張春麗 袁光秀

摘 要：本文基于《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的學(xué)科核心素養(yǎng)和相關(guān)理論，以“重力勢(shì)能”這節(jié)概念課為例，通過若干教學(xué)片斷，呈現(xiàn)了提升學(xué)生科學(xué)論證能力的物理課堂所具備的特征，為中學(xué)物理開展論證教學(xué)提供了參考案例。

關(guān)鍵詞：提升；科學(xué)論證能力；教學(xué)實(shí)踐；案例

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）9-0004-4

2017年底，我國教育部頒布了最新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)明確提出“科學(xué)思維”是物理核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，并進(jìn)一步說明“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。“科學(xué)論證”首次明確寫進(jìn)我國的物理課程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中?；诳茖W(xué)論證的重要地位，采用論證方式展開教與學(xué)的活動(dòng)，已成為當(dāng)前國際科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)。但是在我國，將論證教學(xué)應(yīng)用于科學(xué)教育的研究才剛剛起步。前不久，筆者主持的一節(jié)區(qū)級(jí)研究課“重力勢(shì)能”對(duì)此進(jìn)行了些許嘗試。

1 理論依據(jù)與設(shè)計(jì)初衷

近年來，越來越多的科學(xué)教育研究者發(fā)現(xiàn)了科學(xué)論證在科學(xué)教育中的重要性。希門尼斯曾指出：科學(xué)探究作為一種為了理解自然世界而生產(chǎn)、辯護(hù)知識(shí)和信念的行動(dòng)，論證尤其發(fā)揮著重要的作用[2]。隨著各國教育界對(duì)科學(xué)探究的深入研究，“論證”被提到了科學(xué)教育中相當(dāng)重要的位置。美國國家研究委員會(huì)于2013年發(fā)布的《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中又一次明確將“基于證據(jù)的論證”列為從幼兒園到十二年級(jí)科學(xué)教育中的八種基本實(shí)踐之一。也有研究顯示，學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)必須由教師有針對(duì)地進(jìn)行。當(dāng)前科學(xué)教育中開展論證活動(dòng)最重要的理論基礎(chǔ)是圖爾敏論證模式[3]。

1.1 圖爾敏論證模式

圖爾敏論證模式包含資料、主張、理由、支持、限定條件、反駁六個(gè)要素，其論證過程的模式如圖1所示。

在該論證模式中，“資料”即論證由之開始的材料或信息；“主張”即一項(xiàng)斷言或斷定，是指論證者陳述的、試圖在論證中證明為正確的結(jié)論；“理由”即說明如何由資料或數(shù)據(jù)通過推理進(jìn)而得到一項(xiàng)結(jié)論或主張；“支持”是指在論證過程中所依據(jù)的法則、條文、原理、理論或定律公式等，是眾人能接受的通則，用以證明提出主張的理由；“限定條件”即表明該論證主張是正確的前提條件；“反駁”即主張不能成立的情況，也稱“反例”。

1.2 Erduran等的科學(xué)論證能力表現(xiàn)評(píng)價(jià)框架[4]

在科學(xué)論證能力的研究上，比較有影響的還有Erduran等提出的以反駁為主要結(jié)構(gòu)要素的科學(xué)論證表現(xiàn)評(píng)價(jià)框架，包含5個(gè)水平，如表1所示。

該評(píng)價(jià)框架從“反駁”這一要素的層面，為論證活動(dòng)的開展和實(shí)施提供了很好的參考。

1.3 “重力勢(shì)能”的設(shè)計(jì)初衷

從知識(shí)建構(gòu)的角度看：重力勢(shì)能這一概念的建立一直是高中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，這一難點(diǎn)解決不好，不僅對(duì)接下來動(dòng)能概念的建立不利，而且對(duì)后續(xù)電勢(shì)能、分子勢(shì)能等“勢(shì)能”這一大概念的建立也非常不利；從認(rèn)知邏輯的角度看：教材基本上是通過理論推理的方式得到“mgh”這一重力勢(shì)能的表達(dá)式。但為什么能夠采取這樣的方式，以及采取這種方式的“限定條件”是什么等等，都要求學(xué)生具備較高的推理論證能力，所以本節(jié)課一直是教學(xué)實(shí)操中的一個(gè)困難點(diǎn)。

基于此，筆者嘗試以上述理論為基本依據(jù)，主要采用科學(xué)論證的方式來推進(jìn)教學(xué)，希望能突破這一教學(xué)難點(diǎn)，同時(shí)在概念課的教學(xué)中探索論證教學(xué)的特征。

2 精設(shè)核心問題——突出“提煉觀點(diǎn)、依據(jù)事實(shí)”的基本素養(yǎng)

