科学论证视角下人教版与粤教版高中物理教材对比研究

王丽 张军朋

摘   要：科学论证思维的培养是发展中学生核心素养的重要要素。文章基于科学论证视角，以《牛顿运动定律》一章为例，统计了现行人教版与粤教版物理教材科学论证的呈现频数，进而以《牛顿第一定律》一节为例，细化、对比了两版教材对科学论证结构要素的具体内容呈现。发现两版教材均存在对科学论证体现较少、论证型任务匮乏且单一、论证内容开放性不大的问题。因此，提出科学论证视角下的教材编写建议：论证型话语的引导化，论证型案例的示范化，论证型任务的丰富化，以期对新教材的编写和科学论证教学提供参考。

关键词：科学论证;人教版教材;粤教版教材;牛顿运动定律;教材对比

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）10-0019-5

我国新修订的高中物理课程标准明确提出，要发展中学生的核心素养。科学思维是普通高中物理学科的四大核心素养之一，而科学论证作为一种重要的科学思维，是培养学生科学思维能力的重要途径。论证教学研究在近二十年内均是国际科学教育领域研究的热点，而我国尚处于核心素养教育的起步阶段。教材是第一手的教学资源，基于核心素养背景下的教材革新已拉开帷幕，但现有研究中缺乏核心素养视角下的相关教材研究。本文以《牛顿运动定律》一章为例，基于科学论证视角对比我国人教版和粤教版两版高中物理教材，以期对新教材的编写和论证教学提供参考。

1    科学论证在《牛顿运动定律》一章中的整体体现

我国核心素养指出，科学论证能力包括：“具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测”[1]。在国际教育领域最早提出的是Toulmin论证模型，认为论证过程应包括资料、主张、论据、支持、条件限制和反驳六个基本结构的要素及各要素之间的联系[2]。笔者以核心素养与Toulmin论证模型为基础，结合当前物理教育背景和研究现状进行调整，以主张、证据、推理、支持或反驳四个结构要素为基点，确定了如表1所示的科学论证的内涵界定和基于教材的可操作性定义[3]。

基于科学论证的内容界定及教材的可操作性定义，将现行人教版和粤教版高中物理教材《牛顿运动定律》一章的内容分为三个部分：主体内容、特色栏目、例题及课后习题，对教材内容呈现的科学论证进行频数统计，如表2所示。

通过表1的统计结果可以发现，在主体部分，相对粤教版教材而言人教版教材体现科学论证的内容较多，而在特色栏目与例题、课后习题部分粤教版教材则呈现更多的科学论证要素。当然，这与粤教版教材编写的特色栏目与课后习题较多的客观事实密切相关。总体而言，两者对科学论证要素的呈现均较少。其次，聚焦到科学论证在各节的分布情况，发现无论是人教版还是粤教版教材，科学论证更多呈现在牛顿第一定律、牛顿第二定律的实验探究部分以及牛顿第三定律内容中。本文选取《牛顿第一定律》一节对科学论证的呈现过程进行细致的对比与分析。

2    科学论证在《牛顿第一定律》一节中的体现

2.1    主体部分

对于发现牛顿第一定律的物理学史，人教版与粤教版教材均呈现了标准的科学论证模板。起源于伽利略对亚里士多德长达两千年的“思想错案”的质疑，因而提出自己的主张：力不是维持物体运动状态的原因，如果没有摩擦阻力，在水平面上运动的物体会一直运动下去。进而设计理想实验、寻求证据并经过合理推理过程将证据与主张之间建立逻辑关系，从而论证了自己的主张，反驳了亚里士多德的观点。而两版教材在呈现过程中则各有优缺点，人教版教材在构建了力与运动认知冲突之后，呈现了伽利略提出对物体运动的影响实则是摩擦阻力的猜想，进而通过实验观察到“表面越光滑，球会运动得越远”的现象验证了该猜想，最后过渡到理想实验：“若没有摩擦阻力，球会永远运动下去”。粤教版教材在提出伽利略对“力是维持物体运动状态的原因”的质疑后，立马呈现伽利略理想实验的环节，继而通过简单的设问进入推理环节，这样的编写可能会导致学生在思维上的跳跃，从这点来看人教版科学论证的思路相对来说更加严谨[4]。而另一方面，粤教版教材在“资料活页”栏目中又呈现了伽利略设计理想实验的思维来源——伽利略针和单摆实验，提高了教材再现这段科学论证物理学史的完整度，从这个角度来看，粤教版教材的呈现相对而言更为完整。

