利用科學論證解決物理課堂生成問題

趙海艷 李宇煒

(1. 北京師范大學實驗中學豐臺學校，北京 100069；2. 北京師范大學附屬實驗中學，北京 100052)

在探究性教學中,教師往往會追求科學探究的形式,而忽視了證據、解釋等科學探究的要素。教師對實驗過程很熟悉,往往在操作過程中按照自己的節奏,直奔主題,片面強調物理理論的驗證和實驗技巧的嫻熟。但對于學生而言這些實驗是未知的,每一個環節都需要去思考、質疑,在教學中教師應尊重學生的質疑,關注課堂中生成的問題,激發學生自主探究的熱情,利用科學論證方法，讓學生充分體會探究和思維碰撞的過程,以有利于學生對于知識的理解、掌握，促進學生高階思維的發生。在課堂中生成的問題往往都是學生錯誤高發的問題,針對課堂生成問題，我們應合理運用教學策略,將實驗現象形象化地呈現在學生眼前，幫助學生真正釋疑解惑，從而達到真正理解的目的。

科學論證是科學探究中一項重要的活動，是由一人或多人利用事實證據、理論知識以及邏輯推理，對觀點和主張進行證實的實踐活動。有學者認為：科學論證不僅關注科學解釋和科學推理的過程,重要的是提升了參與者的批判反思意識，進而提高了審辨式思維能力。科學論證在探究式學習中，不僅協助學習者獲得知識，還會使他們相信為什么這一解釋優于其他解釋。因此在討論課堂中生成的問題時，運用科學論證方法來解釋自己的觀點，不僅有益于學生高階思維的生成，而且能促進學生形成物理觀念、提升科學思維能力。筆者根據“超重和失重”教學中生成的問題，適時改變教學策略，以學生自主實驗探究和科學論證的方式來解決問題，使學生更加深刻理解物理概念和規律，提高學生的核心素養。

1 問題的生成

“超重和失重”涉及牛頓運動定律的應用,是“運動和力的關系”一章的最后一節，本節課既能進一步鞏固學生的動力學知識，又能增強物理與日常生活、宇宙開發的聯系，激發學生學習物理的興趣，培養學生運用科學思維方法解決生活問題的能力。本節課演示實驗較多,學生對其中的液體柱自由下落實驗最感興趣，如圖1所示，利用上端帶攝像頭的塑料管，下端用橡膠膜封閉，在管中注入水，在高處釋放，用手接住后靜止，通過攝像頭實時展示水膜在此過程中的變化情況。

圖1

在現場實驗操作時，學生實時觀看攝像頭拍攝的視頻，往往對水膜的最后狀態更感興趣,視覺震撼效果比較強。教師以此為契機，通過對水膜受力的分析引發出對生活中蹦極時身體感受的解釋。既能從實驗中看出水膜形變量很大,又從理論上再次印證了物體處于超重狀態的受力特點。在第二遍慢放水膜下落過程時,可以明顯看到水膜在下落期間的變化情況，細心的學生敏銳地發現圖2中有兩張圖片中的水膜幾乎是水平的,他們提出了疑問:為什么在自由下落的過程中,水膜似乎不受力了呢?為什么會不受力呢？物體在下落過程中都是不受力的嗎?

圖2

2 針對生成問題,運用科學論證方法解決問題,促進學生高階思維發生

針對學生在課堂上生成的問題,筆者及時改變教學策略,引導學生自主探究，對實驗現象進行科學論證，從而得出自己的結論。在論證中運用了英國學者圖爾敏提出的科學論證模型(圖3)，它由6個要素組成：(1) 主張：個人提出觀點、結論；(2) 資料：現象、事實、記載、實驗數據；(3) 理由：說明資料如何支撐主張；(4) 支援：理由的補充；(5) 反駁：主張不能成立的情況；(6) 限定：限定主張的條件。

圖3

2.1 學生自主制定實驗計劃,展示實驗評價過程,總結結論

針對物體做自由落體運動時受力問題,將學生分成小組，分別研究固體、液體的情況,為學生提供了傳感器和相關實驗器材。要求學生按照自己的主張來進行實驗設計，支持自己的主張，經過全班同學的評價，同組同學互相給與支援和補充，最終得出結論。

2.2 學生論證主張，進行科學評價

2.2.1 固體組

(1) 主張

在自由下落時固體間沒有力的作用。所做的驗證實驗為:在兩本書之間夾一張紙，在靜止時很難抽出紙，在書自由下落時可輕松將紙抽出(圖4)。

圖4

(2) 資料(現象)

兩書自由下落時，它們間夾的紙被輕松抽出。

(3) 分析(理由)

因為自由下落時固體間沒有壓力的作用,所以紙很容易被抽出來。

(4) 質疑

大家對固體組的實驗提出了質疑：容易抽出不能說明兩書間沒有力的作用，有可能是下落過程中物體處于失重狀態，書對紙的作用力變小。

(5) 同組補充實驗

利用數字化實驗系統(DIS)驗證做自由落體運動的固體間沒有彈力的作用，將力傳感器的一端用細繩固定在鐵架臺上，在其掛鉤上懸掛重物，剪短上端細繩，力傳感器與重物一同做自由落體運動，可以清晰地看到在下落過程中，力傳感器讀數為零(圖5)。

圖5

(6) 補充分析

當物體自由下落時, 加速度大小為g，方向為豎直向下,處于完全失重狀態，有：F-mg=-mg，F=0，重物對力傳感器沒有拉力的作用。

固體組學生的科學論證過程如表1所示。

表1

2.2.2 液體組

(1) 主張

液體在自由下落時，不產生液體壓強。

(2) 資料

在瓶子中裝滿水，在側壁扎孔，水會從小孔流出來(圖6)，從高處釋放瓶子，在下落過程中水沒有從小孔流出來(圖7)。

圖6

圖7

(3) 分析

水沒有從小孔流出，說明小孔處的水沒有受到周圍水給它的壓力。

(4) 質疑

依據是什么？

(5) 同組補充

液體組學生的科學論證過程如表2所示。

表2

3 教學反思

科學論證是科學思維的要素之一，在科學探究中學生生成新的問題時可以運用科學論證的方式，引導學生通過與他人的交流，為自己的觀點提出辯護，并驗證、完善自己的觀點。在“超重和失重”一課中，針對學生在課堂教學中生成的問題：“做自由落體運動的物體間是否有力的作用”，教師及時調整教學策略，留下充足的時間交給學生去實驗探究，利用科學論證來解決課堂中生成的問題，充分發揮科學論證的“證據、解釋、質疑、反駁”等功能，不僅能提升學生的科學思維能力，還能培養學生的質疑精神，幫助學生深入理解核心問題。在本節課中，充分發揮了學生尋找證據的主觀能動性，在尋找證據的同時，加深了他們對問題的理解，同時在互動中促進學生高階思維的發生。針對固體、液體在完全失重狀態下的受力情況展開大膽的猜想，學生運用實驗驗證自己的想法，轉變錯誤的前概念，體會科學研究的嚴謹，強化對實驗是檢驗真理的唯一標準的認知，這一過程培養了他們的科學態度與責任，使他們感受了科學探究的魅力。在課堂教學中融入科學論證的教學方式，使學生經歷類似科學家獲得資料、提出主張，進行質疑和補充的過程，有助于學生深刻理解科學概念，提高了學生的核心素養。