基于科學論證涵育科學思維的課堂教學實踐

【摘 要】以“光電效應”教學為例，從科學論證與批判性思維的關系出發，以圖爾敏論證模式為支撐，整合教材，創新實驗，以情境為載體設置沖突，結合嚴謹的科學論證活動，讓學生親歷光電效應規律的發現過程，在科學論證過程中深化對概念和規律的理解，提高學生的科學論證意識和能力，以達到涵育科學思維的目的。

【關鍵詞】高中物理；科學論證；科學思維；課堂教學

【中圖分類號】G633.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2024）43-0015-04

【作者簡介】祁紅菊，江蘇省奔牛高級中學（江蘇常州，213131）教師，正高級教師，江蘇省物理教學名師。

在基礎教育中，科學思維能力包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等組成部分，但其中的“科學論證”能力，在實際教學中最易受到忽視。科學論證活動的展開往往以教師為主，以科學論證涵育科學思維能力的教學設計相對較少。而科學論證已被普通高中物理課程標準納入學科體系，成為物理學科素養中科學思維的一個核心組成部分，其重要性不言而喻。

批判性思維要求能夠基于事實證據進行科學推理，并能對不同觀點和結論提出疑問，結合論據進行科學論證，批判、檢驗和修正結論，強調不盲目地接受，也不盲目地否定。科學論證是以已有證據為基礎，借助證據和邏輯推理獲得的理論依據支持自己的主張、反駁他人觀點的科學探究活動。［1］論證就是要培養“有批判性思維的人”，因此將科學論證引入物理課堂，能夠使學生經歷類似科學家思考問題的過程：通過提出主張、尋找證據、質疑、辯駁等論證過程最終得出科學結論，從而促進學生批判性思維能力的發展。

目前受到較多關注的是“圖爾敏論證模式”，該模式提供了科學論證的基本流程，包含主張、依據、理由、支援、反駁和限定詞六個要素。科學論證開始于一個特定的“主張”，即想要證明和確立的結論；支持主張的數據、事實和證據即為“依據”；起到橋梁作用，架設于依據和主張之間的規律和普遍性原則即為“理由”；而“支援”是對理由進行支撐的必要闡述；“限定詞”指的是主張成立的條件和范圍；同時，理由也需要通過“反駁”進行進一步的“證實”或“證偽”。［2］本文以人教版高中物理選擇性必修第三冊“光電效應”的教學為例，談基于科學論證涵育科學思維的課堂教學策略。

一、“光電效應”設計思路

本節內容是從經典物理學到量子物理學的重要銜接。光電效應現象是光具有粒子性的關鍵證據，愛因斯坦用量子論觀點對光電效應現象所作出的解釋，是對前自然觀和舊思維方式的重大變革，為人類打開了一扇嶄新的科學大門，開創了全新的科學領域。因此，本節課蘊含了物理觀念的形成、猜想論證的實驗探究和質疑創新的科學思維等多種核心素養要素。但對學生而言，在系統掌握了經典的物理理論，建立了能量連續性的經典物理觀念以后，再改弦易轍，去接受“匪夷所思”的量子觀念是非常困難的，這相當于在學生和新知識之間隔了重巒疊嶂。并且光電效應的實驗現象和規律比較復雜，要從現象中歸納分析，厘清實驗規律，并嘗試用新理論來解釋新的現象，對學生來說也是一個極大的挑戰。

為此，筆者嘗試以圖爾敏論證模式為支撐，針對教學內容進行創新設計，教學設計的思路如圖1所示。

二、“光電效應”設計策略

（一）情境再現，誘發思維沖突

重演赫茲驗證電磁波實驗，實驗裝置如圖2，高壓電子感應圈與兩個金屬板相連構成電磁波的發射端，另兩個金屬板分別連接金屬針作為接收端。

現象：在紫外線的照射下，負電極更容易產生電火花。

教師引導學生針對現象提出疑問，并將學生的問題歸類梳理引出本課要探究的三個任務：放什么電？有什么規律？如何解釋？

【設計意圖】導入論題，是科學論證的首要任務。本節課的導入，重溫了歷史上經典的物理實驗——赫茲的驗證電磁波存在的實驗。學生通過對放電現象的觀察，產生了一系列的思維謎團，隨著這些謎底在課堂上的逐步揭開，可生成科學思維的一般思路和方法。赫茲的這個實驗看似與本節課的教學內容無關，但從科學思維“邏輯性原則”和“歷史性原則”的視角來看，這樣的引入方式卻令學習過程回溯到了問題發生和發展的“本源”，使學生的學有了源頭和根基，讓學生產生身臨其境的體驗感和基于真實思維沖突的研究欲望，并提出了諸多論題及猜想。

