培养“科学论证素养”的高中物理教学策略与实践

张嘉弘

（海宁市第一中学，浙江海宁 314400）

《普通高中物理课程标准（2017版）》［1］已经明确提出“科学思维”是物理核心素养的主要内容，而“科学论证”首次明确进入物理课程标准当中，基于科学论证的重要地位，那么如何从教师自身出发，结合学生的现状，实施有效的课堂教学策略，这就是本文试图要解决的问题.

笔者尝试采用科学论证式的教学活动，以“单摆”的两个教学片段为例，通过“教师辅助引导”和“学生互助模仿”两条主要策略，促使学生像科学家一样地展开基于证据的论证活动，培养学生的科学论证素养.

1 教师辅助引导，显化论证结构

从建构主义观点来分析，学习就是认知结构在新条件下的重新建构，知识的获取是一个新知识与学习者已有的旧知识相互影响的整合过程，［2］因此教师可以提供合理的支架，引导学生运用原有的知识结构，通过科学论证的方式获取新知识和新环境在心理上的联系，促使学生在获取新知识的过程中，熟悉并掌握科学论证的完整结构和使用程序.

课例“单摆”片段1.

通过前面的模型构建，已经形成单摆这一理想化模型，而单摆的运动显然符合前面所学的振动这种运动形式，由于此阶段的重点是要帮助学生运用科学论证的方式去证明小角度下单摆的运动是否是简谐运动，因此采取以下4个子策略.

1.1 设问引证简约化

此阶段设问的主要目的是为了引导学生建构主张，快速进入论证的程序，因此设问的形式需要收敛，以简化主张构建的难度，明确论证的方向.

教师可以提出表1中的问题.

表1 问题与目标

显然在这样的问题下，无非会出现赞成或不赞成两种主张.一般情况下，学生的都会顺应问题构建正向的主张，即单摆在小角度下的振动是简谐运动.但无论学生构建哪一种主张，都顺利地跨出了科学论证的第一步.

1.2 诱思寻证近因化

寻找证据的方式比较多，思路也很发散，因此教师应利用心理学的近因效应，顺势诱导学生从简谐运动的特征，去寻找支持主张的证据.

教师可以提出表2中的问题.

表2 问题与目标

随着问题的提出，学生的思路因设问指向振动的x t图像和回复力的表达形式，由此必然引出的两组证据.

小组1：根据单摆实验，我们发现单摆振动的x t图像与正弦函数曲线非常相似.

小组2：单摆的运动存在使它回到平衡位置的回复力，并且回复力与位移方向近似相反.

1.3 群演推理生本化

理论推理是利用已有的知识去探索未知规律的有效方式，教师应以学生的发展为根本，利用最近发展区理论，充分调动学生的思维，在师生交互中完成科学论证的推理过程，帮助学生理解问题，同时展现物理学科的魅力.

学生找到证据之后，教师可以提出表3 中的问题.

表3 问题与目标

学习小组根据自己的证据阐述各自的理由.

小组1、2、4、6：用正弦函数图像与单摆振动的x t图像再计算机上进行比对，两条图像近乎重合，说明在误差允许范围内，单摆振动的x t图像就是正弦函数图像，所以单摆在小角度下的振动是简谐运动.

小组3、5：证明遇到困难.

由于推理的数学要求较高，对于高中生来说，显然遇到困难，此时不妨通过调动全班学生的力量，一起来完成共同的目标.

教师可以提出表4中的问题.

表4 问题与目标

大家经过一番思考，3个学生提出了观点.

学生1：重力的分力，因为是它使得单摆产生了切向加速度，而从静止开始运动，并指向平衡位置.

学生2：不可能是重力的分力提供单摆回复力，因为它与位移不重合，也就不可能满足简谐运动的条件了.

学生3：从刚才是实验现象看，单摆运动的xt图像实际上是摆球在竖直方向投影的运动图像，也就是说单摆可能在水平方向做简谐运动，所以单摆回复力应该是拉力的分力.

