基于图尔敏模型促进初中生物理科学论证能力提升

摘 要：科学论证能力是培养学生批判性思维的重要载体.教师在初中物理课堂教学中，应当结合物理学科特点，紧紧围绕物理知识建构，以科学探究问题为引领，以图尔敏科学论证模型为支撑，引导学生开展严谨的科学论证活动，对学生进行批判性思维训练，以期发展学生批判性思维能力.

关键词：批判性思维;科学论证;图尔敏模型;物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0009-03

作者简介：叶成林（1969-），男，江苏仪征人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理课堂教学与实验研究.

1 图尔敏模型

批判性思维是决定学生信念和行动而进行的合理的反思性思维[1].批判性思维是学生受用终身的能力与品格，是创造性思维的基础[2].培养学生批判性思维的重要载体是科学论证[1].科学论证的内涵是“利用证据建立科学理由以推理得出科学主张”[3].英国哲学家斯蒂芬·图尔敏在20世纪提出一个科学论证模型，以明晰、支撑学生的科学论证活动，规范学生的批判性思维路径，提高学生批判性思维能力.图尔敏模型包括6个论证元素：根据、断言、保证、支撑、辩驳、限定.其中，根据是用来论证的事实证据，断言是论证的结论，保证是连接证据和结论之间的普遍性原则，支撑是用来支持保证的陈述，辩驳是反驳和说明，限定是对论证结论限定的修饰词.

我国董毓博士也认为批判性思维的培养，根子在基础教育[4].在初中物理教学中培养初中生批判性思维，教师应围绕物理知识建构，积极倡导批判性思维教学，引导学生以图尔敏模型为支撑，紧紧围绕论证6要素，开展科学论证活动，以显化初中生在认识物理知识过程中内在的科学思维活动，促进初中生深刻理解物理知识的内涵及外延，掌握物理知识建构过程中蕴含的科学思想方法，在发展初中生批判性思维技能的同时，培养学生团结协作、严谨认真、实事求是的科学态度.

2 基于图尔敏模型的初中生物理科学论证能力提升策略

教师在初中物理教学中，应当以科学探究问题为引领，以图尔敏模型为科学论证模型，对初中生进行批判思维训练，培养学生理性思维，促进学生对物理知识的深度认知，发展学生科学探究能力.

2.1 基于物理情境，确认论证根据，明晰科学探究问题

问题，处于人类认知和生活的枢纽位置.学生能够提出科学探究的“好”问题，是启动科学探究的起点，是科学探究成败的关键[1].问题通常存在于情境中.初中学生抽象思维欠缺，形象思维仍占主导地位.而且，一个好的推理从根据开始，而最值得信赖的根据来源通常是基于真实物理情境直接观察的书面记录或经历者的记忆、个人证言[5].为让学生能从日常物理现象的观察中发现并提出有价值的科学探究问题，教师创设真实的物理情境十分重要.

笔者在进行“欧姆定律”的教学时，为了让学生基于直接观察到的物理现象，提出科学探究问题，并在此基础上猜想提出个人断言，笔者创设以下真实的物理情境.

情境1：将小灯泡、干电池、开关用导线连接，闭合开关，小灯泡发光.改变干电池的节数，观察到灯泡的亮度发生变化.

学生仔细观察并記录实验现象：干电池节数越多，小灯泡两端电压越大，灯泡越亮，即灯泡中的电流越大.

情境2：将滑动变阻器接入上述电路中，移动滑动变阻器的滑片，改变接入电路中的电阻大小，观察到灯泡的亮度发生变化.

学生仔细观察并记录实验现象：干电池的节数不变，移动滑动变阻器的滑片，改变电路中的电阻，滑动变阻器接入电路的电阻越小，灯泡越亮，即电路的电流越大.

教师引导，学生基于实验现象，提出探究问题：通过灯泡的电流大小与电压、电阻有什么关系？

教师引导，学生基于确认的根据（实验现象），猜想问题断言（结论）：通过灯泡的电流大小与灯泡两端的电压成正比，与灯泡的电阻成反比.

