科學論證及其能力培養

吳昱 曹寶龍

摘?要：科學論證由科學主張、科學證據和科學推理三個要素構成.科學論證可促進學生深度學習，促進學生對概念、規律的深度理解，促進學生思維能力的發展.科學論證可使科學學習更具有探究性，促進學生對科學本質的理解.科學論證素養的層級可以指導教師教學.高中物理教材中有較多的體現科學論證的學習內容，教學中按照科學論證的要素分析是比較好的教學設計思路.

關鍵詞：科學論證;物理核心素養;科學推理;科學證據;科學主張

文章編號：1008-4134（2020）11-0010中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A

1?關于科學論證

1.1?科學論證的概念

論證是以證據為基礎提出自己的主張，并通過推理過程使主張和證據之間建立合乎邏輯關系的方法.因此，論證必須具備三個基本的要素：①主張或觀點，是個體（或團體）對事物的基本判斷的價值認同;②證據，是支持主張的事實依據，一般以觀察與實驗為基礎的現象或數據;③推理，用可靠的邏輯方法在證據與主張之間建立人們普遍認同的關聯性.

科學論證是科學研究的實踐活動，是基于科學事實對未知的科學領域提出主張或觀點，并用證據為主張進行支持性解釋的過程.當然，科學領域也存在反對某種觀點或主張的科學論證，例如伽利略用自由落體的思想實驗反駁了亞里士多德“物體越重下落越快”的觀點.

科學論證從證據出發，通過推理過程到達支持主張的過程可以描述成如圖1所示的方式.

因此，科學論證不同于一般意義的爭論或爭辯，它具有科學活動的本質特征.科學主張并不是一般的具有或然性的假設，更不是隨意猜測，而是具有可靠基礎的對事實的價值判斷;證據是支持主張的材料，可以保證科學論證活動的可靠性和可信度;推理是用可靠的邏輯關系在證據與主張之間建立聯系的嚴密的、可信的和具有說服力的推導、解釋過程，這種推理過程可保證科學論證的嚴謹性.

1.2?科學論證的教育價值

1.2.1?科學論證促進概念的形成和發展

我們知道概念是通過大量客觀事實的共同的本質特性的概括而形成的認識，是人們對這類事物的本質認識.如果概念只停留于一般性事實的概括，它在我們頭腦中形成的不可能是深刻的概念.因此，用事實依據讓學生進行科學論證所形成的概念可讓他們真正形成正確的科學觀念.例如，牛頓提出光是一種微粒，你相信嗎？你有什么依據來證實？我們可以通過光的反射現象作為論證的證據.光的反射現象遵從的規律與小球與平面擋板進行彈性碰撞的規律完全相似，因此我們有理由相信光是由一種“彈性球”一樣的東西構成的.但是惠更斯認為光不是“彈性球”，因為光會發生折射、衍射、干涉和偏振等現象，這些現象不能用彈性球模型來解釋.那光是什么呢？惠更斯提出光是一種波的主張，其證據就是光所發生的這些現象，然后他用波動理論的模型與數學表征兩種方法對主張與證據之間邏輯關系進行嚴密的推理，從而使他的“波動說”觀點得以成立.光電效應、康普頓效應的發現反過來又對“波動說”形成了證據的反駁效應.于是，人們認為光好像既不是經典意義的波，也不是經典意義的粒子.因此，提出波粒二象性這個主張是具有革命性的，他是對我們物理世界的原有概念體系的顛覆和重建.因此，科學論證的實踐活動，往往是隨著科學新證據的出現，不斷更新科學主張，使科學觀念不斷向前邁進的過程.物理教育過程中如果我們順著科學觀念的歷史發展與變化，呈現科學論證的螺旋式提升特征，有助于學生學科概念的形成與深化.

1.2.2?科學論證促進學生科學思維的發展

科學論證是科學探究的核心活動，它以證據為基礎提出科學主張，并要求在證據與主張之間建立可靠的推理.所以科學論證能夠培養學生的證據意識，讓學生注重發現證據，建立尋找證據的方案，并學會用證據來解釋;培養學生嚴謹的科學態度，讓他們用證據說話，基于證據提出自己的觀點和看法，而不是隨意發表自己的意見;培養學生基于原理和規律進行嚴謹推理的能力，讓他們學會形而上的科學邏輯;讓學生具備質疑精神、尊重事實的思維和行為習慣，學會“用事實說話”的態度.例如，在原子核的發現過程中，我們往往會認為湯姆生模型是沒有價值的，因為它提出的模型是“錯誤”的，因為它不能解釋α粒子散射實驗的結果.于是我們可能會在教學過程中把結論直接告知學生，而沒有進行科學思維的過程，這顯然是很不恰當的.其實我們要從當時的科學背景出發來論證湯姆生模型的合理性.按照當時的證據（原子內有帶負電荷的電子，并且有正電荷存在）提出“棗糕模型”可以建立完整的科學論證關系[1].因此，我們不能把一些教學內容的結果灌輸給學生，而應該發揮它們促進學生科學論證能力發展、科學思維能力發展的教育價值.

