基于TAP模型的科學論證新課教學實踐

林云強　姚華鑫　閆俊卿　楊師杰

摘? ?要：科學論證是科學工作中非常重要的環節，需要勇于提出觀點，然后嚴謹求證，如此循環往復，推動著科學的發展和進步。對新課程標準中的物理核心素養科學思維方面及其科學論證要素進行解讀，說明為什么要提升學生的科學論證能力，并結合圖爾敏TAP論證模型理論，以新課教學為例闡述如何提升科學論證能力，促使學生科學思維的發展。最終倡導教師教學過程中應注重培養學生解決問題時的證據意識和科學論證能力，落實核心素養背景下的學科育人目標。

關鍵詞：科學論證；課程標準；證據意識；TAP論證模型；新課教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0015-6

在本輪新課改中，物理學科著眼于培養學生的必備品格和關鍵能力，在“三維目標”的基礎上凝練出了以“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”四個維度為內核的學科核心素養。新課程標準也表明發展學生的科學思維能力是物理課程教育教學的重要目標之一。本文重點討論為什么要提升科學論證能力，怎樣評估和發展科學論證能力，并以新課教學為例闡述怎么做才能培養學生的科學論證能力。

1? ? 科學思維與科學論證闡釋

1.1? ? 什么是科學思維

依據《普通高中物理課程標準（2017年版）》相關內容，重點解讀科學思維。首先，科學思維是一種認識事物的方式，其目標是認識客觀事物的本質屬性、內在規律及其相互關系［1］；其次，科學思維包含多種認知方法。為實現課程標準中關于科學思維的認識目標，要對所獲得的直接證據綜合運用抽象概括、模型建構、分析歸納、推理論證等多種物理思想方法進行加工處理。最后，科學思維還應該包含突出嚴謹求實、質疑批判和遷移創新等特質的必備品格?？茖W思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，以上是科學思維核心素養的四個基本內核。

1.2? ? 什么是科學論證及其對應的課程目標

科學論證是自然科學領域的科學家從事科學研究工作的重要論證實踐形式之一?？茖W論證作為科學思維的關鍵組成部分，是指基于物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式［2］?？茖W論證中的“論”和“證”可以分別理解為論點、觀點和證據，而科學論證就是依據事實（證據）進行初步分析、推理，提出自己的觀點，并不斷質疑、批判、修正，最終得出結論的過程。在科學探究中，不僅要關注證據獲取的過程，更要強調論證推理的作用。論證方法包括實驗論證、演繹論證和歸納論證等，是科學發展過程非常重要的組成部分。例如，高中階段熟知的牛頓大膽猜測天體之間的引力和地面上物體之間的引力滿足相同的規律，進行“月地檢驗”邏輯推理，論證總結得出萬有引力定律。愛因斯坦在兩個假說的基礎上，經過嚴格的數學推導，得出相對論時空觀，后來高速運動的粒子壽命變長現象成了驗證相對論時空觀科學性的最早證據。1971年銫原子鐘實驗結果也對相對論理論進行了宏觀驗證，建立起物理學發展史又一大廈?？v觀物理學發展史，這樣的例子不勝枚舉，所以培養學生的科學論證能力是提升學生科學思維能力的重要途徑之一。有研究指出：“基于科學論證的物理教學研究與實踐是提高學生論證能力的必經之路?！保?］結合科學工作的特點，新課標對于科學論證要素明確指出，通過高中物理課程的學習，提升學生對科學證據的使用意識和評估能力，并且能靈活運用科學證據對研究的問題進行建模描述、分析闡釋和推理預測。

2? ? 科學論證的評估標準與教學實施

2.1? ? 科學論證評價內容及水平劃分

對《普通高中物理課程標準（2017年版）》［1］中關于科學論證的學業質量水平的描述梳理，如表1所示。

2.2? ? 經典論證教學模型TAP的介紹與要素闡釋

目前，在論證教學模式方面，圖爾敏提出的TAP模型影響最為深遠，如圖1所示。TAP模型包含六要素，其中資料、主張、根據是主要要素［4］。資料是指提供論證的數據、現象和理論依據；根據是連接資料與主張之間的橋梁，通常是基于基本定理、數據等資料提出初步的觀點或論斷，即推理過程；主張是基于物理問題的描述作出判斷，形成觀點；限定是主張觀點成立的限制條件；支援是指對推理過程的支援式陳述，也就是要考慮合理性，進行適當補充；反駁是指利用物理知識對反面觀點進行質疑與批判。資料環節相當于2.1中的水平等級1，能夠在區分觀點與證據的基礎上給出自己對某一問題的證據；有根據參與的主張環節相當于水平等級3，能夠恰當使用證據來表達自己的觀點；有支援和根據參與的主張環節相當于水平等級4，能夠恰當使用證據來證明自己的觀點；如果限定和反駁也加入上述環節則屬于水平等級5，能夠考慮證據的可靠性與科學性，并合理使用證據。