精心設(shè)置核心問題在科學(xué)論證的過程中有著非常重要的作用，這也是影響學(xué)生提煉自我“觀點(diǎn)”的主要因素，而提煉“觀點(diǎn)”的背后必須有一定的“事實(shí)證據(jù)”作為“理由”來“支持”。物理學(xué)是一門實(shí)證性很強(qiáng)的學(xué)科，養(yǎng)成“基于證據(jù)提出觀點(diǎn)和主張”的習(xí)慣，是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中應(yīng)當(dāng)逐步形成的基本素養(yǎng)。

教學(xué)片斷：你認(rèn)為物體的重力勢(shì)能可能與哪些因素有關(guān)？有哪些事實(shí)依據(jù)可以支持你的觀點(diǎn)？

在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，基于初中的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生基本上都能猜想到重力勢(shì)能可能會(huì)與物體的質(zhì)量以及物體所處的高度有關(guān)，只是還不太習(xí)慣明確地表達(dá)并解釋自己的觀點(diǎn)。在教師讓學(xué)生提供支持自己觀點(diǎn)的事實(shí)依據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生一開始明顯有點(diǎn)不太適應(yīng)“提供事實(shí)依據(jù)”的做法，但讓學(xué)生 “互相講事實(shí)依據(jù)”時(shí)，學(xué)生就活躍了。在接下來的學(xué)生代表展示環(huán)節(jié)中就表現(xiàn)得比較理想了，有學(xué)生根據(jù)日常的觀察舉出了一些事例，也有學(xué)生做了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來說明。例如，有學(xué)生提供的實(shí)驗(yàn)方案如下：在透明的容器中放入細(xì)沙，讓質(zhì)量相同的砝碼，從不同高度下落，砝碼陷入細(xì)沙的深度不同，說明重力勢(shì)能與物體所處的高度有關(guān)；讓質(zhì)量不同的砝碼，從相同高度下落，砝碼陷入細(xì)沙的深度也不同，說明重力勢(shì)能與物體自身的質(zhì)量也有關(guān)。

在上述教學(xué)片段中，教師并沒有直接或間接地呈現(xiàn)相關(guān)資料，而是需要學(xué)生自己根據(jù)問題，通過自主搜尋材料或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，尋求支持自己“觀點(diǎn)”的“事實(shí)證據(jù)”。顯然，學(xué)生在解決這一問題的過程中，自然而然地習(xí)得了一種基于“事實(shí)證據(jù)”進(jìn)而提出“觀點(diǎn)”的科學(xué)探究習(xí)慣。同時(shí)，也為后續(xù)“探尋重力勢(shì)能的定量表達(dá)式”提供了初始的寶貴“資料”和“證據(jù)”。

3 精設(shè)遞進(jìn)問題——彰顯“邏輯論證、深入推理”的思維過程

學(xué)生在一定的事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上初步提出了觀點(diǎn)，但對(duì)一門精深的科學(xué)而言，僅僅有這些是不夠的，還需要在事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)之間能夠建立起科學(xué)的邏輯關(guān)系鏈，即整合學(xué)科知識(shí)（包括事實(shí)性知識(shí)、概念性知識(shí)和元認(rèn)知知識(shí)[5]）、聯(lián)結(jié)事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)，且能夠順利完成事實(shí)證據(jù)和觀點(diǎn)之間的多步或多維推理，使之更進(jìn)一步走向定量和精準(zhǔn)。也只有親歷了這樣逐步深入的推理論證過程，才能使學(xué)生更加充分地體驗(yàn)到科學(xué)思維的縱深精妙與寬廣無垠。

然而，對(duì)于高一的學(xué)生來講，直接面對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的問題，學(xué)生往往難以招架，不易形成清晰的邏輯論證過程，這也是本課教學(xué)困難的原因之一。為此，我們?cè)趯?shí)操中對(duì)教材的論證過程進(jìn)行了拆分和改進(jìn)，基于問題難度的逐步遞進(jìn)和邏輯認(rèn)識(shí)的逐步深入，通過精心設(shè)置兩個(gè)遞進(jìn)式的問題，分層論證、逐步深入，以此來展開我們的論證教學(xué)。

教學(xué)問題1：如圖2所示，物體從某一高度沿兩種不同的路徑下落到另一高度，你認(rèn)為重力所做的功相同嗎？請(qǐng)對(duì)你的觀點(diǎn)予以論證。

