基于科学论证思维的简谐运动教学实践和探索

摘 要：科学论证是高中物理学科素养中的重要内容，如何在教学中发展和培养学生的科学论证能力是一个重要的课题。以“简谐运动”教学为例，利用问题激发学生思考，通过“师生互动”和“同伴互助”两种教学组织方式帮助学生搭建思维支架，逐步发展和培养学生的科学论证能力。

关键词：科学论证；师生互动；同伴互助；教学组织方式

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）10-0005-5

收稿日期：2024-02-22

基金项目：江苏省教育科学“十三五”规划项目“基于科学实验影视资源育人价值的物理教学创新研究”（Ｄ／２０２０／０２／１０３）。

作者简介：孙欢（1991-），女，中学一级教师，主要研究方向为高中物理学科教学和实践。

*通信作者：李俊成（1973-），男，正高级教师，江苏省教学名师，主要研究方向为高中物理学科教学、高考及高考试题。

《普通高中物理课程标准（2017年版２０２０年修订）》指出，科学论证是物理学科核心素养的重要内容，是分析综合、推理论证等思维方法在科学领域的具体应用［１］。开展科学论证教学，引导学生像科学家一样展开基于证据的论证活动，培养学生的科学论证能力，是当前教学中的薄弱环节。究其原因，一方面，是当前的探究教学流于形式化和程序化；另一方面，是没有科学运用教学组织方式帮助学生搭建思维支架。本文以“简谐运动”的教学片段为例，探讨如何在高中物理课堂中运用“师生互动”和“同伴互助”两种教学组织方式培养学生的科学论证能力。

１ 基于科学论证的教学流程

科学论证是以科学知识为中介，积极面对问题，对所获得的数据资料进行解释和说明，提出自己的论点，反思自己和别人论点的不足并提出反论点，同时能反驳他人的质疑和批判的高级思维能力，主要包含主张、证据和推理三个核心要素［２］。基于科学论证的教学流程强调以证据为核心，以思维为实质。教学中的证据是一个宽泛的概念，可以理解为理由和依据，既包括用于建立论点（主张）时情境中的信息和利用原有认知得到的推理条件，也包括利用探究计划获取的所有数据，它贯穿于整个教学过程。从证据到最终论点形成需要学生能够整合已知信息，通过推理、判断制订探究计划进行证伪或证实，是一个循环往复动态发展的过程。整合信息是基于情境提出问题，再利用已有的知识和认知提出假设建立论点，可以培养学生的分析、综合等思维。推理分为两种方式，一种是从证据到结论的正向推理，一种是从结论到证据的逆向推理，有利于培养学生的抽象、概括等思维。制订探究计划验证论点包含了实验设计、实验操作和交流反驳等环节，其中寻找证据和结论之间的逻辑关系是探究中的重要步骤，对于学生演绎、归纳思维要求较高。具体教学流程如图１所示。

２  基于科学论证的教学片段

简谐运动是在学生学习过直线运动和曲线运动的基础上对一种新运动形式的研究，学生已经知道如何建立坐标系和用位移、速度、加速度、力、能量等物理量描述运动。在之前的学习过程中，学生已经掌握了利用公式、运动过程图示和图像（如位移—时间图像，速度—时间图像）来描述运动，积累了大量的科学知识，具备了一定的分析和解决问题的能力，可以为科学论证提供知识和能力基础。

２．１ 师生互动，以问题引领论证

通过前面的学习已经掌握了机械振动的概念，了解了它具有周期性和往复性的特点，如何描述这种运动形式呢？图像法最为直观。位移是最易测量的，如何获得位移随时间变化的图像，并引导学生对“如何获得数据”“如何对实验数据进行分析”等问题的解决形成框架。

按照基于科学论证的教学流程，在教学中设置了问题引导学生的思考方向（表1）。

教学过程中关于如何描绘位移—时间图像，学生最为熟悉的是描点作图法，记录不同时刻弹簧振子的位移，然后将每个点用平滑的线连接起来，学生尝试画出的位移—时间图像如图4所示。

哪一个猜想是正确的？通过获取更多时刻的位移数据，可以得到更精确的位移—时间图像。如何获取不同时刻的弹簧振子位移数据？打点计时器或者频闪照相机在理论上都是可行的。需要和学生说明，由于时间问题，本节课只能选取其中一个方法进行记录。引导学生观察弹簧振子不同时刻的位置图像，能否得出位移随时间变化的规律？并不能，只能看到小球上上下下的运动。在必修一中，我们将打点计时器的纸带每隔０．１ ｓ剪断，得到若干短纸带，再将短纸带贴在一张纸上，使其下端对齐作为时间轴，最后将纸带的上端中心连接起来，得到速度—时间图像，这就是用空间的均匀平移来表示时间均匀流逝。那么，学生就很容易理解为何要将所有图片在空间中均匀排列起来。

这一片段中，教师通过精心设计的问题串和学生互动，引导学生明确了探究目的，知道了探究方法是多样的，也认识到实验数据的处理不是简单地按照老师布置的步骤一步步完成即可，再一次体会了在科学论证中描绘图像的方法。

２．２ 同伴互助，以讨论生成论证

通过实验探究获得弹簧振子的位移—时间图像后，我们需要进一步明确位移随时间变化的函数关系。如何处理图像中的数据进而得出规律，是科学论证中最重要的环节。探究的开始，教师通过问题帮助学生明确论证的内容（表2）。

２．２．１ 特殊值验证

学生Ａ：数学上我们可以用关键点来描绘函数图像，同理，我们可以通过测量关键点或者特殊点来验证。一个周期对应的是３６０°，那么特殊值３０°对应的就是T/１２，４５°对应的是T/８，６０°对应的是T/６，依此类推。

