基于真實情境的科學問題 培養證據意識

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標\"在課程內容中特別強調“要創設學生身邊熟悉的情境，啟發并引導學生對真實情境中的物理問題進行思維加工，概括它們的共同特征等”1]，這就決定了考查學生解決問題的載體是情境，在真實情境中提出與物理相關的有價值的科學問題，對提出的有價值的科學問題進行思維加工的過程是培養證據意識的主要途徑。因此，在課堂教學中，要重視真實情境的創設，并對情境及其中蘊含的問題進行深人研究，這是強化學生解決實際問題的綜合能力2，提升核心素養的必要途徑之一。

對真實情境中有價值的科學問題進行思維加工，概括它們的共同特征及本質屬性在人們頭腦中的科學反映的過程就是概念建構的過程[3]，在概念建構的過程中，培養證據意識是學生關鍵能力之一。基于以上背景，特提出“基于真實情境的科學問題，培養證據意識”。它強調在概念建構過程中，不是通過背誦概念、刷概念題，而是以在真實情境中對提出的有價值的科學問題經歷概念建構的過程，理解概念形成的來龍去脈，用建構的概念去解決真實情境中的問題，通過舉一反三、遷移應用來培養證據意識。因此，在概念建構過程中培養證據意識，首先要在真實情文章編號：1003-6148（2025）6-0019-4境中提出與概念相關的有價值的科學問題，其次，要有支持提出的科學問題的證據，從真實情境中提出科學問題，需要培養證據意識，整個過程是科學思維不斷參與的過程，培養證據意識的本質就是要將學生培養成能夠獨立思考和自主解決實際問題的人[4]。

1基于概念建構分析問題，培養證據意識的內涵分析

概念建構過程是以真實情境為載體，對提出的有價值的科學問題進行從現象到本質的思維過程，是揭示某一類物理現象及其規律、運動過程的共同特征及本質屬性在人們頭腦中的科學反映。然而，由于學生對基本概念的理解模糊和對知識結構的認知障礙，經常受到問題表象的影響。這會導致他們難以捕捉問題的本質與關鍵之處，對概念的理解僅停留在生活中的“前概念”，在運用概念解決問題時易受前概念認知誤區的影響。教師在授課中直接拋概念、講概念、談概念，學生在學習時對概念反復背誦、機械刷題，直接弱化了學生對概念的理解與應用，導致學生直接忽視對概念建構過程的理解，以及對知識結構的有序建構，當面對真實情境中的問題時，就會顯得無從下手、生搬硬套、無所適從，更別談遷移應用解決實際問題。

圖1是基于概念建構分析問題，培養證據意識的基本過程。在此過程中可以看出，基于真實情境引起感性認知是概念建構的基礎；對感性認知進行抽象、描述及概括并提出有價值的科學問題是概念建構的關鍵；對科學問題進行分析，去除額外因素的過程中處處需要有證據支持，這是概念建構的核心。經過此過程建構的概念僅僅是概念本身，還需要在科學思維指引下對概念進行遷移評價，形成真正意義上的概念，并將建構的概念應用于物理實際問題的解決，培養科學思維能力，進而提升核心素養。

2基于概念建構分析問題，培養證據意識的基本模式

概念建構過程是在真實情境的基礎上提出有價值的科學問題，并在科學問題的指引下將證據不斷參與并融入其中的過程。在此過程中，需要逐漸層層揭示客觀事物中某一類物理現象的共同特征及本質屬性在人們頭腦中的科學反映。因此，概念建構需要以學生的認知特點為基礎，以證據不斷參與為過程，處處彰顯證據意識，形成處處有證據、堂堂有證據的課堂教學模式5。為此，本文以證據不斷參與為主線，按照“真實情境、科學問題、證據意識\"的概念建構的教學方式進行設計。基于概念建構分析問題，培養證據意識的基本模式如圖2所示，在整個概念建構的過程中，真實情境是基礎，提出科學問題是關鍵，培養證據意識是核心，最終實現概念建構的完美實現。