通过大家的分析和综合，一致认为学生3 的分析更合理，单摆应该在水平方向做简谐运动，教师顺着学生3思路，带领大家共同推理.

推理过程：如图1，设摆动中最大偏角为θ0，摆动到偏角为θ1的P点处，此时速度为v，细绳的拉力为F拉，离平衡位置的水平位移为x，由机械能守恒定律可得

图1

由牛顿第二定律可得

根据刚才学生3的分析可知，

综合以上3式可得

为了看清楚回复力与角度的关系，统一化简成正弦函数.利用

看到这样的结果，学生感到回复力与角度的关系非常复杂，开始怀疑自己的主张.由于高中生此前接受的教学几乎都是精确计算，缺乏近似的意识，此时教师应抓住时机，突破学生的思维限制.

教师给出任务：计算θ0＝5°且恰好摆到最大摆角处，回复力各项的精确值，［3］如表5.

表5 回复力各项精确数据

由于在物理中当一个物理量比另一个物理量大两个或两个以上的数量级时，另一个物理量可以忽略不计，经过计算，大家都已经明白了摆角很小的含义了.

教师顺势简化回复力的表达式为F回＝－mgsinθ1，同时学生3和学生1也实现了相互理解，因为在小角度下，拉力的水平分力与重力的切向分力近似相等.

由于以上一系列的推理与证明都是在学生原有知识和能力的基础上进行的论证，符合学生的认知水平，在探索规律的过程中，从原有认知（精确计算）扩展到了新认知（近似计算），促进了学生的理解.

1.4 引导质疑两难化

质疑是促进论证、完善主张的一个环节，因此，在论证教学中引导学生去质疑反驳不仅是结构上的需要，也是促进科学论证素养的需要.由于在目前教育的一些问题，使得学生的反驳意识淡薄，所以教师有必要通过一些使学生产生认知冲突的方式来进行引导.

现在我们证明了单摆在水平方向做简谐运动，而教科书上却直接说单摆在小角度下的运动是简谐运动，那么教科书是否错了呢？教师可以提出表6中的问题.

表6 问题与目标

学生进一步思考，2位学生发表了观点.

学生4：不可以，因为如果把单摆的运动看成简谐运动，就默认单摆只有水平方向的运动了，那么它又如何实现动能与势能之间的能量转化的.

经过大家的分析思考，一致认为学生5 的观点是合理的，在小角度下单摆的运动可近似看成是简谐运动，与教科书的观点是一致的.

点评：在课例“单摆”片段一中，通过教师的辅助，学生明确了一个一个的科学论证环节，一步一步地经历了科学规律的探索过程.在这个教学过程中，不仅科学论证的过程结构得以显化，而且促进了学生认知结构的重构和优化.

2 学生互助模仿，内化论证思想

模仿是人类学习的一种重要方式，也是学习迁移、创新提升的基础.因此，对于刚了解科学论证模式的高中生来说，模仿教师并亲身实践是最适合的巩固方式，既可以强化新知规律，又可以内化论证思想.

课例“单摆”片段2.

通过教师的引导，已经让学生经历了单摆在小角度下的运动是否是简谐运动的科学论证过程，并且得出了较为完善的主张，那么顺势利用这种简谐运动的周期与多种因素有关的特征，鼓励学生互助研究、模仿教师演示的科学论证过程去探索新的规律，因此需要采用以下4 个子策略.

2.1 主张构建多元化

主张是科学论证的起点，主张的多元化有利于展开下一步的论证.在物理教学中，主张构建的基点在于问题情境，一个具备探究意义和论证空间的情境问题，自然会激发学生思维，自主构建多维度的主张.

教师可为学生提供一个简易的小角度下单摆周期影响因素的小实验（器材包括：铁架台、细线、铁质小球、米尺、条形磁铁等必要器材），并提出表7中的问题.

表7 问题与目标

受到问题驱动的学习小组，开始尝试单摆实验，为学习小组确立自己的主张.通过学生的尝试与删选，基本确立了两个主张如表8.