1.2.3?科學論證促進學生對科學本質的深度理解

科學本質包括了科學知識、 科學過程與方法、 科學家共同體、 科學研究的成果和科學應用與社會實踐幾個方面[2].我們可用科學家的科學論證活動歷史讓學生感受科學活動的過程性體驗，強化對科學本質的領悟.1818年，法國科學家泊松用菲涅耳主張的波動理論計算出光在圓盤后陰影內會出現一個亮斑.泊松認為這是荒謬可笑的，他認為這個計算結果可反駁光的波動說.但阿拉果居然在實驗中觀察到了這個亮斑，泊松的計算反而支持了光的波動說.這個事件說明，科學論證可以證實也可以證偽，說明科學是建立在經驗事實基礎上的，科學理論的支持點在于科學事實.只有讓學生去體驗與領悟這些科學探究的過程，才能讓學生真正理解科學本質.

1.2.4?科學論證促進對概念或規律的深度理解

深度學習才能對概念與規律達到深度理解.那么什么樣的學習才是深度學習呢？深度學習應該是學習者能夠對學習內容進行有效的思維加工.這就要求我們盡可能地使學生進行深度探究，在深度探究中使他們對科學活動達到深度理解.科學論證材料的深度學習應該體現在學習者能夠厘清科學論證的主張、證據，并且能夠清晰推理和認識主張與證據之間的關系.例如，盧瑟福是如何建構核式結構模型的呢？就是一個簡單的行星模型的類比嗎？顯然，這是不可能的.其實我們可以根據當時研究的背景與盧瑟福提出核式結構模型之間的科學論證過程進行要素疏理，以幫助學生深度理解.表1疏理了盧瑟福模型構建的科學論證的基本要素[3].

教學過程中如果我們按照科學論證的要素來設計啟發學生思維的問題，就可以幫助學生更有深度地理解構建核式結構模型的合理性和自然性.

1.2.5?科學論證活動增強學習的探究性

科學論證與科學探究不是完全等同的關系.科學論證是科學探究中的一種核心實踐方式，是科學探究的重要構成[4].科學論證所涉及的證據、主張和它們之間的推理關系這三個要素，可以有效地帶動科學思維與科學探究的一些素養，例如科學思維的二級素養模型建構和科學推理，科學探究的問題、證據、解釋與交流等要素[5].因此，科學論證的教學是科學探究素養培育的重要內容.科學論證的三個要素帶動科學探究素養發展的關系見表2.

所以，設計科學論證內容的教學時要注重科學論證的要素分解，并以此帶動科學探究活動的展開，以培養學生的科學思維與探究能力.

2?科學論證的水平等級

2.1?科學論證的課程標準要求

科學論證在我們國家的課程標準中首次提出，也首次對科學論證的素養水平進行簡單的五級區分.標準中規定的五級水平如下[5]：

水平1?能區別觀點和證據

水平2?能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點

水平3?能恰當使用證據表達自己的觀點

水平4?能恰當使用證據證明物理結論

水平5?能考慮證據的可靠性，合理使用證據

課程標準中的五級水平劃分是對科學論證三個要素而言的，原則上可區分科學論證能力的等級，但是實際教學中教師可能需要更具有操作性的水平等級.因此，有必要對五個等級水平進行具體說明，以幫助教師理解和實施.

2.2?科學論證水平的操作性定義

為了使教師在實際的教學實踐中對科學論證的等級水平具有更直觀的認識，我們可以把課標中的科學論證的等級水平作一個更具體的解釋，使教師更容易掌握和運用.科學論證水平的操作性解釋見表3.

當然，這樣的等級劃分是不夠的，如果要進行科學論證能力的評價，還需要開發大量的操作性案例來支持.但是，上述劃分和操作說明可作為教師進行科學論證活動教學設計的水平依據.

3?高中物理體現科學論證的典型學習內容

開展科學論證活動的教學設計，首先要消化和理解課標或教材中對應的學習內容.高中物理教材中，體現科學論證思想的案例比較豐富.表4以人教版高中物理教材為依據進行簡要疏理，按科學論證三要素分析這些學習內容，供讀者參考.

當然，表4所列出的僅僅是課本上介紹的具有科學論證性質的典型學習內容，其實科學論證在平時的問題討論和問題解決教學中應該是一種常用的方法，這也是物理教學體現科學本質的重要表現.

參考文獻：

[1]馬朝華.對物理教學中科學論證的認識和實踐[J].物理教學，2018（11）：9-11.

[2]曹寶龍.科學本質及其教學建議[J]. 物理教學探討，2017（09）：1-4.

[3]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中教科書（物理，選擇性必修3）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]鄧陽.科學論證及其能力評價研究[D].武漢：華中師范大學，2015.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2020-03-04）