3基于概念建構分析問題，培養證據意識的案例分析

著名教育家馬卡連柯認為，“學生不能靜坐在位置上等待知識的自然出現，教師必須根據學生的認知、動機、情感等外部環境去激發學生對學習產生興趣”，這就決定了創設真實情境對激發學生感性認知[，提出有價值的科學問題的重要性，有了科學問題才能伴隨證據的不斷滲透，這就要求在概念教學中要處處有證據意識，這樣才能建構出科學概念。為此，鑒于以上邏輯關系，以“力臂概念\"建構為例，通過創設真實情境、提出科學問題、培養建構概念的證據意識，

力臂教學現狀分析：初中物理力學學習中不可避免地涉及杠桿知識，杠桿學習中一個較為抽象、不易理解的概念是力臂。由于力臂是杠桿五要素中最抽象的一個要素，教師不易建構，學生不易理解，導致力臂概念往往是采用數學方法上的垂直作圖，甚至一帶而過的短路化教學，嚴重忽視力臂概念形成的來龍去脈，嚴重導致學生只會垂直作力臂，根本不會變通，屬于淺層學習，無科學思維的參與，更別談遷移應用解決實際問題。為此，下面以真實情境為載體進行概念建構并分析問題，培養證據意識。

力臂概念建構過程分析：

真實情境1：如圖3所示，中國空間站是我國航天事業發展的新型領域之一，融合了力學、熱學、電學、光學等多個物理學領域的知識，向全世界展示了中國智慧、中國創造、中國力量，其中的機械臂是初中物理杠桿學習的知識。為了研究杠桿中的機械臂，可以從最簡單的杠桿開始研究，如生活中較為常見的開蓋扳手（以下簡稱“扳手”就是一根杠桿。

準備器材：扳手一個，未開封的啤酒一瓶。

原理分析：平衡狀態分析，二力平衡條件，力的三要素。

科學思維分析：證據意識分析，建構思維分析，提出科學問題分析。

概念建構過程分析，培養證據意識。

真實情境2：教師出示事先準備好的未開封的啤酒瓶，問誰能將啤酒瓶蓋打開，學生都搖頭表示不能，但是學生無一例外都想到了用扳手，這樣可以輕松打開瓶蓋。

演示實驗：選擇兩個學生作為代表到講臺上進行演示，如圖4所示，其中一個學生（甲）用扳手慢慢撬瓶蓋，另一個學生（乙）對扳手進行受力分析，班級其他學生同時參與受力分析。

對扳手進行受力分析：要開啟瓶蓋，手作用在扳手上向上產生一個力，這樣會對瓶蓋產生向上的力 F^′ ，根據力的作用是相互的，瓶蓋會對扳手產生向下的力 F

杠桿有關要素分析：使用扳手來撬開瓶蓋，選擇扳手為研究對象，扳手在物理學中可抽象為杠桿（在力的作用下可繞固定點轉動的硬棒），介紹杠桿中的幾個要素，其中手作用在扳手上的力定義為動力 F₁ （手與扳手接觸點定義為動力作用點），瓶蓋阻礙扳手運動的力定義為阻力 F₂（ 扳手與瓶蓋接觸點定義為阻力作用點），扳手與瓶蓋接觸并繞其轉動的點定義為支點 o 。

提出科學問題1：以扳手撬瓶蓋處于平衡狀態為例，作用在扳手上的動力 F₁ 與阻力 F₂ 在大小、方向、作用點上有什么特點呢？只有動力 F₁ 與阻力 F₂ ，扳手是否處于二力平衡呢？

證據分析1：以扳手撬瓶蓋為例，由于扳手只受到兩個力的作用且保持平衡，用二力平衡知識對扳手進行受力分析，用證據分析提出的科學問題1。

大小方面：手對扳手的動力 F₁ 與瓶蓋對扳手的阻力 F₂ 大小不等，很明顯是 F₁2， 因為徒手掰不開瓶蓋，借助扳手即可輕松撬開，很明顯扳手撬瓶蓋是很省力的。

方向方面：動力 F₁ 可能斜向上（只要向上即可撬開瓶蓋），阻力 F₂ 向下，兩個力的方向也可能不相反。

作用點方面：動力 F₁ 與阻力 F₂ 都作用在扳手上。

扳手處于平衡狀態，而扳手受到的動力 F₁ 與阻力 F₂ 大小不相等、方向也不一定相反，此時的現象與之前學習的二力平衡的條件產生認知上的沖突，引起學生陷入深度思考之中。