表8 小组主张

2.2 证据寻觅规范化

证据是科学论证的基础，科学有效的证据是确定是否继续论证的判断依据，对于物理规律而言，实验数据就是一种基本的事实证据，因此，只有通过规范的实验测量和数据采集，才能保证实验数据的真实性和可靠性.

学生在确立学习小组的主张后，开始通过物理实验寻找相关的证据.

小组1、3、6：改变摆长，多次测量周期，取得摆长与周期对应的数据，根据数据可知，摆长l越大，周期T越大.实验数据如表9.

表9 摆长与周期的数据1

小组2、4、5：无法改变重力加速度，用磁铁磁力模拟增加重力，从而增加“重力加速度”，根据数据可以确定，重力加速度与周期呈现负相关，即g越大，T越小；g越小，T越大，实验数据如表10.

表10 摆长与周期的数据2

2.3 理由阐述多样化

理由阐述是科学论证的必备环节，推理则是阐述理由的常用手段，逻辑严密的推理可以让证据与主张之间建立合理解释（理由）、形成对主张的价值认同，而多样化的推理方式也有助于学生拓展思维、相互借鉴、共同进步.

由于实验器材的限制和研究方向的不同导致各学习小组所得到的数据量出现了差异，因此各学习小组根据自己的情况进行了不同方式阐述，给出了不同的理由.

图2 摆长与周期的图像

2.4 反驳论证深度化

反驳是科学论证质量的一个重要指标，通过对他人的观点、引用的事实或理论依据以及推理过程提出深度的质疑和批判，不仅促使了观点构建者和反对者的进一步反思与论证，同时也为主张的可靠性提供了保障.

通过刚才的论证过程，学习小组分别给出了充分的证据和理由，维护了自己的主张，同时也得到了单摆周期与摆长、重力加速度之间的定量关系，但是有位学生提出了两个问题，又使大家陷入了沉思.

问题1：我们测得的摆长与周期的数据足够了吗？会不会出现类似牛顿第二定律实验一样的情况（随着数据的增大，条件不再满足）？

这两个反问就是一种反驳，认为数据可能不够完整或者理论推导可能是存在局限性，同时对表达式的理解提出了极限性的思考.

对第1个问题，经过部分学生（物理资优生）的思考讨论，提出了对原主张的反驳.

反驳1：实验中只测定了有限的摆长数据，该数据不完整，证据存在缺陷.

图3 受力分析图

对第2个问题，一位平时不太发言的学生提出了自己的反驳.

反驳3：如果g→0，相当于万有引力（或重力）趋向于0，物体就不再受力，那么单摆模型成立的条件崩塌，之后的所有推导均不成立，也就不能用刚才的周期表达式来理解，所以重力加速度g越小，周期T越大.这个结论没有问题，但是说，当g→0时，T→∞那是不成立的.

经过各学习小组集体研究和个别学生的几番反驳与论证，探索到了新的物理规律，完善了科学的主张，体会到了寻求真理的曲折过程，同时也熟悉了科学论证的论证要素与结构，全方位体验了科学论证的过程.

点评：在课例“单摆”片段2中，通过学生的互助，再次实践了科学论证的每一个的环节，

经历了另一个科学规律的探索过程，在这个教学过程中，不仅科学论证的意识得以强化，而且促进了论证思想的渗透和论证素养的提升.

3 结束语

在实施以上教学策略时应关注以下3个关键方面.

以学生“已有的知识和经验”为论证起点，通过提示性的问题引导学生思考，才能触及思维的最近发展区，为科学论证素养的培养创造条件.

以学生“有效参与论证活动”为论证时空，通过学生模仿教师、相互帮助，让课堂以学生的论证探讨为中心，为科学论证素养的培养奠定基础.

以学生“提升科学论证素养”为论证根本，教学是个性化和创造性的活动，［4］形式可以变化，但教师必须在以科学论证素养培养的大前提下进行自由发挥，为科学论证素养的培养提供保障.

总之，在论证教学实施的过程中，应让学生成为科学论证过程的主体，教师全力辅助学生投入到课堂的论证活动中去，实现以培养科学论证素养为根本的论证式物理教学.