培養“科學論證素養”的高中物理教學策略與實踐

張嘉弘

（海寧市第一中學，浙江海寧 314400）

《普通高中物理課程標準（2017版）》［1］已經明確提出“科學思維”是物理核心素養的主要內容，而“科學論證”首次明確進入物理課程標準當中，基于科學論證的重要地位，那么如何從教師自身出發，結合學生的現狀，實施有效的課堂教學策略，這就是本文試圖要解決的問題.

筆者嘗試采用科學論證式的教學活動，以“單擺”的兩個教學片段為例，通過“教師輔助引導”和“學生互助模仿”兩條主要策略，促使學生像科學家一樣地展開基于證據的論證活動，培養學生的科學論證素養.

1 教師輔助引導，顯化論證結構

從建構主義觀點來分析，學習就是認知結構在新條件下的重新建構，知識的獲取是一個新知識與學習者已有的舊知識相互影響的整合過程，［2］因此教師可以提供合理的支架，引導學生運用原有的知識結構，通過科學論證的方式獲取新知識和新環境在心理上的聯系，促使學生在獲取新知識的過程中，熟悉并掌握科學論證的完整結構和使用程序.

課例“單擺”片段1.

通過前面的模型構建，已經形成單擺這一理想化模型，而單擺的運動顯然符合前面所學的振動這種運動形式，由于此階段的重點是要幫助學生運用科學論證的方式去證明小角度下單擺的運動是否是簡諧運動，因此采取以下4個子策略.

1.1 設問引證簡約化

此階段設問的主要目的是為了引導學生建構主張，快速進入論證的程序，因此設問的形式需要收斂，以簡化主張構建的難度，明確論證的方向.

教師可以提出表1中的問題.

表1 問題與目標

顯然在這樣的問題下，無非會出現贊成或不贊成兩種主張.一般情況下，學生的都會順應問題構建正向的主張，即單擺在小角度下的振動是簡諧運動.但無論學生構建哪一種主張，都順利地跨出了科學論證的第一步.

1.2 誘思尋證近因化

尋找證據的方式比較多，思路也很發散，因此教師應利用心理學的近因效應，順勢誘導學生從簡諧運動的特征，去尋找支持主張的證據.

教師可以提出表2中的問題.

表2 問題與目標

隨著問題的提出，學生的思路因設問指向振動的x t圖像和回復力的表達形式，由此必然引出的兩組證據.

小組1：根據單擺實驗，我們發現單擺振動的x t圖像與正弦函數曲線非常相似.

小組2：單擺的運動存在使它回到平衡位置的回復力，并且回復力與位移方向近似相反.

1.3 群演推理生本化

理論推理是利用已有的知識去探索未知規律的有效方式，教師應以學生的發展為根本，利用最近發展區理論，充分調動學生的思維，在師生交互中完成科學論證的推理過程，幫助學生理解問題，同時展現物理學科的魅力.

學生找到證據之后，教師可以提出表3 中的問題.

表3 問題與目標

學習小組根據自己的證據闡述各自的理由.

小組1、2、4、6：用正弦函數圖像與單擺振動的x t圖像再計算機上進行比對，兩條圖像近乎重合，說明在誤差允許范圍內，單擺振動的x t圖像就是正弦函數圖像，所以單擺在小角度下的振動是簡諧運動.

小組3、5：證明遇到困難.

由于推理的數學要求較高，對于高中生來說，顯然遇到困難，此時不妨通過調動全班學生的力量，一起來完成共同的目標.

教師可以提出表4中的問題.

表4 問題與目標

大家經過一番思考，3個學生提出了觀點.

學生1：重力的分力，因為是它使得單擺產生了切向加速度，而從靜止開始運動，并指向平衡位置.

學生2：不可能是重力的分力提供單擺回復力，因為它與位移不重合，也就不可能滿足簡諧運動的條件了.

學生3：從剛才是實驗現象看，單擺運動的xt圖像實際上是擺球在豎直方向投影的運動圖像，也就是說單擺可能在水平方向做簡諧運動，所以單擺回復力應該是拉力的分力.

