基于PCRR教學模式培育科學論證能力*
——以高中物理“自由落體運動”教學為例

陳仁旭 王長江 左崇睿

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

1 問題提出

科學論證能力是各國公民必備的核心能力．為了滿足知識經(jīng)濟時代對人才的需求，絕大多數(shù)國家都將科學論證能力視為重要的培養(yǎng)目標納入科學教育標準[1]．美國國家研究委員會于2013年發(fā)布的《新一代科學教育標準》明確將“基于證據(jù)的論證”列為K-12科學教育中的8種實踐之一，將科學論證作為科學實踐要素用于指導課堂教學[2]．我國新修訂的《普通高中物理課程標準(2017年版2020修訂)》(以下簡稱新課標)也將科學論證列為科學思維的核心要素．目前，科學論證已成為我國科學教育研究的熱點話題，然而如何有效開展科學論證教學仍有許多問題需要解決．

物理概念與規(guī)律知識是中學物理教學知識的主體，在中學物理教學中都十分重視．將科學論證融入物理教學實際，關鍵在于如何運用科學論證教學形式優(yōu)化物理概念、規(guī)律知識教學．通過梳理國內(nèi)外相關研究，筆者找到了有助于物理概念、規(guī)律知識形成的PCRR科學論證教學模式．

2 PCRR模式概述

PCRR(Present，Critique，Reflect，Refine)論證教學模式是由Kujawski于2015年提出，旨在通過科學論證活動促進學生科學交流，發(fā)展學生對于核心概念與規(guī)律的理解，并且培養(yǎng)學生批判性思維與科學論證能力．PCRR教學模式作為一種滲透式教學策略，能夠在科學課堂上持續(xù)營造科學論證的氛圍，并且促進學生對科學概念、規(guī)律理解的不斷完善[3，4]．PCRR論證教學模式如圖1所示.

圖1 PCRR科學論證教學模式圖

階段1：呈現(xiàn)

該階段教師可以采用兩種方法：第一種，引導學生基于前概念與經(jīng)驗，對研究的問題提出屬于自己的主張，然后向學生提供相關材料，指導學生根據(jù)材料提出新的主張，最后通過對比確定主張，建構論證．第二種，教師直接提供相關材料，指導學生根據(jù)材料提出主張，建構論證．教學過程中教師要指導學生記錄所建構的主張、證據(jù)和推理過程，組間交換，開展同行評審．

階段2：批判

該階段學生對他人主張、證據(jù)與推理過程提出反饋意見并及時記錄，教師指導學生將反饋意見整理為便簽形式歸還原組，隨后引導學生開展高質量的討論活動，注意及時板書呈現(xiàn)有價值的質疑與批判，并時刻提醒學生基于證據(jù)分析主張與推理過程，實事求是發(fā)表意見．

階段3：反思

該階段要求學生平復情緒，閱讀和反思階段2收到的反饋意見，重新分析主張與推理過程，思考證據(jù)的準確性與充分性．該階段學生可能出現(xiàn)以下3種情況.

(1)學生的探究方法有缺陷，需要重新設計．教師要幫助學生重新設計方案，并對結果進行預測．學生再次探究，根據(jù)探究結果建構新主張與推理過程．

(2)學生誤用資料，導致主張不準確．教師指導學生反思主張并提示正確資料，幫助學生建立正確主張與推理過程．

(3)學生需要增加證據(jù)支撐主張．教師指導學生討論證據(jù)充分性，引導學生挖掘證據(jù)．

階段4：提煉

該階段要求學生在反思的基礎上，運用實證資料證實主張，并將最初主張與提煉后的主張進行比較，回顧得出最終主張的整個討論與推理過程．

通過上述介紹可以看出，使用PCRR模式能夠有效訓練學生對于論證語言的使用，帶領學生體驗同行評審這種規(guī)范的科學論證活動，結合具體的教學內(nèi)容，選擇合適的書面論證手段來記錄學生的論證過程，運用PCRR模式開展概念和規(guī)律教學，從論證語言和書面論證兩個維度，通過呈現(xiàn)、批判、反思、提煉4個階段，能夠幫助學生建構完整的概念形成與規(guī)律發(fā)現(xiàn)的思維加工過程，明確形成和發(fā)現(xiàn)概念、規(guī)律的嚴謹性與科學性，形成對概念與規(guī)律深刻的理性認識，并且提升學生的科學表達、質疑批判、小組合作、科學論證等學科素養(yǎng)．

3 PCRR模式在“自由落體運動”教學中的運用

3.1 “自由落體運動”教學疑難分析

自由落體運動是勻變速運動的一個重要實例，也是能量轉換問題所涉及的常用模型．新課標是從物理實驗和物理學史兩方面對本節(jié)內(nèi)容提出要求，即“通過實驗，認識自由落體運動規(guī)律．結合物理學史的相關內(nèi)容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用”等[5]．

然而實際教學中，教師大多使用“下定義”的方式直接給出“自由落體運動”的概念，忽略了學生概念建構的思維加工過程，教學過程不尊重學生的認知發(fā)展規(guī)律，學生的科學思維，尤其是科學論證能力得不到有效培養(yǎng)．

3.2 PCRR教學模式在“自由落體運動”教學中的應用

筆者嘗試以PCRR模式為理論基礎，補充使用簡化的圖爾敏論證模型來呈現(xiàn)與記錄學生的論證過程[6]，針對“物體下落快慢究竟與什么因素有關”和“自由落體運動究竟是一種怎樣的運動”兩個核心問題引導學生進行論證，具體教學思路如下.

