提升学生科学论证能力的课堂教学实践案例

张春丽 袁光秀

摘 要：本文基于《高中物理课程标准》中提出的学科核心素养和相关理论，以“重力势能”这节概念课为例，通过若干教学片断，呈现了提升学生科学论证能力的物理课堂所具备的特征，为中学物理开展论证教学提供了参考案例。

关键词：提升；科学论证能力；教学实践；案例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0004-4

2017年底，我国教育部颁布了最新修订的《普通高中物理课程标准》[1]，该标准明确提出“科学思维”是物理核心素养的主要内容，并进一步说明“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。“科学论证”首次明确写进我国的物理课程标准当中。基于科学论证的重要地位，采用论证方式展开教与学的活动，已成为当前国际科学教育研究的热点。但是在我国，将论证教学应用于科学教育的研究才刚刚起步。前不久，笔者主持的一节区级研究课“重力势能”对此进行了些许尝试。

1 理论依据与设计初衷

近年来，越来越多的科学教育研究者发现了科学论证在科学教育中的重要性。希门尼斯曾指出：科学探究作为一种为了理解自然世界而生产、辩护知识和信念的行动，论证尤其发挥着重要的作用[2]。随着各国教育界对科学探究的深入研究，“论证”被提到了科学教育中相当重要的位置。美国国家研究委员会于2013年发布的《下一代科学标准》中又一次明确将“基于证据的论证”列为从幼儿园到十二年级科学教育中的八种基本实践之一。也有研究显示，学生科学论证能力的培养必须由教师有针对地进行。当前科学教育中开展论证活动最重要的理论基础是图尔敏论证模式[3]。

1.1 图尔敏论证模式

图尔敏论证模式包含资料、主张、理由、支持、限定条件、反驳六个要素，其论证过程的模式如图1所示。

在该论证模式中，“资料”即论证由之开始的材料或信息；“主张”即一项断言或断定，是指论证者陈述的、试图在论证中证明为正确的结论；“理由”即说明如何由资料或数据通过推理进而得到一项结论或主张；“支持”是指在论证过程中所依据的法则、条文、原理、理论或定律公式等，是众人能接受的通则，用以证明提出主张的理由；“限定条件”即表明该论证主张是正确的前提条件；“反驳”即主张不能成立的情况，也称“反例”。

1.2 Erduran等的科学论证能力表现评价框架[4]

在科学论证能力的研究上，比较有影响的还有Erduran等提出的以反驳为主要结构要素的科学论证表现评价框架，包含5个水平，如表1所示。

该评价框架从“反驳”这一要素的层面，为论证活动的开展和实施提供了很好的参考。

1.3 “重力势能”的设计初衷

从知识建构的角度看：重力势能这一概念的建立一直是高中物理教学的一个难点，这一难点解决不好，不仅对接下来动能概念的建立不利，而且对后续电势能、分子势能等“势能”这一大概念的建立也非常不利；从认知逻辑的角度看：教材基本上是通过理论推理的方式得到“mgh”这一重力势能的表达式。但为什么能够采取这样的方式，以及采取这种方式的“限定条件”是什么等等，都要求学生具备较高的推理论证能力，所以本节课一直是教学实操中的一个困难点。

基于此，笔者尝试以上述理论为基本依据，主要采用科学论证的方式来推进教学，希望能突破这一教学难点，同时在概念课的教学中探索论证教学的特征。

2 精设核心问题——突出“提炼观点、依据事实”的基本素养

精心设置核心问题在科学论证的过程中有着非常重要的作用，这也是影响学生提炼自我“观点”的主要因素，而提炼“观点”的背后必须有一定的“事实证据”作为“理由”来“支持”。物理学是一门实证性很强的学科，养成“基于证据提出观点和主张”的习惯，是学生在物理学习中应当逐步形成的基本素养。

教学片断：你认为物体的重力势能可能与哪些因素有关？有哪些事实依据可以支持你的观点？

在这一教学环节中，基于初中的学习基础，发现学生基本上都能猜想到重力势能可能会与物体的质量以及物体所处的高度有关，只是还不太习惯明确地表达并解释自己的观点。在教师让学生提供支持自己观点的事实依据时，发现学生一开始明显有点不太适应“提供事实依据”的做法，但让学生 “互相讲事实依据”时，学生就活跃了。在接下来的学生代表展示环节中就表现得比较理想了，有学生根据日常的观察举出了一些事例，也有学生做了简单的实验来说明。例如，有学生提供的实验方案如下：在透明的容器中放入细沙，让质量相同的砝码，从不同高度下落，砝码陷入细沙的深度不同，说明重力势能与物体所处的高度有关；让质量不同的砝码，从相同高度下落，砝码陷入细沙的深度也不同，说明重力势能与物体自身的质量也有关。

