基于原始物理問題培養(yǎng)高中生的科學(xué)論證能力

石宏宇，譚志中

(南通大學(xué)物理系，江蘇 南通 226019)

1 引言

新課改背景下，物理教學(xué)聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，科學(xué)論證能力是核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的要素之一。如何培養(yǎng)論證能力是國內(nèi)外教育工作者關(guān)注的熱點。在我國高考壓力大的教育背景下，當(dāng)前的高中物理教學(xué)存在著題海戰(zhàn)術(shù)等缺陷，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力方面存在不足，教學(xué)中的很多問題脫離實際情境過于理想化，學(xué)生套用固有的思維模式就能解決問題，在解決問題的過程中沒有自主的思考與創(chuàng)新。長期的“紙上談兵”使學(xué)生的思維嚴重僵化，缺乏批判性與創(chuàng)新性，對所學(xué)知識不會進行發(fā)散，不利于學(xué)生的長遠發(fā)展。當(dāng)高中生進入大學(xué)、走上社會之后面對復(fù)雜的實際問題會感到束手無策，因此探討基于富有活力的原始物理問題培養(yǎng)高中生的科學(xué)論證能力具有重要意義。

2 科學(xué)論證能力的內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)

關(guān)于科學(xué)論證內(nèi)涵的界定，在當(dāng)前的國際科教領(lǐng)域，學(xué)者們持多種不同觀點，但基本都認同其包括主張、證據(jù)和推理三個核心要素。

國內(nèi)外學(xué)者的觀點整體上可以從過程和能力兩個視角進行區(qū)分。從過程的視角來看，科學(xué)論證與科學(xué)探究過程密不可分，科學(xué)論證不僅僅要獲得論點，而且要滲透融合于科學(xué)探究，如提出問題、設(shè)計方案、分析現(xiàn)象、反思評價等過程都需要進行科學(xué)論證。在科學(xué)論證的過程中，學(xué)生的思維通過提出論點并借助證據(jù)加以證實而得到體現(xiàn)，并通過科學(xué)論證逐漸向高層次發(fā)展。學(xué)生能夠在科學(xué)論證的過程中嘗試闡述自己的論點，基于觀點尋找論據(jù)支撐，設(shè)計解決問題的方案?？梢哉J為科學(xué)論證是探究的過程、是思維的過程、是獲取知識、解決問題的過程。

從能力的視角來看，Toulmin（1958）提出TAP論證模式[1]，此模式包含六種主要元素：主張、數(shù)據(jù)或資料、根據(jù)、支持、限定與反駁[2]。Sampson Grooms &Walker將科學(xué)論證能力定義為一種綜合性能力，包括問題形成、信息搜集、證據(jù)分析及推理等[3]。我國學(xué)者韓葵葵認為科學(xué)論證能力是以科學(xué)概念作為中介對所獲得的數(shù)據(jù)資料進行闡述形成自己論點進而通過對自己及他人觀點的分析建構(gòu)反論點，并針對他人針對自己觀點的質(zhì)疑加以反駁的高級思維能力[4]。韓葵葵構(gòu)建了科學(xué)論證能力結(jié)構(gòu)模型，包括內(nèi)容、方法、品質(zhì)三個維度，這三方面內(nèi)容有程序、有規(guī)則地形成彼此相互關(guān)聯(lián)、相互作用、共同發(fā)展的統(tǒng)一體，即科學(xué)論證能力。

高中物理教學(xué)中的科學(xué)論證能力主要強調(diào)學(xué)生能夠基于情境對問題進行分析，能夠利用現(xiàn)有信息進行洽淡推理，能夠提出自己的觀點并對存在質(zhì)疑的觀點進行反駁。科學(xué)論證作為特定的學(xué)習(xí)方式，要求學(xué)生能用證據(jù)證明所提論點，并深入學(xué)習(xí)科學(xué)原理。這符合杜威所主張的“從做中學(xué)”的經(jīng)驗教學(xué)主義，在科學(xué)論證過程中學(xué)生對于概念的理解和轉(zhuǎn)變得到促進，學(xué)生的思維得到發(fā)展，有利于學(xué)生更好地理解科學(xué)本質(zhì)。