2.2 基于实证研究，得出普遍规律，为断言提供保证

学生能够提出问题仅是启动科学探究、进行批判性思维训练的第一步.西方学者认为，批判性思维更应看成问题的解决过程.学生在解决科学探究问题过程中发展批判性思维能力的关键在于科学探究实验方案的设计，实验证据的收集、分析、鉴别和评估，科学探究结论的推理及其评估，对其他的证据、解释和论证的考察，对其他解释、论证全面综合的判断等，通过以认识论为基础的批判性思维训练，以期学生更全面地理解和掌握所获得的物理知识，发展学生能力.

对于学生提出的断言，教师提出质疑：你根据什么理由得出上述断言？难道仅凭偶然的实验现象观察就能得出电流大小与电压、电阻大小之间的定量关系？我们要基于图尔敏论证模型，开展科学论证活动.精心设计实验方案，获取精确的实验数据，开展实证研究，在此基础上得出普遍规律，为断言（实验结论）的得出提供重要的保证.

2.2.1 基于合理论辩，设计实验方案

教师在设计“探究电流与电压、电阻关系”实验方案时，首先让学生明确实验所应采用的物理方法：“控制变量法”.教师引导学生总结初中物理学习以来运用这个方法进行物理实验设计的所有实验，在引领学生复习巩固所学物理知识同时，强化学生对控制变量法的理解，为本科学探究的实验设计奠定基础.

在此基础上，教师引导学生利用给予的实验器材：干电池、定值电阻（5Ω、10Ω、15Ω、20Ω）、电流表、电压表、开关、滑动变阻器、导线等，设计实验方案.在运用控制变量法进行实验电路设计时，学生通常会呈现如图1所示的实验方案.教师引导学生从可行性、便捷性、可操作性、安全性等方面出发对该方案进行分析、评估.讨论时教师鼓励学生大胆发表自己意见，为自己的实验设计方案的可行性提供证据，同时教育所有学生包容其他学生之间的不同建议，尊重别人的研究成果，注重自我反思，批判性地吸收别人好的建议，以完善自身方案设计，养成良好的批判性思维品德.

小组1：我们学习小组设计的实验方案如图1所示.在探究电流与电压关系时，保持定值电阻大小不变，只要改变干电池的节数，就可以让电阻两端电压成整数倍变化，记录并观察电流大小变化;在探究电流与电阻关系时，保持干电池节数不变，更换定值电阻，记录并观察电流大小变化.

论辩1：该方案便捷性较好.但可操作性不好，在探究电流与电压关系时，不能连续改变电压大小;安全性不高，随着电池节数变多，可能会损坏电路元件.

论辩2：该方案可行性不高.在探究电流与电阻关系时，我们小组对此方案进行实际操作，发现随着电阻大小的变化，电压表的示数也在发生变化，说明此方案不能控制电压一定.

小组2：通过刚才同学们的论辩与我们的自我反思，我们小组设计如图2所示的实验方案.在如图1所示的实验方案的基础上，我们在电路中接入滑动变阻器.通过移动滑动变阻器的滑片，以改变定值电阻两端的电压或控制其两端电压不变，同时还可以起到保护电路的作用.这样的实验方案可行性、便捷性、可操作性、安全性都较好.

2.2.2 基于实验数据，总结普遍规律

教师引导学生依据实验方案2小组合作开展实验探究，将采集到的实验数据填入自行设计的表格中.教师巡视，帮助学生解决实验过程中存在的问题，并提醒学生实验时间不可过长.在学生实验基础上采集展示部分实验数据见表1、表2.

教师引导学生分析实验数据，很容易总结出实验结论：当导体电阻一定时，导体中的电流与导体两端电压成正比;当导体两端电压一定时，导体中的电流与导体电阻成反比.

在此基础上，教师对照科学论证图尔敏模型，向学生指出：这个普遍规律为欧姆定律内容的推理得出提供重要保证，而精确的数量关系又是该普遍规律的重要支撑，由此培养学生严谨的逻辑思维能力，发展学生科学探究能力.

