驗方法，科學論證一般情形機械能守恒觀點

推理論證4:引導學生根據功能關系論證機械能守恒觀點.根據動能定理，小球在某一過程中動能增量為

W合=WG+W彈=ΔEk

結合WG=-ΔEG，W彈=-ΔE彈,得

-ΔEG-ΔE彈=ΔEk，即

ΔE機=ΔEG+ΔE彈+ΔEk=0

即小球與彈簧組成系統機械能守恒.

一般情形機械能守恒觀點:系統內部只有重力或彈力做功，則系統的動能與勢能可以互相轉化，總的機械能保持不變.

圖5 教學案例1實驗論證圖

在上述科學論證機械能守恒觀點過程中，從單個重力證據情境拓展到多個恒力情境，從重力做功情境拓展到非重力做功情境，揭示了機械能守恒條件，修改機械能守恒觀點；從直線運動情境拓展到曲線運動情境，從重力做功情境拓展到彈力和重力做功系統情境，運用一般功能關系和動能定理進行理論論證，又運用實驗證據和圖像線性化方法進行論證，引導學生把握多樣化科學論證方法，提高了科學論證的嚴謹性，有效地培養學生科學論證核心素養.

3.2 在習題教學中實施科學論證教學模式 培養學生科學論證核心素養

教學案例2：潛艇功率問題探究解答方法科學論證教學

(1)創設理論性問題情境，展示學生探究解答(觀點)

問題情境:如圖6所示，潛艇直線通道推進器是由絕緣材料制成的，通道內充滿電阻率為ρ1=0.2 Ω·m的海水，在通道中a×b×c=0.3 m×0.4 m×0.3 m的空間內，存在磁感應強度B=6.4 T勻強磁場，方向如圖所示.磁場區域上、下金屬板N,M與電源相連后，產生恒定電流I=1.0×103A.海水密度ρ2=1.0×103kg/m3.當潛艇以恒定速度v0=30 m/s前進時，海水在出口處相對于推進器的速度v=34 m/s.

圖6 潛艇直線通道推進器示意圖

探究問題:試求推進海水和潛艇運動時管道所消耗的總電功率.

探究解答:在地面參考系中，安培力推動潛艇消耗功率為

P電1=BIcv0

安培力加速水消耗電功率滿足

vd=4 m/s

電阻上消耗熱功率為

解得消耗總電功率為

P電=P電1+P電2+Pr=5.614 4×105W

(2)運用動能定理和運動相對性，尋求理論論證證據

根據相對性原理，在不同參考系中，消耗的電功率應是相同的.學生嘗試在潛艇參考系中運用動能定理求解消耗總電功率，比較一下與地面參考系中消耗總電功率是否相同.

(3)運用對稱思維反駁原有探究解答(觀點)

部分學生運用相對性原理(對稱思維)反駁原有解答.在潛艇參考系中，電阻上消耗熱功率還是Pr=I2R.水以v0=30 m/s速度通過進水口，以vr=34 m/s速度從出水口流出，安培力對水做功消耗電功率P′電2滿足

m=ρbcvrΔt

v0=30 m/svr=34 m/s

消耗總電功率為

P′電=P′電2+Pr=1.022 24×106W

根據相對性原理，消耗總電功率在不同參考系中應相同，但上述兩種解法得出不同結果，這個矛盾意味著上述解答存在問題，需要修正.

(4)從做功角度構建新的模型，修正原有探究解答(觀點)

分析錯因:由于安培力和管道左右水對流入管道的水共同做功使這部分水動能增加.錯解原因是認為安培力做功所消耗的電能等于流進管道部分水的動能增量.

新的探究解答:根據連續性原理，水在長方體管道內應做勻速運動，安培力做功消耗電功率即為安培力對長方體管道內水所做功功率和反作用力對潛艇做功功率之和，滿足

P電1=BIcv0+BIcvd

結合

v0=30 m/s,vd=4 m/s

解得消耗總電功率

P電=P安+Pr=5.652 8×105W

(5)構建新的模型和運用新的方法，尋求新的論證證據

學生根據不同參考系中消耗的總電功率相同的依據，在潛艇參考系中構建水流勻速運動模型，從做功角度求解消耗的總電功率.