在上述教学片段中，教师并没有直接或间接地呈现相关资料，而是需要学生自己根据问题，通过自主搜寻材料或设计实验，寻求支持自己“观点”的“事实证据”。显然，学生在解决这一问题的过程中，自然而然地习得了一种基于“事实证据”进而提出“观点”的科学探究习惯。同时，也为后续“探寻重力势能的定量表达式”提供了初始的宝贵“资料”和“证据”。

3 精设递进问题——彰显“逻辑论证、深入推理”的思维过程

学生在一定的事实证据基础上初步提出了观点，但对一门精深的科学而言，仅仅有这些是不够的，还需要在事实证据和观点之间能够建立起科学的逻辑关系链，即整合学科知识（包括事实性知识、概念性知识和元认知知识[5]）、联结事实证据和观点，且能夠顺利完成事实证据和观点之间的多步或多维推理，使之更进一步走向定量和精准。也只有亲历了这样逐步深入的推理论证过程，才能使学生更加充分地体验到科学思维的纵深精妙与宽广无垠。

然而，对于高一的学生来讲，直接面对这样一个复杂的问题，学生往往难以招架，不易形成清晰的逻辑论证过程，这也是本课教学困难的原因之一。为此，我们在实操中对教材的论证过程进行了拆分和改进，基于问题难度的逐步递进和逻辑认识的逐步深入，通过精心设置两个递进式的问题，分层论证、逐步深入，以此来展开我们的论证教学。

教学问题1：如图2所示，物体从某一高度沿两种不同的路径下落到另一高度，你认为重力所做的功相同吗？请对你的观点予以论证。

主要论证过程：物体沿竖直直线运动的过程中重力做的功为WG=mgh=mgh1-mgh2

物体沿倾斜直线运动过程中重力做的功为

教学实操中发现，学生在论证物体沿倾斜直线运动过程中重力做的功仍为“mgh1-mgh2”时并不十分顺畅，所以单列这一步的推理论证是十分必要的。确保学生顺利“通过这一关”，也为下一环节“微元法”的应用、“由特殊到一般的归纳推理”以及对结论的“普遍性进行质疑”等环节做好论证的充分准备。

教学问题2： 在图2情境下所得的结论 “重力做功与物体运动的路径无关，只与始末位置的高度有关”。这是一个普适结论吗？请对你的观点予以论证。

图2所示的仅仅为两种情况，由此归纳得出的结论“重力做功与物体运动的路径无关，只与始末位置的高度有关”，其“限定条件”是否只对这两种情况成立？该结论是否是一个普适结论？对此提出“质疑”正是良好科学素养的体现。由于是新概念课，学生很难自主质疑，因此，我们在教学设计时就事现预设了较为深入的“质疑环节”，“逼迫”学生“想方设法”来论证这一结论的普适性，并由此进入到更深一层次的论证过程，学生也随之进入到深度思维的阶段。

在此“质疑”环节，“逼迫”学生“不得不”在任意路径下进行论证。如图3所示，学生“不得不”假设这个物体沿任意路径由高度是 h1 的起点 A运动到高度是 h2 的终点 B。先让学生在比较充足的时间里进行一番“独立思考”，学生在一番“苦思冥想而不解”之时，教师适当启发：可否在教学问题1中结论的基础上展开？可否尝试曾经使用过的微分思想“化曲为直”？之后再放开让学生“交流碰撞”。教学实操中发现，学生之间的讨论非常热烈和兴奋。最后，学生“不得不”根据学过的微元法把整个路径分成许多很短的间隔AA1、A1A2、A2A3 ……讨论之后，学生代表在展示讲解中，普遍能呈现出依据清晰、條理分明的逻辑推理过程。

主要论证过程：如图3所示，把整个路径分成许多很短的间隔：AA1、A1A2、A2A3……由于每一段都很小，因而都可以近似地看作一段倾斜的直线。设每段小斜线的高度差分别是Δh1、Δh2、Δh3……则物体通过每段小斜线时重力做的功分别为mgΔh1、mgΔh2、mgΔh3……物体通过整个路径时重力做的功等于重力在每小段上所做的功的代数和，即

在发现了WG=mgh1-mgh2是一普遍结论后，综合前述的“观点”“事实证据”、功能关系以及量纲等“理由”，初步得出可以把“mgh”定义为重力势能。在此基础上，再展开相应的教学，突出在重力做功的过程中物体与地球系统就会释放“内蕴的势能”；反之，外界克服重力做功的过程，就会消耗外部能量使得物体与地球系统“内蕴的势能”增加。