通過大家的分析和綜合，一致認為學生3 的分析更合理，單擺應該在水平方向做簡諧運動，教師順著學生3思路，帶領大家共同推理.

推理過程：如圖1，設擺動中最大偏角為θ0，擺動到偏角為θ1的P點處，此時速度為v，細繩的拉力為F拉，離平衡位置的水平位移為x，由機械能守恒定律可得

圖1

由牛頓第二定律可得

根據剛才學生3的分析可知，

綜合以上3式可得

為了看清楚回復力與角度的關系，統一化簡成正弦函數.利用

看到這樣的結果，學生感到回復力與角度的關系非常復雜，開始懷疑自己的主張.由于高中生此前接受的教學幾乎都是精確計算，缺乏近似的意識，此時教師應抓住時機，突破學生的思維限制.

教師給出任務：計算θ0＝5°且恰好擺到最大擺角處，回復力各項的精確值，［3］如表5.

表5 回復力各項精確數據

由于在物理中當一個物理量比另一個物理量大兩個或兩個以上的數量級時，另一個物理量可以忽略不計，經過計算，大家都已經明白了擺角很小的含義了.

教師順勢簡化回復力的表達式為F回＝－mgsinθ1，同時學生3和學生1也實現了相互理解，因為在小角度下，拉力的水平分力與重力的切向分力近似相等.

由于以上一系列的推理與證明都是在學生原有知識和能力的基礎上進行的論證，符合學生的認知水平，在探索規律的過程中，從原有認知（精確計算）擴展到了新認知（近似計算），促進了學生的理解.

1.4 引導質疑兩難化

質疑是促進論證、完善主張的一個環節，因此，在論證教學中引導學生去質疑反駁不僅是結構上的需要，也是促進科學論證素養的需要.由于在目前教育的一些問題，使得學生的反駁意識淡薄，所以教師有必要通過一些使學生產生認知沖突的方式來進行引導.

現在我們證明了單擺在水平方向做簡諧運動，而教科書上卻直接說單擺在小角度下的運動是簡諧運動，那么教科書是否錯了呢？教師可以提出表6中的問題.

表6 問題與目標

學生進一步思考，2位學生發表了觀點.

學生4：不可以，因為如果把單擺的運動看成簡諧運動，就默認單擺只有水平方向的運動了，那么它又如何實現動能與勢能之間的能量轉化的.

經過大家的分析思考，一致認為學生5 的觀點是合理的，在小角度下單擺的運動可近似看成是簡諧運動，與教科書的觀點是一致的.

點評：在課例“單擺”片段一中，通過教師的輔助，學生明確了一個一個的科學論證環節，一步一步地經歷了科學規律的探索過程.在這個教學過程中，不僅科學論證的過程結構得以顯化，而且促進了學生認知結構的重構和優化.

2 學生互助模仿，內化論證思想

模仿是人類學習的一種重要方式，也是學習遷移、創新提升的基礎.因此，對于剛了解科學論證模式的高中生來說，模仿教師并親身實踐是最適合的鞏固方式，既可以強化新知規律，又可以內化論證思想.

課例“單擺”片段2.

通過教師的引導，已經讓學生經歷了單擺在小角度下的運動是否是簡諧運動的科學論證過程，并且得出了較為完善的主張，那么順勢利用這種簡諧運動的周期與多種因素有關的特征，鼓勵學生互助研究、模仿教師演示的科學論證過程去探索新的規律，因此需要采用以下4 個子策略.

2.1 主張構建多元化

主張是科學論證的起點，主張的多元化有利于展開下一步的論證.在物理教學中，主張構建的基點在于問題情境，一個具備探究意義和論證空間的情境問題，自然會激發學生思維，自主構建多維度的主張.

教師可為學生提供一個簡易的小角度下單擺周期影響因素的小實驗（器材包括：鐵架臺、細線、鐵質小球、米尺、條形磁鐵等必要器材），并提出表7中的問題.

表7 問題與目標

受到問題驅動的學習小組，開始嘗試單擺實驗，為學習小組確立自己的主張.通過學生的嘗試與刪選，基本確立了兩個主張如表8.