(6)綜合運用物理知識和方法科學論證新的解答(觀點)

在潛艇參考系中，水在長方體管道內做速度為vr=34 m/s的勻速運動，安培力對流進管道內水所做功消耗的電功率為P′安=BIcvr，解得

P′安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P′電=P′安+Pr=5.652 8×105W

結果與地面參照系解答結果相同，符合相對性原理，從而論證新的解答是正確的.

學生在上述潛艇功率問題解法科學論證過程中，運用對稱方法反駁原有錯誤解答，通過多角度思維積極尋求新的論證證據，提出新的解答，綜合運用磁場力做功和對稱思維論證新的解答正確性，把握了科學論證相關環節的策略，培養了學生科學論證物理核心素養.

3.3 在課外實驗活動中實施科學論證教學模式 培養學生科學論證核心素養

教學案例3：自感實驗現象原因解析的科學論證教學

(1)創設實驗問題情境，提出解釋性觀點

實驗問題情境:如圖7所示,電源為舊干電池，燈電阻為R1，線圈電阻為R2，干電池電源電動勢為ε，內阻為r.當電鍵S閉合時，發現燈先亮，然后亮度變為暗一些.

圖7 教學案例3實驗問題情境圖

提出探究問題:教師向學生提出探究問題：電鍵S閉合時，為什么燈先亮然后變暗？

提出解釋觀點:學生通過分析討論提出如下3種解釋觀點.

解釋觀點1：S閉合的瞬間在線圈兩端產生較大的自感電動勢(比電源電動勢大)，從而使燈兩端產生較大電壓，燈突然變亮.

解釋觀點2：S閉合時回路中產生電流，隨之電鍵活動片與觸座斷開使線圈中電流變小，產生很大自感電動勢，從而使燈突然變亮.

解釋觀點3：外電阻為R外，燈兩端電壓

S閉合瞬時，線圈上電流為零，電阻無限大

R外=R1

S閉合穩定后

因而當S閉合瞬間，燈兩端電壓較大，燈突然亮一下,然后變暗.

(2)設計實驗方案，尋求科學論證的實驗和理論證據

實踐依據:實驗方案1,圖7中某處導線A先斷開，電鍵S先閉合，突然接通導線A，觀察燈泡的發光情況.實驗結果：發現燈突然亮一下，然后亮度變為暗一些.

實驗方案2：把干電池換成電動勢相同的穩壓電源(或蓄電池)，S閉合時，觀察燈亮度變化情況.實驗結果是：當S閉合時，燈亮度不變.

理論依據:運用自感和電路知識尋求科學論證的理論證據.

(3)分析評價實驗，反駁、論證解析

反駁證偽:實驗1中接通導線A電路立即接通，并沒有像解釋2中所述先接通后斷開，但實驗結果與原有實驗相同，此實驗否定了解釋2.

分析證實:實驗2中，電源換成穩壓電源時，電源內阻變為零，燈泡兩端電壓始終為電源電動勢，閉合電鍵后亮度不變，實驗結果證實了這一解釋.此實驗表明電鍵閉合時線圈中產生自感電動勢并不比電源電動勢大，否定了解釋1，證實了解釋3.

(4)理論推理，完善科學論證

為了提高科學論證嚴謹性，教師運用電路理論和數學知識推得電燈兩端電壓為

(1)

教師要求學生根據式(1)進一步實施推理論證：

由式(1)可得，閉合電鍵時，t=0，推得電燈兩端電壓為

通過上述自感實驗現象解析深度的科學論證過程，不僅加深了學生對自感和電路知識的認識，更重要的是引導學生把握科學論證各個環節的策略，引導學生從實踐和理論多個角度實施科學論證，切實有效地培養學生科學論證物理核心素養.