（二）搜集證據，尋求思維支撐

1.實驗探究逸出何種物質

學生活動：自主設計實驗方案，選用器材如圖3所示（紫外燈，鋅板，驗電器），最后得出結論：從鋅板逸出的是負電荷。

教師繼續演示：用玻璃罩住紫外燈，觀察驗電器張角情況。

得出結論：用紫外線照射鋅板時，從鋅板向外逸出帶負電的粒子。

教師啟發引導學生繼續研究，可以通過測得比荷的方法得出它是電子。

最后總結結論：在光的照射下，從物體發射出電子的現象叫作光電效應。發射出的電子叫作光電子。

【設計意圖】科學論證必須建立在真實問題的基礎上，科學思維才能得到有效的培養。在探究“光電效應逸出的是何種粒子”這個環節中，教師并沒有直接進行實驗演示，而是讓學生通過積極思考，自主設計相應的實驗方案，并結合選定器材進行實驗探究，將學生置于科學研究者的角色上，在真實任務情境中培養學生的科學思維，以及發現問題和解決問題的能力。并且，課堂演示也并沒有預設成一次就實驗成功，當紫外線照射鋅板時，驗電器張角并沒有張開，學生繼續尋找解決方案，直到成功演示，展現了科學研究過程的不確定性和曲折性。真實的研究體現了富有思維障礙和沖突的學習過程，發展了學生的科學思維能力。

2.實驗探究光電效應規律

活動一：學生自主設計電路，得出初步探究方案，并用光電管、干電池、蜂鳴器、濾光片、手電筒等進行簡單體驗。學生得出結論：光電效應是瞬時發生的，且當入射光頻率增大到某一數值時，才有光電子發出，這種現象與光強無關。在入射光的頻率一定的條件下，光的強度越大，電流越大。

活動二：教師展示光電效應實驗電路板（見圖4），微安電流表和電壓表均為數字式電表，黑盒子中是光電管，左側有一透光孔。

演示：紫光照射，未加電壓時，電流不為0。教師引導學生思考該現象產生的原因。學生分析得出：電子逸出金屬表面時具有一定的初速度，因此即便不加電壓也有光電流。

教師引導學生分析得出要想使電流為0，加反向電壓并調大電壓即可，并現場演示。

繼續分兩種情況演示：頻率一定，選擇強紫光和弱紫光，增大電壓U，用數字傳感器觀察光電流隨電壓的變化規律（見圖5）；改變頻率，即再選擇一定強度的綠光演示。

觀察實驗圖像，學生總結規律：存在飽和光電流和遏止電壓，且光的強度越大，飽和電流就越大。

教師引導學生思考飽和電流和遏止電壓存在的原因，最后得出遏止電壓與最大初動能之間的關系。

【設計意圖】新主張的產生，是基于事實、數據和證據。“探究光電效應規律”的環節，既是本節課的重點和難點，也是搜集“依據”的重要過程。教師創設了一個主體能動的教學環境，先是通過一個簡易的實驗裝置讓學生初步感知規律，接著再通過數字式電表與DIS傳感器演示實驗，結合層次性和遞進性的問題鏈，引導學生分析和推理，最后總結得出規律。本環節的教學設計，不僅實驗過程讓學生參與，實驗結果交由學生分析，讓學生自己去發現和領悟，而且收集了較為充分的實驗數據和事實，為新主張的提出奠定了堅實基礎。

（三）確立主張，體悟思維過程

思考與討論：按我們之前對光的認識“光是電磁波，攜帶了能量”，你認為有哪些跟光電效應現象相違背的方面？

學生討論得出用經典電磁理論解釋光電效應的困難。

教師繼續拋出兩個問題供學生討論：1.當傳統的理論無法解釋現象時，那就需要創新，你能提出新的主張來解決這些疑難現象嗎？比如瞬時性？你認為這類似于我們前面學過的什么模型？2.只認頻率不認強度，說明光的能量與什么有關？為什么電子的最大初動能只與頻率有關？你能聯想此前學過的相關知識嘗試著進行解釋嗎？為什么需要滿足一定的頻率條件，光電效應才能發生呢？