3 原始物理問題概念及意義

原始物理問題是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在的，能夠反映物理概念規(guī)律且未被加工的典型物理現(xiàn)象和物理事實[5]。原始物理問題不同于物理習(xí)題，可以說物理習(xí)題是對原始物理問題的抽象加工，二者關(guān)系見圖1。

圖1 原始物理問題與習(xí)題的關(guān)系

物理習(xí)題可以視為對原始物理問題的理想化，通過給予一些特定的條件和信息，使題目具有規(guī)整的規(guī)格和明確的導(dǎo)向。長期以來為了使學(xué)生能夠通過高考的選拔，我們的高中物理教學(xué)陷入一種“題海戰(zhàn)術(shù)”的誤區(qū)，學(xué)生通過大量的習(xí)題訓(xùn)練逐漸形成思維定式，習(xí)慣于用一定的邏輯去解同一類型的題目。這樣的教學(xué)方式有利于學(xué)生在應(yīng)試教育中取得好成績，但卻會導(dǎo)致學(xué)生解決問題的能力脫離實際，學(xué)生的科學(xué)思維能力沒有得到充分的發(fā)展，無法解決在真實的社會生活中所遇到的原始的、非理想化的劣構(gòu)性現(xiàn)實問題。這樣的學(xué)生成為“只會考試的人才”，不符合新的課程標(biāo)準所提出的“培養(yǎng)具有終身發(fā)展能力的人才”的要求。而原始物理問題具有普遍性、開放性、隱蔽性、綜合性等特點，學(xué)生在處理原始物理問題時，要主動對其所包含的龐雜信息進行提取和分析，對原始物理問題的表征是一個非線性的、具有螺旋性的逐漸深入的過程，在這個過程中學(xué)生的思維逐漸深化，學(xué)生思維的發(fā)散性、靈活性、批判性、深刻性和創(chuàng)造性得到發(fā)展，有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。學(xué)生基于原始物理問題所進行的提出猜想、搜集證據(jù)、邏輯推理等一系列行為都在潛移默化地提升其科學(xué)論證能力。原始物理問題對于培養(yǎng)科學(xué)論證能力有重要意義，在新的課程標(biāo)準的要求下，教師要活用原始物理問題進行教學(xué)，培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會要求的人才。

4 基于原始問題培養(yǎng)學(xué)生論證能力的基本策略

Toulmin（圖爾敏）論證模型為物理概念和規(guī)律的教學(xué)提供了一個可參考的范式，是論證教學(xué)的重要策略之一。利用此模型設(shè)計教學(xué)方案可以將抽象問題具體化、顯像化，學(xué)生在此模型下對物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)理解在一定程度上會更透徹，但在實際教學(xué)實踐中高中生易對其要素產(chǎn)生混淆，對“反駁”這一要素的理解和應(yīng)用尤為困難。麥克尼爾（Katherine L.Mcneill）和利佐特（David J.Lizotte）等人對圖爾敏模型進行了簡化，基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和最近發(fā)展區(qū)理論設(shè)計了CER 框架，包括主張、證據(jù)、推理三個要素[6]。這三個要素緊密相連，學(xué)生基于問題提出主張，根據(jù)各種方式獲得數(shù)據(jù)、材料或信息等形式的證據(jù)支撐主張，推理將證據(jù)和主張聯(lián)系起來，在推理的過程中論證證據(jù)和主張的合理性，明確證據(jù)和主張之間的聯(lián)系。CER 框架的結(jié)構(gòu)較為簡單但清晰明了地體現(xiàn)了科學(xué)論證的核心，更適合應(yīng)用于高中物理教學(xué)，學(xué)生能夠在提出主張、搜集證據(jù)、科學(xué)推理的過程中構(gòu)建自己的理解能力，切實體驗科學(xué)論證。教師可以選擇有意義的原始物理問題開展教學(xué)活動，用CER 框架引導(dǎo)學(xué)生論證分析，在解決問題的過程中引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握論證的基本方法和技巧，培養(yǎng)思維的邏輯性，促進思維開放拓展，幫助學(xué)生形成良好的論證能力。