学生Ｂ补充：由于简谐运动的对称性和周期性，我们只需要验证前１/４周期。

学生讨论修改，最终形成表格，如表３所示。

２．２．２ 函数拟合

学生Ａ：特殊值法验证只是说明了验证的几个点符合正弦函数，并不能验证图像上所有点都符合正弦函数。

学生Ｂ：将数据输入到可以处理数据的软件中，拟合成一个函数。

学生Ｃ：利用几何画板，将不同时刻的位移标注好，然后再绘制一个正弦函数曲线（图５），发现每一个点都和正弦函数吻合。

学生Ｄ：现在已经证明，在一个周期内弹簧振子的位移—时间图像是正弦函数，那多个周期的图像是否也是正弦函数？

学生Ｅ：我们可以采集多个周期的数据，利用方法１或方法２进行验证。

学生Ｆ：或者换用传感器采集多个周期数据，传感器的功能比较强大，可以直接拟合图像，并显示图像的函数式（图5）。

２．２．３ ＤＩＳ位移传感器描绘图像

教师提供实验器材，并说明传感器的使用方法。

学生Ａ：在弹簧的正下方挂上位移传感器的发射器充当重锤，下方是接收器，如图６所示。打开软件，电脑可以实时显示出重锤位移随时间变化的图像（图７），通过ＤＩＳ传感器中的数据处理功能，我们可以直接得出该图像的函数式。

实验图像的处理一直是高中教学中的薄弱环节，这主要因为大部分高中物理规律图像都是直线。学生可以很快猜想得出简谐运动的位移—时间图像是正弦函数。那么如何验证呢？我们可以直接通过软件拟合简单地告知学生确实是正弦函数，这也不会影响学生知识规律的习得，但是无法帮助学生形成“如何处理实验图像”的一般性认识框架，那么在下一次实验探究和科学论证中学生就失去原有认知，也就不会形成科学论证思维。

这一教学片段通过同伴之间的讨论互助，从特殊点入手，再到一个周期内图像的函数拟合，最后利用软件直接得出多个周期的函数关系式，由点及面步步深入，将数学中的方法迁移到物理中，学生进行思维碰撞生成最终论证结论，让他们意识到原来科学论证如此简单。

２．３ 师生互动，以反思升华论证

对于任意方向上弹簧振子的位移—时间图像是否是正弦函数，教学中不能简单用一句“大量实验可以表明”就得出结论，我们需要给予学生更多的实验现象进行思维支撑，并帮助学生形成完整的科学论证框架（表4）。

由于目前国内教学时长的限制，科学论证的最终环节一般是通过教师的引领形成论点。但是教学中不能简单地利用“误差允许范围内”“大量实验表明”这样的笼统话语灌输，而是要给与学生思考的空间，和学生强调这节课的结论是基于我们目前的探究粗略得出，关于如何更加精确地进行实验和分析实验误差，是课后可以进一步思考的问题。

３ 对科学论证教学的启示

传统的“食谱式（ｃｏｏｋｂｏｏｋ）”探究教学，片面强调动手，表现为教师给出实验清单，学生只需要按部就班、照猫画虎地进行技术性重演［４］。科学论证是一种认知技能，强调的是学生“动脑”，所有的操作步骤都是基于对证据的获取。简谐运动的教学对于学生的思维要求较高，这就要求教师在教学中要通过多种方法帮助学生铺设思维通道，引导他们有意识地训练和发展科学论证思维能力，在教学片段一、片段三中利用问题进行师生互动，主要是帮助学生在以下几个方面搭设思维支架：（1）提供及时的反馈，引导学生的思维方向；（2）提供多元化的观点，使学生产生认知冲突，进一步思考现象的本质；（3）根据过程的需要，及时发问、提供建议、评论，并对探究工具进行使用说明，使学生的思维聚焦在探究论证问题本身［５］。因此，在科学论证教学中，师生互动这一教学组织形式更有利于帮助学生厘清论证环节，突破论证难点，聚焦论证重点。

同伴互助论证学习可以促进学生多角度思考问题，针对某个议题提出多个论点，激发学生思维竞争性、批判性和形成结构化［６］。简谐运动是学生在学习了直线运动和曲线运动基础上展开的，同时高二的学生对于实验探究方案设计和数据分析也形成了一般性的认识框架。教学片段二中，通过同伴互助的方式促进了学生观点的讨论交流和反驳，也加强了对思维过程的相互审视。由此可见，在科学论证教学中，同伴互助更有利于帮助学生解决认知冲突，解决多解的开放性问题，完善论证过程。

师生互动和同伴互助为科学论证提供了组织方式，科学论证为同伴互助和师生互动学习提供了具体的任务﹐在科学论证教学中应合理运用教学组织方式帮助学生搭建思维支架，真正实现１＋１＞２的教学效果。

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2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］蔡千斌．科学论证的要素及教学建议［Ｊ］．课程教材教学研究（中教研究），２０２１（Ｚ５）：６２．

［３］翁庆双，曾海辉，贾梦如． 基于“多重论证”的科学实践课堂——以初中化学“金属的复习”为例［Ｊ］．化学教学，２０２２（７）：３２－３６．

［４］马亚鹏．运用反思性论证教学策略培养学生的科学论证能力——以“小车速度随时间变化的规律”为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２３，４１（１）：１１－１５.

［５］钟志贤．促进学习者高阶思维发展的教学设计假设［Ｊ］．电化教育研究，２００４（１２）：２１－２８.

［６］王莉，廖元锡．同伴互助在高中物理科学论证教学中的应用［Ｊ］．物理教师，２０２０，４１（９）：１５－１８，２３．

（栏目编辑 赵保钢）