3? ? 基于TAP模型的多角度證據培養學生科學論證能力的新課實踐

3.1? ? 本節課傳統教學片段呈現和分析

下面我們以勻變速直線運動為例，在TAP模型的指導下進行科學論證的課堂實踐。本節選自人教版（2019）普通高中教科書物理必修第一冊第二章《勻變速直線運動的研究》的第3節。本節是本章的教學難點，同時本節課的難點是引導學生推導勻變速直線運動位移與時間的關系式的過程。對比了新舊版本教材，發現新教材對用微元求和思想推導公式部分做了調整，并沒有像舊版教材一樣在正文中出現，而是放在了節后的“拓展學習”部分。教科書這種留白的處理方式，可以理解為教師根據學生的認知層次，靈活掌握該推導方法的處理方式，對教師教學的實施是一種選擇與挑戰。對于公式的推導方法，傳統教學大致有兩種處理方式：

第一種方式是在保證大部分學生能夠理解的難度下，采用了v-t圖像中速度直線與時間軸所圍成三角形或梯形的面積求位移的遷移類比思想，教學片段流程如圖2所示。

總結：該種方法從物體做勻速直線運動v-t圖像面積表示位移，再到物體連續經歷速率不同的勻速直線運動，v-t圖像面積也可以表示位移，從而類比推理得到勻變速直線運動v-t圖像面積也可以表示位移，進而得出位移-時間關系式。該教學流程的優點在于對于大部分學生難度適中，又留有空間讓有興趣、有能力的學生課后鉆研微元求和思想的推導方法。但是，不利于位移概念的架構和深化，即使搭建了思維臺階——從特殊情況到一般情況的歸納論證推理過程，邏輯上雖然合乎情理，但是過程性豐富度和思想深刻性不夠，不利于學生推理論證思維能力的培養。

第二種方式像舊版教材一樣，新課教學直接采用微元求和思想推導公式，并貫穿以TAP模型論證教學的過程，公式的得出教學片段流程如圖3所示。

第二種論證流程是根據TAP模型歸納出來的主干部分，作為教師教學實施的常規模式。我們運用TAP模型對上述教學片段流程進行詳細分解與闡釋，讓學生進一步體會微元極限思想處理物理問題的思維進階過程，如表2所示。

總結：此教學方式變推導公式為理論探究公式，過程為“熟知模型，給出啟示（資料）”—“提出猜想，給出觀點”—“尋找證據，給出證明（根據、反駁）”—“觀點成立，得出結論（主張）”。此教學方式滲透了極限思想和微元求和思想（積分思想），同時又深化了位移的概念：位移是速度對時間的積累。教師以基本知識點為載體，注重培養學生科學工作中的科學論證意識，以課題論證教學方式呈現，使學生經歷了一個相對完整的科學論證過程，經過演繹推理、邏輯論證使問題得以解決，達到了發展學生科學思維、提升學科素養的目標。很明顯此教學方式比第一種方式的教學生成科學論證能力效果要好。

但是，此教學過程也有不足，極限思想在必修1第一章瞬時速度的知識建構進行了理論滲透，接著在新課教學實驗操作“用打點計時器測量瞬時速度”進行了實驗深化，在第一章的習題鞏固中又相繼用光電門、頻閃照片代替打點計時器進一步遷移深化此思想方法。考慮到高一新生學情特點，并不擅長抽象的邏輯推理，雖然借助了v-t圖像形象呈現，但是這種做法較抽象和概括，對于一部分學生來說難度還是比較大的。對他們來說，純邏輯推理的思維產物，科學性可能還存在疑問。下面我們通過多種形式的實驗論證，為上述的論證過程補充事實根據，增進學生對極限推理的科學性認識。

3.2? ? 多方證據證明教學片段呈現和分析

本著發展學生科學思維核心素養的目標，不急于得出物理結論，教學時更需要注重推理過程的呈現和學生在該過程中科學推理論證能力的提升，注重課堂的自然生成和學生的自主學習活動的開展?？紤]到上文中反駁部分的誤差控制，我們設計驗證實驗來檢驗極限推理觀點的科學性，下面通過三種教學實驗呈現。對于該問題的科學解決過程是不變的，但是在尋找證據的教學環節可以引導學生給出多種方案（圖4）。

實驗一，重物牽引下小車打下紙帶，學生可以從紙帶上選擇從點1至點6過程，計算出圖像中該過程所圍成的面積，和點1至點6的刻度尺所測位移進行比較，誤差允許范圍內二者相等，即打點計時器穩定工作下，觀點得以證明（圖5）。

