科学论证及其能力培养

吴昱 曹宝龙

摘 要：科学论证由科学主张、科学证据和科学推理三个要素构成.科学论证可促进学生深度学习，促进学生对概念、规律的深度理解，促进学生思维能力的发展.科学论证可使科学学习更具有探究性，促进学生对科学本质的理解.科学论证素养的层级可以指导教师教学.高中物理教材中有较多的体现科学论证的学习内容，教学中按照科学论证的要素分析是比较好的教学设计思路.

关键词：科学论证;物理核心素养;科学推理;科学证据;科学主张

文章编号：1008-4134（2020）11-0010中图分类号：G633.7文献标识码：A

1 关于科学论证

1.1 科学论证的概念

论证是以证据为基础提出自己的主张，并通过推理过程使主张和证据之间建立合乎逻辑关系的方法.因此，论证必须具备三个基本的要素：①主张或观点，是个体（或团体）对事物的基本判断的价值认同;②证据，是支持主张的事实依据，一般以观察与实验为基础的现象或数据;③推理，用可靠的逻辑方法在证据与主张之间建立人们普遍认同的关联性.

科学论证是科学研究的实践活动，是基于科学事实对未知的科学领域提出主张或观点，并用证据为主张进行支持性解释的过程.当然，科学领域也存在反对某种观点或主张的科学论证，例如伽利略用自由落体的思想实验反驳了亚里士多德“物体越重下落越快”的观点.

科学论证从证据出发，通过推理过程到达支持主张的过程可以描述成如图1所示的方式.

因此，科学论证不同于一般意义的争论或争辩，它具有科学活动的本质特征.科学主张并不是一般的具有或然性的假设，更不是随意猜测，而是具有可靠基础的对事实的价值判断;证据是支持主张的材料，可以保证科学论证活动的可靠性和可信度;推理是用可靠的逻辑关系在证据与主张之间建立联系的严密的、可信的和具有说服力的推导、解释过程，这种推理过程可保证科学论证的严谨性.

1.2 科学论证的教育价值

1.2.1 科学论证促进概念的形成和发展

我们知道概念是通过大量客观事实的共同的本质特性的概括而形成的認识，是人们对这类事物的本质认识.如果概念只停留于一般性事实的概括，它在我们头脑中形成的不可能是深刻的概念.因此，用事实依据让学生进行科学论证所形成的概念可让他们真正形成正确的科学观念.例如，牛顿提出光是一种微粒，你相信吗？你有什么依据来证实？我们可以通过光的反射现象作为论证的证据.光的反射现象遵从的规律与小球与平面挡板进行弹性碰撞的规律完全相似，因此我们有理由相信光是由一种“弹性球”一样的东西构成的.但是惠更斯认为光不是“弹性球”，因为光会发生折射、衍射、干涉和偏振等现象，这些现象不能用弹性球模型来解释.那光是什么呢？惠更斯提出光是一种波的主张，其证据就是光所发生的这些现象，然后他用波动理论的模型与数学表征两种方法对主张与证据之间逻辑关系进行严密的推理，从而使他的“波动说”观点得以成立.光电效应、康普顿效应的发现反过来又对“波动说”形成了证据的反驳效应.于是，人们认为光好像既不是经典意义的波，也不是经典意义的粒子.因此，提出波粒二象性这个主张是具有革命性的，他是对我们物理世界的原有概念体系的颠覆和重建.因此，科学论证的实践活动，往往是随着科学新证据的出现，不断更新科学主张，使科学观念不断向前迈进的过程.物理教育过程中如果我们顺着科学观念的历史发展与变化，呈现科学论证的螺旋式提升特征，有助于学生学科概念的形成与深化.

1.2.2 科学论证促进学生科学思维的发展

科学论证是科学探究的核心活动，它以证据为基础提出科学主张，并要求在证据与主张之间建立可靠的推理.所以科学论证能够培养学生的证据意识，让学生注重发现证据，建立寻找证据的方案，并学会用证据来解释;培养学生严谨的科学态度，让他们用证据说话，基于证据提出自己的观点和看法，而不是随意发表自己的意见;培养学生基于原理和规律进行严谨推理的能力，让他们学会形而上的科学逻辑;让学生具备质疑精神、尊重事实的思维和行为习惯，学会“用事实说话”的态度.例如，在原子核的发现过程中，我们往往会认为汤姆生模型是没有价值的，因为它提出的模型是“错误”的，因为它不能解释α粒子散射实验的结果.于是我们可能会在教学过程中把结论直接告知学生，而没有进行科学思维的过程，这显然是很不恰当的.其实我们要从当时的科学背景出发来论证汤姆生模型的合理性.按照当时的证据（原子内有带负电荷的电子，并且有正电荷存在）提出“枣糕模型”可以建立完整的科学论证关系[1].因此，我们不能把一些教学内容的结果灌输给学生，而应该发挥它们促进学生科学论证能力发展、科学思维能力发展的教育价值.