提出科學問題2：從上述現象分析可知，之前學習的二力平衡的條件是否有誤？是否還存在未知影響因素？

證據分析2：上述對平衡狀態下的扳手受力分析，與二力平衡的條件不相符，說明影響扳手平衡的不僅僅是動力 F₁ 與阻力 F₂， 還有一個無形的因素在影響扳手的平衡，于是順水推舟地引入力臂概念，即支點 o 到力的作用線的距離稱為力臂，這里的力臂分為動力臂 l₁ 與阻力臂 l₂ 。

這樣的力臂概念建構，既讓學生認識到力臂是影響杠桿平衡的一個重要因素，又使學生認識到力臂是無形的、抽象的，但的確是存在的，可以通過幾何上作支點 o 到力的作用線的距離來

認識。

提出科學問題3：認識了杠桿中的力臂概念，以圖4扳手撬瓶蓋為例，作簡化圖（圖5），在圖5中作出杠桿的五要素，即動力 F_lv 動力臂 l_1? 阻力F_2? 阻力臂 l_2， 支點 ∣O ，請問作圖需要注意什么細節性問題？

證據分析3：由于力臂是抽象的、看不見的，因此，需要用虛線作力臂；由于在杠桿中會同時出現動力臂 l₁ 和阻力臂 l₂ ，因此需要在作出的力臂圖線上標出哪段是動力臂 l₁ ，哪段是阻力臂 l₂ 再者，由于 F₁2 ，力的示意圖中長短表示力的大小，因此，在作本題中的力臂時，動力臂 l₁ 的長度要比阻力臂 l₂ 的長度長。

提出科學問題4：學習物理知識是為了應用到生產生活中，力臂概念的學習也不例外，請列舉力臂概念的應用？

證據分析4： ① 中國空間站中的機械臂就是由一個個杠桿組成的，其中要保持平衡就需要長短不同的力臂參與合作。

② 人之所以能夠用扳手將啤酒瓶蓋撬開，就是因為人手作用在扳手處的力臂較長。

③ 圖6是古埃及金字塔建設的部分場景，在當時的條件下，之所以能夠建成如此宏偉的金字塔，基本依靠的是杠桿，圖中圈出多個較長的杠桿，這個類似于扳手，主要是能夠省下很多的力，這就是力臂長的奧秘。

遷移應用：古希臘偉大的物理學家阿基米德有句名言，“給我一根足夠長的桿和一個立足點，我可以撬動地球”（圖7），這是他的豪言壯語，他為什么敢這么說？請說出其中蘊含的物理原理。

4 結束語

真實情境中蘊含大量可供探究的物理問題，任何一個問題的背后都有大量證據的支撐。因此，培養證據意識是課堂教學，特別是概念建構的本質所在，更是科學思維能力培養的途徑之一，實現育人目標的根本宗旨。培養證據意識絕非簡單地讓學生死記硬背物理概念，而是引導學生親身經歷概念的形成過程，清晰地把握知識的來龍去脈。通過這樣的學習方式，學生可以深入理解物理概念的外延和內涵，而不是僅停留在表面。同時，培養證據意識也是培養科學思維能力的重要路徑，有助于學生學會獨立思考，全面分析問題，有效解決問題，進而為學生的成長筑牢基礎。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：5.

[2]徐文杰.基于情境問題解決培養模型建構能力—以“彈簧振子和單擺”為例[J].物理教師，2024，45（3）：11-16.

[3]馮杰.物理概念教學與物理規律教學之差異性探討[J].

物理教師，2020，41（1）：1-7.

[4]郭振強.基于證據課堂下概念教學的科學建構[J].中學物理，2022，40（4）：9-12.

[5]楊明.概念教學切莫\"偽建構”—[J].中學物理，2021，39（12）：57-59.

[6]陳月英.基于科學思維談概念建構的基本方法——以“力臂\"概念教學為例[J].中學物理教學參考，2021，50（33）：46-48.

（欄目編輯 趙保鋼）