表8 小組主張

2.2 證據尋覓規范化

證據是科學論證的基礎，科學有效的證據是確定是否繼續論證的判斷依據，對于物理規律而言，實驗數據就是一種基本的事實證據，因此，只有通過規范的實驗測量和數據采集，才能保證實驗數據的真實性和可靠性.

學生在確立學習小組的主張后，開始通過物理實驗尋找相關的證據.

小組1、3、6：改變擺長，多次測量周期，取得擺長與周期對應的數據，根據數據可知，擺長l越大，周期T越大.實驗數據如表9.

表9 擺長與周期的數據1

小組2、4、5：無法改變重力加速度，用磁鐵磁力模擬增加重力，從而增加“重力加速度”，根據數據可以確定，重力加速度與周期呈現負相關，即g越大，T越??；g越小，T越大，實驗數據如表10.

表10 擺長與周期的數據2

2.3 理由闡述多樣化

理由闡述是科學論證的必備環節，推理則是闡述理由的常用手段，邏輯嚴密的推理可以讓證據與主張之間建立合理解釋（理由）、形成對主張的價值認同，而多樣化的推理方式也有助于學生拓展思維、相互借鑒、共同進步.

由于實驗器材的限制和研究方向的不同導致各學習小組所得到的數據量出現了差異，因此各學習小組根據自己的情況進行了不同方式闡述，給出了不同的理由.

圖2 擺長與周期的圖像

2.4 反駁論證深度化

反駁是科學論證質量的一個重要指標，通過對他人的觀點、引用的事實或理論依據以及推理過程提出深度的質疑和批判，不僅促使了觀點構建者和反對者的進一步反思與論證，同時也為主張的可靠性提供了保障.

通過剛才的論證過程，學習小組分別給出了充分的證據和理由，維護了自己的主張，同時也得到了單擺周期與擺長、重力加速度之間的定量關系，但是有位學生提出了兩個問題，又使大家陷入了沉思.

問題1：我們測得的擺長與周期的數據足夠了嗎？會不會出現類似牛頓第二定律實驗一樣的情況（隨著數據的增大，條件不再滿足）？

這兩個反問就是一種反駁，認為數據可能不夠完整或者理論推導可能是存在局限性，同時對表達式的理解提出了極限性的思考.

對第1個問題，經過部分學生（物理資優生）的思考討論，提出了對原主張的反駁.

反駁1：實驗中只測定了有限的擺長數據，該數據不完整，證據存在缺陷.

圖3 受力分析圖

對第2個問題，一位平時不太發言的學生提出了自己的反駁.

反駁3：如果g→0，相當于萬有引力（或重力）趨向于0，物體就不再受力，那么單擺模型成立的條件崩塌，之后的所有推導均不成立，也就不能用剛才的周期表達式來理解，所以重力加速度g越小，周期T越大.這個結論沒有問題，但是說，當g→0時，T→∞那是不成立的.

經過各學習小組集體研究和個別學生的幾番反駁與論證，探索到了新的物理規律，完善了科學的主張，體會到了尋求真理的曲折過程，同時也熟悉了科學論證的論證要素與結構，全方位體驗了科學論證的過程.

點評：在課例“單擺”片段2中，通過學生的互助，再次實踐了科學論證的每一個的環節，

經歷了另一個科學規律的探索過程，在這個教學過程中，不僅科學論證的意識得以強化，而且促進了論證思想的滲透和論證素養的提升.

3 結束語

在實施以上教學策略時應關注以下3個關鍵方面.

以學生“已有的知識和經驗”為論證起點，通過提示性的問題引導學生思考，才能觸及思維的最近發展區，為科學論證素養的培養創造條件.

以學生“有效參與論證活動”為論證時空，通過學生模仿教師、相互幫助，讓課堂以學生的論證探討為中心，為科學論證素養的培養奠定基礎.

以學生“提升科學論證素養”為論證根本，教學是個性化和創造性的活動，［4］形式可以變化，但教師必須在以科學論證素養培養的大前提下進行自由發揮，為科學論證素養的培養提供保障.

總之，在論證教學實施的過程中，應讓學生成為科學論證過程的主體，教師全力輔助學生投入到課堂的論證活動中去，實現以培養科學論證素養為根本的論證式物理教學.