2.3 基于批判反驳，界定适用范围，完善科学断言

图尔敏模型还提醒人们对于断言有无辩驳和反例，以限定推理的范围和结论[1].历史上，认识的革命，常常就是推翻人们已经下意识接受的共同观念.不同的甚至对立的观念对发展学生的批判性思维具有重要的作用，它不仅突破人们看问题的视角，而且培养学生的发散思维.在科学论证活动中，教师应引导学生基于不同的事实证据对已经形成的断言进行批判反驳，全员参与正、反方批判性讨论，通过讨论让学生比较各种观点的优缺点，评估各种信息的真伪，促进学生深入思考，拓宽学生认知边界，提高学生综合判断能力，从而促使学生全面深入认知所获取的知识.

基于初中学生认知的局限，在学生推理得出欧姆定律内容和数学表达式后，教师主动引导学生提出质疑：欧姆定律是否对所有导体都适用？为什么本节课教学问题引入从小灯泡开始，而在实验探究过程中老师要提供给大家的是定值电阻？在实验操作过程中，为什么要提醒同学们实验时间不要过长？下面请同学们利用所提供的小灯泡利用实验方案2来探究电流与电压关系，并计算出电阻，分析思考上述问题.

学生实验探究电流与电压关系，教师采集部分数据见表3.小灯泡的规格为“2.5V 0.3A”.

学生反驳：通过对所采集的精确的实验数据分析，通过小灯泡的电流大小与小灯泡两端的电压不成正比关系，不适用于欧姆定律.利用前面学过的知识，我们初步分析原因在于灯泡的电阻受温度影响，不是定值电阻.

教师：看来，欧姆定律的適用有条件限制.请大家利用实验数据分别画出定值电阻和小灯泡的I-U图像，结合图像小组集体批判论辩与总结定律适用的条件.

学生界定：定值电阻I-U图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，而小灯泡I-U图线的斜率不断改变.欧姆定律适用于I-U图线斜率不变的定值电阻，不适用于I-U图线的斜率不断改变的非定值电阻.

教师在此基础上引导学生认识到满足欧姆定律的元器件一定是线性元件.其I-U图线是一条通过坐标原点的直线，斜率不变，具有这种性质的电器元件叫线性元件，其电阻叫线性电阻或欧姆电阻（如常温下的金属、电解质溶液）.对于I-U图线的斜率不断改变的非线性元件（如实际灯泡、半导体元件等），其电阻随电压的改变而改变，就不适用于欧姆定律.

但教师需向学生进一步指出，尽管非线性元件不适用于欧姆定律，但电阻R=U/I的定义式依然成立，该公式适用于所有的导电元件.虽然导体的电阻随温度、环境条件的影响而发生变化，但我们仍可以用改变后某一时刻电压和电流求解出电阻.如实际灯泡的工作I-U图线是一条曲线，我们可以用此曲线求解出某时刻的灯泡电流、电压和电阻关系.

教师最后引导学生依据图尔敏模型，构建本节课基于科学探究问题解决的科学论证活动的逻辑框架，如图3所示，目的在于让学生进一步理解科学论证各要素间的逻辑关系，为学生以后开展科学论证活动奠定基础.

在初中物理教学中，教师以图尔敏模型6要素为支撑，紧紧围绕物理知识建构，以科学探究问题为引领，引导学生开展科学论证活动.此外，教师通过设计严谨的科学论证活动，对学生进行批判性思维训练，以期培养学生逻辑思维能力、科学研究能力，为学生终身发展奠定基础.针对初中学生的认知特点，刚开始的时候，教师应帮助学生厘清图尔敏论证模型6要素内涵，重点引导学生理解6要素之间的逻辑关系，并在课堂上结合实例注重示范，以使得学生充分理解图尔敏论证模型.在此基础上，教师便可结合物理科学探究活动，引导学生循序渐进开展论证活动，逐步提高学生科学论证能力，提高学生的物理核心素养.

参考文献：

[1]董毓.批判性思维原理和方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]董毓.批判性思维的探究本质和对创新的作用[J].工业和信息化教育，2017（05）：27-36.

[3]马亚鹏.科学论证在我国课程政策中的历史演进——以高中物理课程标准（教学大纲）为例[J].物理教师，2019，40（03）：7-10.

[4]董毓.角逐批判性思维[J].人民教育，2015（09）：13-19.

[5]戴维·希契柯克，武晓蓓，张志敏.基于图尔敏模型的好推理[J].工业和信息化教育，2017（05）：15-26.

（收稿日期：2020-11-21）