4.1 在物理學(xué)史中領(lǐng)悟科學(xué)論證

物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，很多概念和規(guī)律都是經(jīng)過科學(xué)家反復(fù)而曲折的實驗得到論證。在歷史上，科學(xué)家們所研究的問題多源于真實的生活情境，屬于原始物理問題，生動鮮活的科學(xué)論證素材蘊含于問題解決的過程。教師利用科學(xué)史料引領(lǐng)學(xué)生體味科學(xué)家們的探究之路，通過重現(xiàn)科學(xué)家們提出觀點與質(zhì)疑、搜集信息、驗證主張的過程幫助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)論證的過程與真諦，體會質(zhì)疑探究精神。教師要尊重歷史事實，讓學(xué)生認識到科學(xué)家的觀點也并非是權(quán)威的、完全正確的。

以牛頓第一定律為例，在高中教材中這節(jié)課安排了大量物理學(xué)史的內(nèi)容。教師可以創(chuàng)設(shè)生活情境引入課堂，引發(fā)學(xué)生思考“力和運動的關(guān)系”，在學(xué)生對教材進行自主閱讀后，讓他們嘗試利用CER 框架分析亞里士多德的觀點，填寫表1。

表1 CER 框架在分析“亞里士多德：力和運動的關(guān)系”中的應(yīng)用

亞里士多德以經(jīng)驗作為證據(jù)支撐，在進行論證的過程中忽略了摩擦力對物體運動的影響，這導(dǎo)致他最終得出了錯誤的結(jié)論。在當(dāng)前的教育背景下，學(xué)生往往會盲從于權(quán)威或者教師的說法，對問題缺乏自己的思考和判斷。亞里士多德的錯誤可以作為教師培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的切入點，通過對亞里士多德的觀點提出質(zhì)疑，并要求與亞里士多德持有不同觀點的學(xué)生給出證據(jù)支撐自己的判斷。在學(xué)生產(chǎn)生疑問表述自己的想法之后，教師再引入伽利略的觀點，引領(lǐng)學(xué)生用CER 框架分析伽利略的觀點，填寫表2。

表2 CER 框架在分析“伽利略：力和運動的關(guān)系”中的應(yīng)用

通過這樣的教學(xué)過程，學(xué)生能夠切實體會到科學(xué)家們的論證過程，并且認識到科學(xué)家們在論證過程中也會出現(xiàn)錯誤，很多物理規(guī)律正是在不斷的質(zhì)疑與推翻中建立起來的，學(xué)生的批判性思維得到強化，認識到科學(xué)證據(jù)真實性和科學(xué)探究過程嚴謹性的重要性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，使學(xué)生逐漸領(lǐng)悟科學(xué)論證的過程和意義，強化學(xué)生的科學(xué)論證能力。

4.2 在生活情境原始問題中體驗科學(xué)論證過程

當(dāng)前高中物理教學(xué)中長期的習(xí)題教學(xué)使學(xué)生在面對原始物理問題時感到束手無策，不能將所學(xué)的知識與問題情境聯(lián)系起來去解決問題，不能從問題情境中提取所需要的信息，甚至不能讀懂問題，不理解所呈現(xiàn)的問題要求求解的內(nèi)容，這明顯并不符合我們對所培養(yǎng)的高中生的期望，反映了學(xué)生在能力方面有所欠缺，面對問題不能進行有效的觀察和思考。物理學(xué)是一門源于生活的學(xué)科，原始物理問題是針對一些真實存在的生活現(xiàn)象而提出的，在物理學(xué)習(xí)的過程中，唯有與現(xiàn)實生活多接觸，才能體會到隱蔽在龐雜的客觀現(xiàn)象中的問題，并在嘗試解決問題的過程中體會科學(xué)論證的過程，錘煉自己的科學(xué)思維。