主要論證過程：物體沿豎直直線運(yùn)動(dòng)的過程中重力做的功為WG=mgh=mgh1-mgh2

物體沿傾斜直線運(yùn)動(dòng)過程中重力做的功為

教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在論證物體沿傾斜直線運(yùn)動(dòng)過程中重力做的功仍為“mgh1-mgh2”時(shí)并不十分順暢，所以單列這一步的推理論證是十分必要的。確保學(xué)生順利“通過這一關(guān)”，也為下一環(huán)節(jié)“微元法”的應(yīng)用、“由特殊到一般的歸納推理”以及對(duì)結(jié)論的“普遍性進(jìn)行質(zhì)疑”等環(huán)節(jié)做好論證的充分準(zhǔn)備。

教學(xué)問題2： 在圖2情境下所得的結(jié)論 “重力做功與物體運(yùn)動(dòng)的路徑無關(guān)，只與始末位置的高度有關(guān)”。這是一個(gè)普適結(jié)論嗎？請(qǐng)對(duì)你的觀點(diǎn)予以論證。

圖2所示的僅僅為兩種情況，由此歸納得出的結(jié)論“重力做功與物體運(yùn)動(dòng)的路徑無關(guān)，只與始末位置的高度有關(guān)”，其“限定條件”是否只對(duì)這兩種情況成立？該結(jié)論是否是一個(gè)普適結(jié)論？對(duì)此提出“質(zhì)疑”正是良好科學(xué)素養(yǎng)的體現(xiàn)。由于是新概念課，學(xué)生很難自主質(zhì)疑，因此，我們?cè)诮虒W(xué)設(shè)計(jì)時(shí)就事現(xiàn)預(yù)設(shè)了較為深入的“質(zhì)疑環(huán)節(jié)”，“逼迫”學(xué)生“想方設(shè)法”來論證這一結(jié)論的普適性，并由此進(jìn)入到更深一層次的論證過程，學(xué)生也隨之進(jìn)入到深度思維的階段。

在此“質(zhì)疑”環(huán)節(jié)，“逼迫”學(xué)生“不得不”在任意路徑下進(jìn)行論證。如圖3所示，學(xué)生“不得不”假設(shè)這個(gè)物體沿任意路徑由高度是 h1 的起點(diǎn) A運(yùn)動(dòng)到高度是 h2 的終點(diǎn) B。先讓學(xué)生在比較充足的時(shí)間里進(jìn)行一番“獨(dú)立思考”，學(xué)生在一番“苦思冥想而不解”之時(shí)，教師適當(dāng)啟發(fā)：可否在教學(xué)問題1中結(jié)論的基礎(chǔ)上展開？可否嘗試曾經(jīng)使用過的微分思想“化曲為直”？之后再放開讓學(xué)生“交流碰撞”。教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生之間的討論非常熱烈和興奮。最后，學(xué)生“不得不”根據(jù)學(xué)過的微元法把整個(gè)路徑分成許多很短的間隔AA1、A1A2、A2A3 ……討論之后，學(xué)生代表在展示講解中，普遍能呈現(xiàn)出依據(jù)清晰、條理分明的邏輯推理過程。

主要論證過程：如圖3所示，把整個(gè)路徑分成許多很短的間隔：AA1、A1A2、A2A3……由于每一段都很小，因而都可以近似地看作一段傾斜的直線。設(shè)每段小斜線的高度差分別是Δh1、Δh2、Δh3……則物體通過每段小斜線時(shí)重力做的功分別為mgΔh1、mgΔh2、mgΔh3……物體通過整個(gè)路徑時(shí)重力做的功等于重力在每小段上所做的功的代數(shù)和，即

在發(fā)現(xiàn)了WG=mgh1-mgh2是一普遍結(jié)論后，綜合前述的“觀點(diǎn)”“事實(shí)證據(jù)”、功能關(guān)系以及量綱等“理由”，初步得出可以把“mgh”定義為重力勢(shì)能。在此基礎(chǔ)上，再展開相應(yīng)的教學(xué)，突出在重力做功的過程中物體與地球系統(tǒng)就會(huì)釋放“內(nèi)蘊(yùn)的勢(shì)能”；反之，外界克服重力做功的過程，就會(huì)消耗外部能量使得物體與地球系統(tǒng)“內(nèi)蘊(yùn)的勢(shì)能”增加。

4 重視逆向思維——激發(fā)“反駁、拓展論證”的深度教學(xué)

近年來反駁維度已成為科學(xué)論證教學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，該環(huán)節(jié)也是我們當(dāng)前教學(xué)中容易缺失的環(huán)節(jié)。隨著反駁數(shù)量和反駁顯化程度的提升，教學(xué)的層次也將隨之逐步深入，教學(xué)的視域也隨之打開，此時(shí)的教學(xué)生成往往會(huì)大大出乎教師的預(yù)期。

