科學論證促進能量守恒概念的理解

摘" "要：科學論證是物理學科核心素養(yǎng)中的科學思維的要素。依托科學論證的ADI（The Argument—Driven Inquiry）教學設計模型，設計“機械能守恒定律”的教學案例。利用Tracker視頻跟蹤分析軟件分析真實的運動視頻，為科學論證提供了證據(jù)，并通過理論推導、交流反思等學習過程，促進機械能守恒概念的理解。

關鍵詞：科學論證；機械能守恒；Tracker 視頻分析

1" 科學論證及ADI教學設計模型

科學論證是指擁有同一信念并有興趣實現(xiàn)同一目標的科學共同體，圍繞一個科學或社會性科學議題（或問題），收集特定信息形成證據(jù)，并基于證據(jù)運用一定的論證方法進行解釋或評價不同觀點，最終達成共識（統(tǒng)一結論）的活動[ 1 ]。科學教育者認為科學論證不僅是科學本身的有機組成部分，也可以作為一種學習途徑，促進學生的科學學習，幫助學生自如、自發(fā)地運用科學證據(jù)進行推理論證，形成并不斷改進自己的科學解釋，由此實現(xiàn)培育具有科學素養(yǎng)公民的目標[ 2 ]。在我國的《普通高中物理課程標準》中，科學論證也受到重視，將其作為科學思維素養(yǎng)的重要內容。教育研究者將理論和教學實際相結合，提出并實踐了多種教學模型[ 3 ]，目前比較流行的科學論證模型之一是ADI（The Argument—Driven Inquiry）模型。ADI是以“證據(jù)-解釋”為教學路線的教學設計模型，這種模型將科學論證與科學探究有機地集合，以論證為主線，將問題的確立、證據(jù)的甄別及提取、觀點的提煉與表達等融入教學[ 4 ]，其模型如圖1所示。

2" “機械能守恒”教學設計

“能量守恒”是物理教學中的大概念（Big idea）。作為能量的轉移、轉化和守恒下的一個特殊情況，機械能守恒及其守恒的條件對能量守恒這個大概念有極其重要的意義，有助于完善學生的認知結構，加深更上位的概念的理解。本教學案例把科學論證作為一種學習手段，利用ADI教學設計模型，幫助學生有意義地建構和理解機械能守恒的概念，從而促進有效學習。

2.1" 本案例的教學設計流程

首先給學生設立物理情境，讓學生能夠體驗經(jīng)歷并由此提出物理問題。其次，根據(jù)物理問題，在學習資源中尋找物理證據(jù)，并以這些證據(jù)來論證自己的觀點，再進行討論辨析，讓學生充分交流，確立證據(jù)與觀點之間的關聯(lián)，再進行反思、修正等最終得出觀點。再次，在正確的觀點基礎上進行提升，形成物理規(guī)律。最后將這些概念、規(guī)律應用于設立的物理情境，將科學論證得出的觀點與物理情境中的事實進行一致性驗證，并用物理規(guī)律解決實際問題[ 5 ]。本案例教學設計流程如圖2所示。

2.2" 教學過程

2.2.1" 設置情境，引出任務與問題

演示實驗：教室懸掛一個直徑250 mm的金屬球，大約籃球大小，上課前就引起了學生極大的興趣。課堂上請學生體驗經(jīng)典的“碰鼻子”的挑戰(zhàn)，將金屬球拉到學生鼻子處由靜止釋放，鐵球幾乎回到原處，觀察學生的反應。

提出問題：有沒有碰到鼻子呢？

師生互動：學生用自己語言分析，提出金屬球會回到或略低于原始高度，不會碰到鼻子，并不需要躲閃。教師引導學生回顧伽利略理想斜面實驗，小球從斜面滑下，滾上另外一個斜面，小球會回到原來的高度或者略低于高度，和學生活動“碰鼻子”挑戰(zhàn)類似。這兩個過程都涉及到物體重力勢能和動能的轉化。但在轉化的過程，物體都回到了原來的高度，猜測動能和重力勢能的和“始終”保持不變。引導學生意識到現(xiàn)象的背后需要大量的思考、實驗、推理才能發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。

設計意圖：設計物理情境，引導學生體驗活動和觀察實驗，提出問題讓學生把原始的想法通過語言表述出來，激發(fā)學生學習興趣，將課堂主題確定到機械能的轉化與守恒。

2.2.2證據(jù)收集：利用Tracker軟件分析單擺的機械能

接下來需要通過定量的實驗來收集證據(jù)，以驗證猜想。本節(jié)課采用了Tracker視頻跟蹤分析軟件。該軟件在視頻拍攝過程中對物體運動不會產(chǎn)生影響，能分析許多實際的運動，不受實驗器材與環(huán)境的限制。如圖3所示，通過Tracker獲取小球運動過程中的位置、速度等物理量，將獲得的實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析，初步得到過程中動能和勢能之和基本保持不變的結論。

設計意圖：利用Tracker視頻跟蹤分析軟件，引導學生對實驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，定量驗證機械能守恒的猜想。

2.2.3數(shù)據(jù)分析初步論證：理解機械能守恒的條件

學生實驗：學生參與實驗，對比金屬球、乒乓球的擺動。

提出問題：乒乓球的機械能守恒嗎？分析為什么乒乓球沒有回到原來高度，通過對比總結機械能守恒的條件是什么。

師生互動：學生描述實驗的結果，乒乓球沒有回到原來高度，說明乒乓球的機械能不守恒。學生利用已有知識分析可以得出：金屬球的運動過程中，只有重力做功，實現(xiàn)動能和重力勢能的相互轉化，機械能守恒。乒乓球在運動過程中由于阻力的存在，機械能不守恒。

