科学探究中的“证据—解释”

卜春蕾

摘 要：笔者选取典型的碰撞类型，引导学生在课堂上进行科学探究，在探究过程中强调“证据-解释”要素。

关键词：碰撞；不变量；科学探究；证据；解释

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0077-4

科学探究原本指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同方法和途径。现在学生的科学探究则是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。所谓学生的科学探究实际是一种“二次探究”，是对科学家探究工作的“简约复演”。

教学中，我们强调“证据-解释”要素，尝试对科学家的探究过程精简提炼，使主线更加清晰，利用先进的实验仪器，使实验得以简化，以期学生能在较短时间内达成教学目标。

1 “证据-解释”及其特点

“证据-解释”（evidence-explanation）重点突出“分析和解释数据，构建解释”和“获取、评估和交流信息”两个环节，要求学生不但要基于已有的科学知识选择证据，还要能够参与解释的活动，在这个过程中突出对证据的分析和选择能力（批判性思维能力），突出通过证据得到结论的过程。其教学流程如图1所示。

科学探究中“证据-解释”要素有一些关键特征，这些特征并非固定程序，也无需僵化执行。它们分别是：学习者围绕科学问题展开探究活动；学习者获取可以解释和评价科学性问题的证据；学习者根据事实证据形成解释，对科学性问题作出回答；学习者通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出科学性理解的解释，来评价他们自己的解释；学习者要交流和论证他们所提出的解释。

2 教学实例——实验：探究碰撞中的不变量

以碰撞的研究为例，1644年法国物理学家笛卡儿首先提出，把物质的多少（质量）和速度的乘积（即mv）作为物体“运动的量”的量度；到1668年荷兰物理学家惠更斯在研究碰撞问题时提出需要考虑速度的方向性；1687年，英国物理学家牛顿在《自然哲学之数学原理》的巨著中，首次十分明确地定义了质量的概念，紧接着就定义了动量。他说：“运动的量是用它的速度和质量一起来量度的。”由此不难看出，动量概念的提出和定义过程是复杂、漫长的，不太适合在课堂上让学生去“重演”的。一堂课仅有45分钟，在短短的一节课内，需要让学生经历“碰撞”问题探究的过程，并在知识技能上有所获得，在思想方法上有所提升……所以，学生的探究是结合学生目前的认知水平，建立在当前的实验条件下，以典型的碰撞类型展开的实验，以期能在较短的时间内有所感悟，有所收获。

流程一：提出问题

学生应该对碰撞的特征以及碰撞的模型有一定的认识，才能够提出与碰撞相关的问题。从生活实例的展示（例如，汽车安全碰撞测试）到亲身体验碰撞（如图2），体会碰撞的两个特点：作用力大、作用时间短。由车辆的碰撞到小球的碰撞，完成碰撞模型的建立。并通过选择小球的摆放位置，明白了最简单的碰撞是一维碰撞。由图2中所示的碰撞的多变性和撞球入袋的目的性之间的矛盾冲突，提出问题：碰撞过程中是否存在不变量。

流程二：获取证据

演示实验1：两球碰撞情形一

教师：两质量相同的小球，用细绳悬挂，两球球心处于同一水平面。将球1拉开一个角度与球2发生碰撞（图3）。学生观察实验现象发现碰撞中球1失去速度、动能，球2获得速度、动能。

流程三：建构解释

学生猜想

以一维的碰撞展开实验探究，由特殊的碰撞展示，使学生清晰地观察到碰撞现象，即获取所需的证据，基于已有的科学知识，分析证据、建构解释，提出猜想（1）和（2）。

流程四：比较其他的解释

演示实验2：两球碰撞情形二

质量不等，摆角不同的两球对碰后粘在一起，恰碰后静止（图4）。

碰撞前两球的速度大小不等，而碰后速度均变为零，所以在碰撞前后速度和发生了变化；在碰撞前两个小球都具有较大的动能，而碰撞后动能变为零，所以动能之和在碰撞前后也不相等。