两版教材在巩固、强化规律或概念时也体现了科学论证。人教版教材举例了“冰球离开球杆后能以几乎不变的速度前进，直至它再次受到球杆的打击或碰到障碍物才会改变它的运动状态”的体育赛事中的物理现象，巩固了学生对牛顿第一定律的理解，同时论证了牛顿第一定律虽是逻辑思维的合理外推，不能用实验验证，但是生活中的许多物理现象也间接体现了牛顿第一定律的科学性。粤教版教材举例了“汽车启动时，车上的乘客会向后倾斜;汽车刹车时，车上的乘客会向前倾斜”的生活体验，强化了学生对于惯性概念的理解。两版教材的例子虽内容侧重点不同，但均是一种通过生活实例支持物理主张的论证行为。

2.2    特色栏目

人教版教材的“思考与讨论”栏目、粤教版教材的“讨论与交流”栏目均以问题提出与论证的形式引入惯性与质量的关系。人教版教材直接从“改变”的角度将牛顿第一定律的内容换为“物体都具有抵抗运动状态变化的本领”，进而直接提问，结合实例分析物体抵抗运动状态变化的“本领”与什么因素有关。而粤教版教材以生活中的常见现象“运动的火车比运动的自行车更难停下来，推动一辆汽车比推动一辆自行车更加困难”为实例，说明不同物体抵抗运动状态的本领不同，进而引导学生思考并论证物体的惯性与其质量有什么关系。从提问方式来看，粤教版教材的提问从学生生活体验的实例出发说明物理原理，充分体现生活与物理之间的紧密联系，相比人教版教材辩证性地认识牛顿第一定律更符合学生的认知规律。而从问题开放度的程度来看，人教版教材问题开放性更大，能构建一个完整的论证环境。学生提出自己的主张，可能是惯性与质量有关，或是学生容易误认为的惯性与速度有关，因而形成两种对立的观点，收集证据证实自方观点或反駁对方观点，通过科学论证的过程帮助学生形成并解决自我的认知冲突，回归科学的知识认同，从而摈弃错误的前概念。而粤教版教材会导致学生的思维局限于惯性与质量的关系，而学生错误的前概念尚未暴露解决。因此，从问题开放度和科学论证的视角可见人教版教材的问题设置更胜一筹，优化教材设问可培养学生的科学论证能力，助力学生辨析物理概念。

2.3    课后习题

人教版与粤教版教材第一节的习题设置均体现了科学论证的结构要素。如图1所示，人教版教材课后习题的第一题和第二题主要考查了学生提出主张、从题干中搜集有效证据、在证据和主张之间建立逻辑推理关系实现主张的论证过程，侧重于“推理”的结构要素;第三题和第四题均是考查学生收集有效的证据，形成论点进行反驳的论证行为，不同的是第三题侧重“反驳”的结构要素，而第四题侧重“证据”的结构要素。如图2所示，粤教版教材课后习题第一题从伽利略的理想实验出发，考查学生对论证的“事实证据”与“推理”两个要素的辨别，第二题、第三题、第四题与人教版的前两道习题类似，侧重于推理和解释，第五题与人教版的第四题类似，侧重“证据”的结构要素。因此，从结构要素的角度来看，人教版教材習题对科学论证的渗透更充分，层次更分明。

从论证内容的角度来看，人教版教材的习题情境设置更丰富，既有水平运动的情境，又有竖直运动的情境。问题更具论证价值，如第一题的第二小问提出学生容易存在认知困难的问题，第二题融入了社会性问题，第四题明显难度有所提升，对学生的论证能力要求更高。而粤教版教材的论证问题更注重学科知识，题目之间存在重叠交叉性（如第二题、第三题），对学生论证能力要求的层次性不明显。

3    科学论证视角下的教材编写建议

3.1    论证型话语的引导化

学生在阅读教材时应经历疑问、思考、解决、认同、求异的过程，教材论证型话语的引导则必不可少，而现行教材主体内容中对科学论证的体现甚少，只是将知识呈现出来而已，对学生科学思维的培养痕迹不明显。教材编写者应精心设计论证型问题驱动学生主动思考，例如，为什么你这么认为？你是怎么得到这个结论的？是否能提出其他合理的方案设计并论证其可行性和优缺点？能否举出实例论证或反驳这一规律？创设科学论证的环境，引导学生的科学论证行为[5]。

3.2    论证型案例的示范化

教材的基本任务是让学生习得知识，而重要的高阶任务是让学生习得能力。教材中科学论证案例能为学生进行科学论证起到示范作用，而现行教材中这样的教学资源几乎没有，教材编写应不断丰富教学资源，提供一些完整的论证型案例作为学生学习的论证模板。例如，物理学家对某个规律争辩与论证的物理学史，或者不囿于物理领域的经济学家对某个经济理论的论证过程，生态学家对某个环境保护制度的论证与评估，均可成为科学论证案例的素材来源。潜移默化地影响学生如何开展科学论证，既能体现教学资源的育人功能，又能渗透不同学科之间的“整合”思想。