設計意圖：讓班級所有學生投入到金屬球、乒乓球的對比實驗中，充分調動學生參與課堂活動。通過兩個實驗現(xiàn)象的反差，引發(fā)學生思考、討論，并由學生自己的語言初步總結機械能守恒定律條件，促進了機械能守恒概念的形成。

以上討論的機械能守恒僅限于動能和重力勢能兩者之間的轉化。

2.2.4" 討論與反思：理論證明

通過具體運動得到的初步結論，利用理論證明推廣到更一般情況。

學生活動1：證明只有重力做功，動能和重力勢能相互轉化，動能和重力勢能之和始終保持不變，機械能守恒。

建模：如圖4所示，設小球在運動過程中，經(jīng)A位置時動能為E_kA，重力勢能為E_PGA，經(jīng)B位置時動能為E_kB，重力勢能為E_PGB 。

學生活動2：在圖5的情境中，證明球的動能和彈簧的彈性勢能的和保持不變。

學生活動3：在圖6的情境中，證明球的動能、重力勢能和彈簧的彈性勢能的和保持不變。

設計意圖：從理論上，將具體運動的初步結論推廣到更一般情況。在學生活動1中，為了降低學生理論證明的難度，教師提供物理模型。在學生活動2和3中利用類比的思想，證明包含彈性勢能的系統(tǒng)機械能守恒，把原有的知識遷移到更復雜的問題情境中去，達到觸類旁通，舉一反三的效果。至此，課堂討論的主題擴展到包含動能、重力勢能、彈性勢能三者轉化的情境中。

2.2.5補充證據(jù)

在理論證明的基礎上，如圖7所示再次利用Tracker視頻分析軟件，分析豎直方向彈簧振子的運動視頻。如圖8所示，利用表格、圖片形象地展示出振子的重力勢能、動能和彈簧的彈性勢能隨時間變化非常的復雜，但是有一條規(guī)律始終支配著：他們三者的和保持不變，即機械能守恒。

設計意圖：補充證據(jù)，再次確立觀點與證據(jù)之間的關聯(lián)，促進對結論的反思、修正。

2.2.6修正觀點，得出結論：機械能守恒的規(guī)律和應用

通過學生實驗、理論證明、數(shù)據(jù)分析等不同方式科學論證，引導學生得出機械能守恒定律：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內，動能與勢能可以相互轉化，但機械能的總量保持不變，這叫做機械能守恒定律。

表達式1：E_K1+E_p1=E_K2+E_p2

表達式2：△E_K+△E_p=0

應用1：判斷以下運動過程中，機械能是否守恒？

提出問題：如表1所示，生活中的實際運動，比如跳傘、滑雪、蹦極，可以抽象出哪些物理模型？這些物理模型中，物體機械能守恒嗎？你判斷的理由是什么？在第三個情境中，小球（及地球）的機械能守恒嗎？小球（及地球）、彈性繩所組成的系統(tǒng)機械能守恒嗎？討論機械能守恒時，應注意什么？

應用2：如圖9所示，把一個小球用細繩懸掛起來，就成為一個擺，擺長為l，最大偏角為θ。空氣阻力忽略不計，小球運動到最低位置時的速度是多大？嘗試用多種方法解決此問題，并比較各種方法。

設計意圖：利用任務驅動，逐步理解并總結機械能守恒的判斷方法，定量應用機械能守恒解決問題。在應用1中，將實際問題抽象為物理模型進行研究，培養(yǎng)學生從物理學的視角認識身邊的事物和現(xiàn)象的習慣，提升運用物理知識解決實際問題的能力，提升建構模型的能力。尤其應用1中第三種情境，使學生意識到判斷機械能守恒時，要指明研究問題的系統(tǒng)。應用2中，通過機械能守恒定律不同的表達式解題，更好地理解機械能守恒定律，并深刻領悟用機械能守恒定律解決問題的優(yōu)越性。

2.2.7反思：突破機械能守恒

提出問題：回歸到課堂最初的問題，乒乓球的運動過程中機械能不守恒。定性分析，為什么機械能不守恒？定量思考，機械能的變化量ΔE等于多少？

設計意圖：引導學生對比和思考，分析機械能守恒的條件和機械能不守恒的原因。同時使學生領悟到機械能既不可能憑空產(chǎn)生，也不會無緣無故消失。通過對守恒思想的進一步總結概括、明確尋求守恒量是物理學研究的重要方向和思想方法。

3" 結語

本教學設計圍繞機械能守恒的話題，學生通過定性、定量實驗收集證據(jù)，運用推理論證，形成并不斷改進自己的科學解釋并最終達成機械能守恒的共識。教學過程中將學生視為課堂的主體，注重學生的討論度，提升學生的交流能力；重視學生課堂的參與度，確保學生學習物理知識的有效性。將科學認證作為一種學習途徑，運用定性實驗、定量數(shù)據(jù)、理論推導等多樣化科學論證方法，提高了科學論證的嚴謹性，有效地培養(yǎng)學生科學論證核心素養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ Jonathan Osborne．Arguing to learn in science：the role of collaborative，critical discourse [J]．Science，2010，238（5977）：463-466 .

［2］ 馬永雙，章之暢．科學論證學習模型的建構與實踐建議[J]．課程·教材·教法，2024，44（4）：125-132.

［3］ 彌樂，郭玉英．滲透式導向的兩種科學論證教學模型述評[J]．全球教育展望，2017，46（6）：60-69.

［4］ 江險峰．基于科學論證素養(yǎng)提升的高中物理教學設計：以“靜摩擦力”教學為例[J]．物理教師，2024，45（2）：28-31.

［5］ 黃國龍．構建實施科學論證教學模式培養(yǎng)學生科學論證核心素養(yǎng)[J]．物理通報，2020（6）：50-54.