流程五：评估交流

碰撞前后保持不变的量不是熟知的速度和动能。

至此，“证据-解释”一个循环，学生围绕着碰撞过程中的不变量是什么展开探究活动，取得阶段性结论：碰撞前后保持不变的量不是熟知的速度和动能。所以，接下来再提出新的问题，开始“证据-解释”的再循环。

再循环流程一：提出问题

我们所要找寻的碰撞前后的不变量，不是我们已知的速度和动能，而这个不变量，也一定只与两物体的质量、碰撞前后的速度有关，是质量和速度的新的组合。否定猜想（1）和（2），却也要借鉴猜想（1）和（2），只考虑速度，忽略质量是不可行的，但又不是质量与速度平方的乘积，引发学生思考，质量与速度还可以怎样组合。从而，提出猜想质量与速度的乘积或者速度与质量的比值。

再循环流程二：获取证据

实验仪器：电子称、小车（两辆）、砝码、普通直轨道、光电门及配套DIS实验系统。

我们要找寻的是碰撞中的不变量，所以定量实验的探究应该体现碰撞的多样性。我们以碰撞后的情形对碰撞进行分类，实验方案也不相同，又由于轨道与小车之间的摩擦，使得测速要求比较高。所以，教师需要引导学生去分析和完善实验方案。但是，不能替代学生制定实验方案。所以，我们选择其中的一种碰撞类型（如碰后同向分离），通过师生的问答互动，使学生意识到巧妙的遮光条的设计（圖5）、合理的光电门与小车的位置关系，才能够达到研究碰撞前后不变量的目的。

小组分工合作完成实验操作，及数据记录（图6）。

再循环流程三：建构解释

每小组根据所测数据及计算结果，得出初步结论。评估和交流各组实验数据和结论（本文中只摘录其中一组数据）。

第一小组：碰后粘在一起运动（如表1）

学生：本组的碰撞类型是碰后粘在一起运动，发生碰撞的两物体碰撞前后的质量与速度的乘积保持不变。

再循环流程四：比较其他的解释

第二小组学生的碰撞类型为碰后同向分离，结论与一小组相同，但第三小组碰撞类型是碰后分离反弹，提出不同意见（如表2）。

第三小组：本组的碰撞类型是碰后分离反弹，未找到碰撞前后不变量。

其他小组：速度的方向不同，取车1原来的方向为正方向，反弹的速度应为负值。

修改v1'為负值后，结果如表3。

学生：本组的碰撞类型是碰后分离反弹，发生碰撞的两物体碰撞前后的质量与速度的乘积保持不变。

再循环流程五：评估交流

学生得出结论：发生碰撞的两物体碰撞前后的质量和速度的乘积之和是不变量。物体的质量与速度的乘积对运动的描述有特殊的意义，且具有方向性。

提出疑惑：碰撞前后的不变量就是碰撞中的不变量吗？

教师解惑：碰撞过程时间很短，很难去研究碰撞过程中“运动量”的变化情况，只能研究碰撞前后“运动量”的变化情况，以期得到碰撞现象的一些规律。这是一种物理学研究的方法。虽然这种方法仅仅从某一些角度、某一些方面对现象进行了研究，不一定是全面的、完备的方法，甚至是有很大局限性的方法。但是，它对于一些物理现象的特征的研究仍然是有效的。

3 对于“证据-解释”的思考

“证据-解释”从学生已有的科学知识出发，既有普遍的实验现象的呈现，又有特殊的实验现象的凸显；既有学生自主的建构解释过程，又有互助的评估和评价过程。在这个过程中，学生能够积极参与获取证据、形成解释的活动，通过对证据的分析和选择，提高批判性思维能力，通过评估交流、修正得到结论，提高归纳总结能力。在“实验：探究碰撞中的不变量”的实验中，强调“证据-解释”要素，学生经历了两个“证据-解释”的循环，螺旋式上升，一步步逼近，最后得出结论。如何在其他课题中强调“证据-解释”要素，还有待我们更多地去实践。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]唐果南.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5教师用书[M].北京：人民教育出版社，2010.