3.3    论证型任务的丰富化

两版教材均表现出论证型任务的匮乏和单一化，教材论证型任务的丰富化为展开论证教学、培养学生科学论证能力提供充分的论证材料。论证型任务可以包括：

辨析具有争议性的概念或规律。当前教材栏目更多呈现的是应用知识对特定情境问题的解决，而某些问题呈现出争议性不大，只是为了符合当前讲授的知识而设计，对学生的思维特点没有充分了解。在教材特色栏目中应选择学生有认知困难的问题、较难辨析的概念或规律展开有针对性的论证，将学生内隐的“相异构想”的原始认知外显，进而引导学生自主展开科学论证过程，以自我冲突的形成或同伴教学的方式实现观念的转变或观点的自洽，形成科学认知，帮助学生修正偏差、重构认知，同时有效提升学生自我反思监控和论证的能力。例如，新概念高中物理读本中在讲授牛顿第三定律时，就学生认知困难的弹簧间相互作用力的辨析和拔河问题展开了讨论，问题的选项中隐含学生典型的错误理解[6]，学生经历论证过程，亲自体验前概念和新理论的认知冲突，这样的问题论证价值更高，真正解决了学生的认知障碍。

创新实验设计。现行教材的实验为学生动手实验提供了现成的装置、原理、步骤、数据处理，而在实验后鲜有对教材实验的评价论证过程，教材编写论证型任务时可从创新实验设计出发，例如验证牛顿第二定律的实验中，以问题导向引起学生对实验的创新，通过这个装置还能实现测量什么物理量？除了平衡摩擦力的方法以外，还能采用什么装置消除摩擦力的影响？实验过程中一定保证M>>m吗？测量的手段能否更加精密？通过一个个问题实现由原型实验向创新变式的过渡，学生也能通过论证创新实验方案的过程培养科学论证能力和批判性思维。

开放的定性习题。两版教材的习题多偏定量而少定性，限制了学生对定性问题的论证能力，教材编写应多注重定性问题的论证解决，培养学生的高阶思维能力，而不是抽象为简单的模型代入公式计算即可;其次，习题的开放性不大也是现行两版教材均出现的问题，习题呈现往往是“非A即B”的问题情境，一定程度上限制了学生就问题而言的开放性思维，而开放性问题才能为学生提供自主构建主张、开展论证活动的可能性。

课外研究型课题。现行教材的论证性问题更多呈现了通过对话来劝说和消除疑问的论证，而未体现解决未知问题的论证，悬而未决的问题往往争议性更大，对学生的论证能力要求更高。例如，国际论证教学中大多选取社会性议题（SSI）的两难情境进行论证，在温室效应背景下增加二氧化碳税的价值[7]、能源的使用与开发、能源的安全性等议题[8]，美国流行的《物理原理与问题》教材中每一章章末习题中有一项科技写作的栏目设置，在《牛顿运动定律》这一章（下转第26页）（上接第22页）包括两个问题：研究牛顿对物理学的贡献，你认为他的三个运动定律是他一生中最伟大的成就吗？请说明原因[9]。对牛顿第一定律作出评论、分析和批判，你能证明这个定律吗？我国的教材编写应考虑增加类似的课外研究型课题，甚至是当前热点的社会性议题，丰富论证型任务，为学生课外展开科学论证提供研究方向。

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（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]Toulmin S.E.The use of argument[M].London：Cambridge University Press，1958.

[3]秦文佩. 基于物理核心素养对人教版初中物理教材的研究[D].西安：陕西师范大学硕士学位论文，2018.

[4]占晨达.“牛顿第一定律”概念建构中四重思维逻辑的内涵——兼对六种版本教材教学思路的对比[J].中学物理教学参考，2017，46（15）：16-18.

[5]郑颖，张军朋，张玉发.高中生物理科学论证能力表现——基于Rasch模型的测试评价[J].物理教师，2019，40（1）：2-6.

[6]赵凯华，张维善.新概念高中物理读本（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2007：5.

[7]Nussbaum，E.M.，Sinatra，G.M.，&Owens，M.C. The two faces of scientific argumentation：Applications to global climate change[J].In M.S.Khine（Ed.），perspectives on scientific argumentation：Theory，practice and research.Dordecht：Sprin-ger，2012.

[8]潘瑶珍. 科学教育中的论证教学[D].上海：华东师范大学博士学位论文，2013.

[9][美]保罗·齐泽维茨，等.钱振华，沈珊雄，徐在新，译.物理原理与问题（上）[M].杭州：浙江教育出版社，2015：10.

（栏目编辑    刘   荣）