反駁是一種常見的思維方式，又稱逆向思維，逆向思維也叫求異思維，它是對(duì)司空見慣的似乎已成定論的事物或觀點(diǎn)反過來思考的一種思維方式。逆向與正向?qū)α?，正向思維往往是常規(guī)的、常識(shí)的、公認(rèn)的或習(xí)慣的想法與做法；逆向思維則恰恰相反，是對(duì)傳統(tǒng)、慣例、常識(shí)的反叛，是對(duì)常規(guī)的挑戰(zhàn)，它能夠克服思維定勢(shì)，破除由經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣造成的僵化的認(rèn)識(shí)模式。敢于“反其道而思之”，讓思維向?qū)α⒚娴姆较虬l(fā)展，從問題的相反面深入地進(jìn)行質(zhì)疑和探索，樹立新的思想，往往會(huì)有重大的新發(fā)現(xiàn)。在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后，法拉第正是采用逆向思維，既然“電可以生磁”，那么反過來“磁可以生電”嗎？也正是這一“逆向思維”促進(jìn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的偉大發(fā)現(xiàn)。

本節(jié)課在得出了把“mgh”定義為重力勢(shì)能之后，我們進(jìn)一步開拓教學(xué)的縱向深度，把論證推向一個(gè)高潮，即從建立概念的“限定條件”出發(fā)進(jìn)行旗幟鮮明的 “反駁”。由于學(xué)生還不太習(xí)慣這種教學(xué)方式，所以我們基于教材，直接預(yù)設(shè)了兩個(gè)漸次深入的問題來展開“反駁”和“拓展論證”，以幫助學(xué)生對(duì)“重力勢(shì)能”這一概念的深入理解，同時(shí)也為后續(xù)學(xué)習(xí)電勢(shì)能、分子勢(shì)能等“勢(shì)能”這一大概念奠定良好的認(rèn)知基礎(chǔ)。

教學(xué)問題1：假如“重力做功與物體運(yùn)動(dòng)路徑有關(guān)”，我們還能定義“重力勢(shì)能”這一概念嗎？請(qǐng)對(duì)你的觀點(diǎn)予以論證。

教學(xué)實(shí)操中發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的認(rèn)知還不是十分到位，再加上學(xué)生對(duì)論證的各種方法在物理問題中的應(yīng)用還不太習(xí)慣，所以學(xué)生對(duì)這一問題的應(yīng)對(duì)普遍不太理想，學(xué)生在一開始很難找到較滿意的論證依據(jù)和論證方法。在教師的不斷啟發(fā)下，學(xué)生的思維逐步活躍起來。比如，有些小組就發(fā)現(xiàn)比較好的論證方式是“反證法”。

主要論證過程：設(shè)物體從某一位置A運(yùn)動(dòng)到另一位置B ，假如“重力做功與物體的路徑有關(guān)”，由于物體沿著不同的路徑重力所做的功不同，那么重力勢(shì)能的改變量也就會(huì)不同。選擇B位置為重力勢(shì)能的參考平面，則物體在同一位置A所具有的重力勢(shì)能的數(shù)值，就會(huì)隨著路徑的不同而各不相同，重力勢(shì)能不再“唯一”，具有不確定性，也就無法確切定義重力勢(shì)能的概念了。

教學(xué)問題2：教材為什么沒有定義“摩擦力勢(shì)能”的概念呢？能定義“摩擦力勢(shì)能”的概念嗎？請(qǐng)分析說明你的觀點(diǎn)。

該問題實(shí)質(zhì)上是在教學(xué)問題1的基礎(chǔ)上進(jìn)行的又一次“拓展論證”。由于學(xué)生對(duì)勢(shì)能的理解已經(jīng)有了一定的深度，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在該問題的討論中，異?；钴S，話語豐富，學(xué)生在一番“思維碰撞”后，各討論小組基本上都能給出較為理想的“觀點(diǎn)”和“理由”，論證過程的層次性也較強(qiáng)：先給出兩種（或幾種）不同路徑，證明摩擦力所做的功隨著路徑的改變而不同；接著說明“摩擦力勢(shì)能”的變化不同；最后說明“摩擦力勢(shì)能”的數(shù)值不唯一，具有不確定性，因而無法定義“摩擦力勢(shì)能”。

相信經(jīng)過這一系列的論證教學(xué)之后，學(xué)生對(duì)“重力勢(shì)能”以及“勢(shì)能”這一大概念會(huì)有較為深入的理解。

5 結(jié) 語

基于科學(xué)論證能力提升的物理課堂教學(xué)實(shí)踐，要求結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，關(guān)注論證的各要素，合理采用論證的方式展開教學(xué)，對(duì)廣大物理教師來說，還需要進(jìn)一步探索。我們期待在本輪課程改革中能涌現(xiàn)越來越多思維靈動(dòng)、素養(yǎng)豐實(shí)的課堂教學(xué)！

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