(1)通過事實論證得出自由落體運動條件

教師通過演示實驗(同質量紙張、紙團從同一高度下落)、生活情境(跳傘運動員開傘前后速度改變)引入，提出核心問題“物體下落快慢究竟與什么因素有關?”針對問題引導學生開展小組論證，并填寫論證記錄表(如表1形式)，組間交換紙張，開展同行評審．小組指派代表陳述論證內(nèi)容，針對匯報內(nèi)容其他小組提出證據(jù)，列舉反例，進行質疑與批判，教師要注意把握討論氣氛，并及時板書記錄．

呈現(xiàn)與批判階段結束后，教師補充事實材料：播放牛頓管實驗視頻，引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象與同行反饋意見，反思證據(jù)的充分性與準確性，推理邏輯是否正確．隨后進入提煉階段，教師幫助學生基于反思，梳理整個論證活動，明確自己的主張、證據(jù)與推理，用不同顏色的筆填寫論證記錄表(參考論證內(nèi)容如表1)，并指導學生比較最初論證內(nèi)容(主張、證據(jù)、推理)與提煉后論證內(nèi)容的不同，回憶整個修改過程，同時教師呈現(xiàn)論證要素關系圖，如圖2所示，幫助學生明確論證要素間的邏輯關系．

圖2 論證要素關系圖

表1 論證記錄表

上述教學環(huán)節(jié)實施后，教師便能夠自然引入自由落體運動的條件(初速度為零且只受重力)，幫助學生順利理解“自由落體運動”是一種理想模型，明確下落運動被近似看作“自由落體運動”的條件(阻力相對重力較小可以忽略的初速度為零的下落運動)，并引導學生得出“自由落體運動”初步概念(即初速度為零的加速直線運動)．概括地說，通過實驗事實，引入條件，建構理想模型，得出初步概念.

(2)通過實驗論證驗證自由落體運動的規(guī)律

初步概念明確后，教師可以很自然地提出問題，“自由落體運動究竟是一種怎樣的運動？”引導學生設計實驗驗證“自由落體運動”是否符合“勻變速直線運動”規(guī)律．根據(jù)教學器材實際，教師演示實驗(例如新人教版必修一圖2.4-2[7])，呈現(xiàn)不同實驗數(shù)據(jù)，指導學生計算加速度大小，填寫實驗論證記錄表(如表2形式)，組間交換、開展同行評審．

呈現(xiàn)與批判階段結束后，教師補充課本第47頁“一些地點的重力加速度表格”[7]，介紹重力加速度概念，引導學生基于證據(jù)、反饋信息以及補充材料，重新填寫論證記錄表(參考論證內(nèi)容如表2)，同時教師呈現(xiàn)論證要素關系圖(圖3)，幫助學生理解論證要素間的邏輯關系，反思與提煉論證內(nèi)容，最后總結“自由落體運動”條件、概念與規(guī)律．

表2和圖3如下.

表2 新論證記錄表

圖3 新論證要素關系圖

(3)體會伽利略的研究與論證過程

完成“自由落體運動”一節(jié)知識的學習后，教師給予學生時間閱讀教材“科學漫步”與“STSE”欄目內(nèi)容[7]，可運用圖4和圖5向學生展示伽利略的研究與論證過程．

圖4 伽利略對自由落體運動研究與論證過程

圖5 斜面實驗與合理外推的結合

引導學生總結伽利略的研究與論證過程，并與本節(jié)課所開展的論證過程進行對比，幫助學生提高科學思維品質，領會物理學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與質疑創(chuàng)新的精神．

4 結束語

PCRR教學模式屬于循環(huán)式的論證教學，結構簡單，不需要開展復雜的實驗操作，強調利用觀察和查找資料形成論據(jù)、論點以及推理過程，并且整個教學模式首尾相連，可在一堂課中循環(huán)使用，適用于物理概念、規(guī)律知識的進階教學．

教師運用PCRR教學模式，結合書面論證的呈現(xiàn)，開展科學論證教學能夠促進學生對于物理概念、規(guī)律知識的深入理解，培養(yǎng)學生基于證據(jù)的論證思維、基于證據(jù)解釋結果的探究能力以及基于證據(jù)和邏輯的科學態(tài)度，并且有效發(fā)展學生的批判性思維、科學交流與同伴合作能力；教學中PCRR教學模式與書面論證相結合，能夠展示學生的思維過程，以及學生對于核心概念與規(guī)律的理解程度和論證質量，進而反映學生對于知識的理解與論證能力水平．