1.2.3 科学论证促进学生对科学本质的深度理解

科学本质包括了科学知识、 科学过程与方法、 科学家共同体、 科学研究的成果和科学应用与社会实践几个方面[2].我们可用科学家的科学论证活动历史让学生感受科学活动的过程性体验，强化对科学本质的领悟.1818年，法国科学家泊松用菲涅耳主张的波动理论计算出光在圆盘后阴影内会出现一个亮斑.泊松认为这是荒谬可笑的，他认为这个计算结果可反驳光的波动说.但阿拉果居然在实验中观察到了这个亮斑，泊松的计算反而支持了光的波动说.这个事件说明，科学论证可以证实也可以证伪，说明科学是建立在经验事实基础上的，科学理论的支持点在于科学事实.只有让学生去体验与领悟这些科学探究的过程，才能让学生真正理解科学本质.

1.2.4 科学论证促进对概念或规律的深度理解

深度学习才能对概念与规律达到深度理解.那么什么样的学习才是深度学习呢？深度学习应该是学习者能够对学习内容进行有效的思维加工.这就要求我们尽可能地使学生进行深度探究，在深度探究中使他们对科学活动达到深度理解.科学论证材料的深度学习应该体现在学习者能够厘清科学论证的主张、证据，并且能够清晰推理和认识主张与证据之间的关系.例如，卢瑟福是如何建构核式结构模型的呢？就是一个简单的行星模型的类比吗？显然，这是不可能的.其实我们可以根据当时研究的背景与卢瑟福提出核式结构模型之间的科学论证过程进行要素疏理，以帮助学生深度理解.表1疏理了卢瑟福模型构建的科学论证的基本要素[3].

教学过程中如果我们按照科学论证的要素来设计启发学生思维的问题，就可以帮助学生更有深度地理解构建核式结构模型的合理性和自然性.

1.2.5 科学论证活动增强学习的探究性

科学论证与科学探究不是完全等同的关系.科学论证是科学探究中的一种核心实践方式，是科学探究的重要构成[4].科学论证所涉及的证据、主张和它们之间的推理关系这三个要素，可以有效地带动科学思维与科学探究的一些素养，例如科学思维的二级素养模型建构和科学推理，科学探究的问题、证据、解释与交流等要素[5].因此，科学论证的教学是科学探究素养培育的重要内容.科学论证的三个要素带动科学探究素养发展的关系见表2.

所以，设计科学论证内容的教学时要注重科学论证的要素分解，并以此带动科学探究活动的展开，以培养学生的科学思维与探究能力.

2 科学论证的水平等级

2.1 科学论证的课程标准要求

科学论证在我们国家的课程标准中首次提出，也首次对科学论证的素养水平进行简单的五级区分.标准中规定的五级水平如下[5]：

水平1 能区别观点和证据

水平2 能使用简单和直接的证据表达自己的观点

水平3 能恰当使用证据表达自己的观点

水平4 能恰当使用证据证明物理结论

水平5 能考虑证据的可靠性，合理使用证据

课程标准中的五级水平划分是对科学论证三个要素而言的，原则上可区分科学论证能力的等级，但是实际教学中教师可能需要更具有操作性的水平等级.因此，有必要对五个等级水平进行具体说明，以帮助教师理解和实施.

2.2 科学论证水平的操作性定义

为了使教师在实际的教学实践中对科学论证的等级水平具有更直观的认识，我们可以把课标中的科学论证的等级水平作一个更具体的解释，使教师更容易掌握和运用.科学论证水平的操作性解释见表3.

当然，这样的等级划分是不够的，如果要进行科学论证能力的评价，还需要开发大量的操作性案例来支持.但是，上述划分和操作说明可作为教师进行科学论证活动教学设计的水平依据.

3 高中物理体现科学论证的典型学习内容

开展科学论证活动的教学设计，首先要消化和理解课标或教材中对应的学习内容.高中物理教材中，体现科学论证思想的案例比较丰富.表4以人教版高中物理教材為依据进行简要疏理，按科学论证三要素分析这些学习内容，供读者参考.

当然，表4所列出的仅仅是课本上介绍的具有科学论证性质的典型学习内容，其实科学论证在平时的问题讨论和问题解决教学中应该是一种常用的方法，这也是物理教学体现科学本质的重要表现.

参考文献：

[1]马朝华.对物理教学中科学论证的认识和实践[J].物理教学，2018（11）：9-11.

[2]曹宝龙.科学本质及其教学建议[J]. 物理教学探讨，2017（09）：1-4.

[3]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中教科书（物理，选择性必修3）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]邓阳.科学论证及其能力评价研究[D].武汉：华中师范大学，2015.

[5]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2020-03-04）