實驗二，為進一步提升論證的科學性和嚴謹性，我們需要運用更為先進的光電門技術以實現瞬時物理量的精準測量。如圖6所示，運用光電門測重物牽引下小車經過光電門1和光電門2的瞬時速度，學生選擇小車從光電門1運動到光電門2的過程研究，將經過光電門1、光電門2的速度和整個過程的時間標在圖像中，計算“面積”和刻度尺測量光電門1和光電門2間的位移進行比較，誤差允許范圍內，觀點得以證明。

總結：核心素養引領下結合圖爾敏TAP論證模型進行的教學優化，教學呈現為“熟知模型，給出事實依據”—“提出猜想，給出觀點”—“尋找證據、理論和實驗的多方證明”—“觀點成立，得出結論”—“實踐關聯，遷移拓展”的基本過程。教師有意培養學生科學工作中的科學論證意識，使學生意識到理論證明和實驗證明是解決物理學問題常用的方法［6］。有的問題可能需要多種方法并用，比如伽利略的理想斜面實驗就是“實驗事實+合理推理”，使學生在今后的學習中根據自己需要解決的問題來合理尋找和使用證據，達到更高的論證能力水平層級。

本優化教學流程是以科學思想和方法（極限思想和微元求和的方法）為抓手，注重科學思想和方法的滲透，注重推導過程的嚴謹性和科學論證意識，引導學生大膽猜測，多方論證。首先用抽象的邏輯推理進行證明，再分組討論設計實驗方案進行實驗論證，實驗不僅論證了“面積等于位移”觀點，也論證了微元求和方法的科學性，更易于遷移拓展推廣到一般的、更復雜的直線運動位移的求解，概括性更強。優化后的教學方式多樣，能兼顧到大多數學生的學情程度，讓學生直觀感受物理求證的科學性，促進其知識架構和論證思維螺旋式上升發展，最終實現發展物理觀念的同時鍛煉科學思維，真正提升學生運用物理知識和規律進行科學探究的能力，培養學生講求證據、求真務實的科學態度與責任，達成學生核心素養的全面提升。

實驗三作為課下興趣拓展，本文不再贅述。對于本單元的“自由落體運動”一節課，我們仍然采用圖爾敏TAP論證模型進行新課教學的重構（圖7）。“自由落體運動”是勻變速直線運動的典型實例，新課標既明確要求學生掌握自由落體運動規律，又要求掌握“實驗驗證與邏輯推理相結合”的科學思想方法，注重在課程教學中發展學生科學推理論證能力，進而達到發展學生學科科學思維的目標。

部分教師對本單元的絕大部分處理是：在新課教學時急于拋出計算公式，緊接著在課堂上花大量時間應用公式進行做題訓練，這其實是本末倒置的。我們教師教學實施當中更應該將課堂重點放在架構知識的過程和科學思想方法上，進而設計出多樣的學生課堂活動，使學生潛移默化地達到知識的深化和思維的進階發展，發展學生的科學思維能力，助力落實核心素養。

4? ? 結? 語

基于新教材、新課程標準的指導作用以及物理學科的特點，教師教學應以學生為中心，讓其經歷培養物理科學思維能力的過程，最終落實到物理教學任務，提倡在教學中經常從學生的角度出發不斷反思和優化教學。在物理教學中，在引導學生建立模型之后，用自己掌握的知識和方法解決未知問題時，需要引導和鼓勵學生依據事實和所學大膽給出觀點，并用多種方法尋找證據支撐，培養用已知解決未知的論證與創新能力，以提升學生的科學思維能力。

參考文獻：

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

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［3］鄧陽.科學論證及其能力評價研究［D］.武漢：華中師范大學，2015：51-54.

［4］徐嘉君，丁聰，朱巧萍.科學論證視角下的物理高考試題分析——以2022年全國乙卷第24題為例［J］.物理教學探討，2022，40（10）：36-39.

［5］朱可，桑芝芳.提升學生證據意識的物理教學策略探討［J］.物理之友，2019，35（11）：6-7，13.

［6］張興龍，張羽燕，翟磊.基于證據意識的物理核心素養培育［J］.教學與管理，2021（19）：56-58.

［7］姚華鑫，閆俊卿.2023年湖南省高考物理壓軸題評析、溯源與拓展［J］.理科考試研究，2023，30（21）：32-36.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2024-01-04

作者簡介：林云強（1990-），男，中學一級教師，主要從事中學物理教學與高考試題研究。

*通信作者：楊師杰（1966-），男，教授，博士生導師，主要從事凝聚態物理與物理教材編寫研究。