新課程《標(biāo)準》中明確指出，在教學(xué)設(shè)計和實施過程中要重視情境教學(xué)，創(chuàng)設(shè)具有一定問題性、真實性、探究性和開放性的問題情境[7]，結(jié)合生活情境的原始物理問題無疑具備這樣的特點。高中生已經(jīng)具備了一定的物理知識，在其前概念中，對源于生活情境的原始問題具有一定的感性認識，結(jié)合生活情境的原始物理問題能夠刺激其已具有的圖式，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，學(xué)生在嘗試利用所掌握的理論知識解決問題的過程中，其感性認識和理性認知在不知不覺中得到良好的結(jié)合。教師在課堂教學(xué)中應(yīng)提出生活化的原始問題供學(xué)生進行思考和討論，組織師生活動和生生互動，讓學(xué)生交流自己所提取的信息和對于問題的想法，在討論交流的過程中引起思想碰撞，培養(yǎng)學(xué)生從問題中提取信息、提出觀點、反思論證的能力，促進學(xué)生的科學(xué)論證能力走上新階梯。

在高中“質(zhì)點”這一概念的教學(xué)過程中，難點主要在于明晰一個物體什么情況下能視為質(zhì)點，結(jié)合生活情境教學(xué)可有效解決這一問題，教師可引導(dǎo)學(xué)生對不同情況進行整理，填寫表3。

表3 CER 框架在“質(zhì)點”教學(xué)中的應(yīng)用

再以超重與失重的教學(xué)為例，高中生在學(xué)習(xí)前雖然對這兩個概念有一定的了解，但其理解往往是浮于表面的，認為超重即為重量增加，失重即為重量失去，這種錯誤認識往往源于學(xué)生不能將物理概念與現(xiàn)實情境相聯(lián)系，沒有理解物理概念的本質(zhì)。針對于此，教師可以提出生活情境原始問題：在乘坐升降式電梯時，我們往往會在電梯運行的過程中產(chǎn)生“漂”、“沉”的感覺，原因是什么？教師可以提示這與人體內(nèi)臟受力發(fā)生變化有關(guān)，進而在課程背景下，容易引導(dǎo)學(xué)生提出這種感覺與超重和失重有關(guān)的主張，進而引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計解決方案探尋產(chǎn)生超重、失重時人體的受力情況，學(xué)生容易想到可以通過觀察記錄臺稱在電梯運行過程中的示數(shù)變化來分析人體受力情況，教師幫助學(xué)生整理所搜集到的信息，總結(jié)概括科學(xué)論證框架，使學(xué)生理解超重失重概念的內(nèi)涵，明確物體在超重、失重狀態(tài)下的受力情況，如表4。

表4 CER 框架在“超重與失重”教學(xué)中的應(yīng)用

經(jīng)過對這一生活情境原始問題的分析論證，學(xué)生關(guān)于超重、失重的概念有了更深刻的認識，學(xué)生可能具有的超重、失重與速度方向有關(guān)的前概念得到?jīng)_擊，教師可乘勝追擊，引導(dǎo)學(xué)生探究超失重的產(chǎn)生條件，思考超重、失重與加速度方向的關(guān)系。經(jīng)歷了這樣的論證過程，學(xué)生能夠掌握物理規(guī)律的本質(zhì)內(nèi)容，對物理規(guī)律有了更深層次的理解。教師可繼續(xù)引入與超重、失重有關(guān)的生活情境原始問題作為練習(xí)題，讓學(xué)生針對不同的情況進行受力分析，在練習(xí)的過程中，學(xué)生的理性知識與感性認識不斷進行碰撞與結(jié)合，學(xué)生理解、運用知識的能力得到提升。

以上教學(xué)案例可以體現(xiàn)出結(jié)合生活情境的原始問題在高中物理教學(xué)中所具有的優(yōu)勢，也顯現(xiàn)了學(xué)生針對原始問題進行科學(xué)論證時所體現(xiàn)出來的活力與邏輯能力，在這個過程中學(xué)生思維的發(fā)散性和歸納性均能得到發(fā)展，科學(xué)論證能力逐漸提升。