4 重视逆向思维——激发“反驳、拓展论证”的深度教学

近年来反驳维度已成为科学论证教学关注的重点内容，该环节也是我们当前教学中容易缺失的环节。随着反驳数量和反驳显化程度的提升，教学的层次也将随之逐步深入，教学的视域也随之打开，此时的教学生成往往会大大出乎教师的预期。

反驳是一种常见的思维方式，又称逆向思维，逆向思维也叫求异思维，它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。逆向与正向对立，正向思维往往是常规的、常识的、公认的或习惯的想法与做法；逆向思维则恰恰相反，是对传统、惯例、常识的反叛，是对常规的挑战，它能够克服思维定势，破除由经验和习惯造成的僵化的认识模式。敢于“反其道而思之”，让思维向对立面的方向发展，从问题的相反面深入地进行质疑和探索，树立新的思想，往往会有重大的新发现。在奥斯特发现了电流的磁效应后，法拉第正是采用逆向思维，既然“电可以生磁”，那么反过来“磁可以生电”吗？也正是这一“逆向思维”促进了电磁感应现象的伟大发现。

本节课在得出了把“mgh”定义为重力势能之后，我们进一步开拓教学的纵向深度，把论证推向一个高潮，即从建立概念的“限定条件”出发进行旗帜鲜明的 “反驳”。由于学生还不太习惯这种教学方式，所以我们基于教材，直接预设了两个渐次深入的问题来展开“反驳”和“拓展论证”，以帮助学生对“重力势能”这一概念的深入理解，同时也为后续学习电势能、分子势能等“势能”这一大概念奠定良好的认知基础。

教学问题1：假如“重力做功与物体运动路径有关”，我们还能定义“重力势能”这一概念吗？请对你的观点予以论证。

教学实操中发现，由于学生对功能关系的认知还不是十分到位，再加上学生对论证的各种方法在物理问题中的应用还不太习惯，所以学生对这一问题的应对普遍不太理想，学生在一开始很难找到较满意的论证依据和论证方法。在教师的不断启发下，学生的思维逐步活跃起来。比如，有些小组就发现比较好的论证方式是“反证法”。

主要论证过程：设物体从某一位置A运动到另一位置B ，假如“重力做功与物体的路径有关”，由于物体沿着不同的路径重力所做的功不同，那么重力势能的改变量也就会不同。选择B位置为重力势能的参考平面，则物体在同一位置A所具有的重力势能的数值，就会随着路径的不同而各不相同，重力势能不再“唯一”，具有不确定性，也就无法确切定义重力势能的概念了。

教学问题2：教材为什么没有定义“摩擦力势能”的概念呢？能定义“摩擦力势能”的概念吗？请分析说明你的观点。

该问题实质上是在教学问题1的基础上进行的又一次“拓展论证”。由于学生对势能的理解已经有了一定的深度，发现学生在该问题的讨论中，异常活跃，话语丰富，学生在一番“思维碰撞”后，各讨论小组基本上都能给出较为理想的“观点”和“理由”，论证过程的层次性也较强：先给出两种（或几种）不同路径，证明摩擦力所做的功随着路径的改变而不同；接着说明“摩擦力势能”的变化不同；最后说明“摩擦力势能”的数值不唯一，具有不确定性，因而无法定义“摩擦力势能”。

相信经过这一系列的论证教学之后，学生对“重力势能”以及“势能”这一大概念会有较为深入的理解。

5 结 语

基于科学论证能力提升的物理课堂教学实践，要求结合教学内容的特点，关注论证的各要素，合理采用论证的方式展开教学，对广大物理教师来说，还需要进一步探索。我们期待在本轮课程改革中能涌现越来越多思维灵动、素养丰实的课堂教学！

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]Jimenez-Aleixandre，M.P.，Rodriguez，A.，&Duschl;，R.（2000）.“Doing the lesson”or“doing science”：Argument in high school genetics.Science education，84（6）：757-792.

[3]斯蒂芬·图尔敏.谢小庆，王丽，译.论证的使用[M].北京：北京语言大学出版社，2016.

[4]Erduran S， Simon S， Osborne J.TAPping into argumentation： Developments in the application of Toulmin's argument pattern for studying science discourse [J].Science education ， 2004，88（6）：915-933.

[5][美] 洛林·W.安德森，等.蒋小平，等，译.布卢姆教育目标分类学[M].北京：外语教学与研究出版社，2017.