學生再次思考、討論與交流，并建立光子模型。

總結：愛因斯坦受普朗克能量子觀點的啟發，提出了光子說。

問題：仔細研讀愛因斯坦光子說的具體內容，分析光的光子說跟光的電磁說有哪些不同？

教師引導學生理解從經典電磁理論中光的連續性到光的量子化，在認識上發生了質的飛躍，并用愛因斯坦的光子說解釋光電效應的四個實驗規律。

學生閱讀教材文本，尋求支撐光子說正確性的更多實驗證據，如密立根根據光子說測出的普朗克常量h數值跟普朗克根據黑體輻射得出的h數值的比較，及康普頓效應。

最后，教師讓學生在課后查閱資料，搜集整理能證明光子說成立的其他實驗或佐證材料，下節課在班級分享。

【設計意圖】當現有的理論無法解釋實驗現象和事實的時候，往往就是新主張、新理論開始萌芽的時刻，更是科學思維大顯身手的最佳契機。因此在探究光電效應本質的環節，基于學生的視角，以實驗事實為載體，借助已有的知識，通過邏輯推理和演繹，將科學思維方法應用到復雜的情境中去，從而得出新的結論，讓學生體會到豁然開朗、柳暗花明的愉悅之感。另外，根據圖爾敏論證理論，新主張形成后的重要任務之一就是尋求支撐，以證實主張，因為僅靠少數實驗證據，從科學論證的嚴謹性來說，是不能真正保證新主張的正確性的。教師先通過新舊主張的對比讓學生領悟光子說的內涵后，再讓學生嘗試著用新的主張——光子說解釋光電效應的實驗規律，解釋實驗現象的過程其實也是一種“證實”過程，然后再讓學生從文獻資料中尋找支撐光子說成立的更多依據。這樣，既可以培養學生思維的科學性與縝密性，也能讓學生從科學的發展歷史中感受人類文明進步的艱辛和曲折，以及科學家堅韌不拔、尋求真理的科學精神。

（四）完善主張，凸顯思維價值

活動1：學生在已知光子能量和金屬逸出功表達式的基礎上，嘗試推導光電子最大初動能與入射光頻率的關系式，以及遏止電壓Uc與光的頻率ν之間的關系式。

活動2：讓學生畫出Ek-ν圖像和Uc-ν圖像，并指出圖像斜率及截距的含義。

活動3：引導學生認識到光有波動性，也具有粒子性，讓學生閱讀教材，闡述對光的波粒二象性的理解。

【設計意圖】新主張即便被“證實”，仍需不斷完善，在完善中深化，在深化中發展。在本教學環節前，光子說已被“證實”，此時教師設計了三個教學片段，一是讓學生推導出光電子最大初動能和截止電壓隨入射光頻率間的函數表達式。二是要求學生根據表達式畫出最大初動能和截止電壓分別隨頻率變化的函數圖象，并研究圖像斜率和截距的含義。三是基于光既具有波動性又具有粒子性的事實，闡述對光的波粒二象性的理解。三個片段，步步深入，進一步加強學生對光粒子性的理解，同時又不斷螺旋上升發展主張，形成對光本質的新認識——波粒二象性。

本節課以圖爾敏的科學論證模式為教學依據，用研究的過程來優化學習的過程，實現了從“知識積累學習”向“素養發展學習”的課堂轉型：從被動接受到能動實踐、從結論性問題到本源性問題、從知識傳輸過程到研究發現歷程、從簡單化互動到結構化協作，回歸學科本質、尊重主體思維、嚴密科學論證。在課堂教學中，充分挖掘物理學史中的課程資源，借鑒科學家實驗探索的思維歷程，用論證的觀點設計學習、用論證的方式組織學習、用論證的過程促進學習、用論證的內涵豐富學習，展現出“學科時空”與“生活時空”“學科實踐”與“生活實踐”的雙向融合，實現了“聯系現實生活、立足科學論證、探尋科學本質、體悟思維方法”的課堂樣態。

【參考文獻】

［1］胡紅杏.科學論證的本質、價值及教學策略［J］.當代教育與文華，2021，13（2）：42-49.

［2］汪明.圖爾敏論證模型與物理教學的實踐［J］.物理教師，2020，41（12）：9-12.