4.3 在科學(xué)實踐活動中提升科學(xué)論證能力

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要方法，是培養(yǎng)科學(xué)論證能力的重要途徑，通過實驗過程中的設(shè)計方案、數(shù)據(jù)搜集與整理、得出結(jié)論等過程，學(xué)生的創(chuàng)新性思維、處理信息的能力得到提升。課程改革強調(diào)了實驗教學(xué)的重要地位，我國的高中物理教材中設(shè)計了很多實驗，但是目前高中物理實驗教學(xué)的實施并不理想，實驗教學(xué)并未呈現(xiàn)出其活力與價值。部分高中生的學(xué)習(xí)行為來源于外界壓力驅(qū)動而非內(nèi)在興趣驅(qū)動，學(xué)生的自主能動性較低，在實驗中很多學(xué)生不具備主動探究的意向，往往按照教材演示的步驟或者教師的講解按部就班，沒有思考實驗的意義甚至不清楚實驗的目的而盲目操作。這樣的實驗教學(xué)收效甚微，原因在于實驗過于理想化、脫離真實生活，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不能體現(xiàn)出科學(xué)論證能力的培養(yǎng)。原始問題能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，基于原始問題的科學(xué)實踐活動能夠促進物理實驗教學(xué)的轉(zhuǎn)型，增強學(xué)生科學(xué)探究的欲望，使實驗由教師引導(dǎo)走向?qū)W生自主探究，由模仿走向真實實踐，由滿足認知需求走向滿足解決問題的社會需求。

例如在高中“自由落體運動”的教學(xué)中，高中生通過初中的學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握了加速度運動的基本概念和運動和力的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，教師可以呈現(xiàn)這樣的原始問題引發(fā)學(xué)生思考：重物和輕物同時從同一高度下落，哪個下落得快？學(xué)生理解問題后很容易會基于自己的前認知水平聯(lián)想到生活中的一些場景，教師這時可以演示一些利用生活中的常見物品就能操作的實驗，比如在同一高度處同時釋放羽毛和鐵球，讓學(xué)生觀察兩者下落情況。學(xué)生易產(chǎn)生物體下落快慢和質(zhì)量有關(guān)的猜想，認為重物下落快。繼續(xù)實驗，將兩張完全相同的紙一張不折疊，另一張折疊四次，然后從同一高度處同時釋放，學(xué)生觀察到折疊后的紙先落地。在兩張紙質(zhì)量相同的情況下，落地快慢卻有所不同，這與學(xué)生之前的猜想相悖，認知沖突由此產(chǎn)生，學(xué)生的探究興趣被激發(fā)。結(jié)合兩次實驗，教師可以引導(dǎo)學(xué)生猜想:物體下落快慢可能與質(zhì)量無關(guān)而與空氣阻力有關(guān)，隨后展示牛頓管實驗，驗證猜想，引入自由落體概念的教學(xué)。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧探究過程，概括科學(xué)論證要素，填寫表5。

表5 CER框架在“自由落體”教學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)生理解了自由落體概念的基礎(chǔ)上，教師可以讓學(xué)生自己利用打點計時器進行實驗，探究自由落體運動的性質(zhì)。在實驗中，學(xué)生通過對紙帶軌跡與各點速度的分析得到數(shù)據(jù)支撐，在教師引導(dǎo)下分析數(shù)據(jù)。高中生已經(jīng)具備相關(guān)的數(shù)學(xué)能力，嘗試獨立針對數(shù)據(jù)構(gòu)建速度與時間關(guān)系的圖像模型，掌握自由落體運動的性質(zhì)。

5 結(jié)束語

在教學(xué)過程中，學(xué)生沉浸于原始物理問題所創(chuàng)設(shè)的情境中，在體現(xiàn)原始問題的不同情境中產(chǎn)生認知沖突，生成探究興趣，在自己動手進行實驗操作、數(shù)據(jù)整理的過程中體會獲取證據(jù)和科學(xué)推理的過程，提升對于數(shù)據(jù)的分析處理能力。在解決問題后學(xué)生不僅提高了自己的科學(xué)論證能力，也獲得了成就感以及自我認同感。