顧夢婷 呂華平 莊 媛

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

2017 年版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了要培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.[1]其中,科學(xué)論證是科學(xué)思維的一個重要構(gòu)成要素. 并在課程目標(biāo)中對學(xué)生所應(yīng)達到的科學(xué)論證能力做出了如下要求:具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力,能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測;具有批判性思維的意識,能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑.

但在通常的物理課堂上,教師往往過分注重操作技能和程序化的教學(xué)活動,忽視帶領(lǐng)學(xué)生尋找證據(jù)、評估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù),陷入了“有論無證”“有證無論”“有據(jù)無駁”的局面之中,[2]或是直接將物理教學(xué)視為向?qū)W生灌輸物理知識的過程,與當(dāng)代建構(gòu)主義理論相悖,無法達到新課標(biāo)中對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的要求. 因此,教師應(yīng)在教學(xué)活動中向?qū)W生提供論證的機會,以便培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力. 那如何將論證融于物理課堂,為學(xué)生提供更多參與論證的機會,是值得重視與研究的問題.

1 科學(xué)論證活動

1.1 圖爾敏論證模型

論證最早出現(xiàn)在邏輯學(xué)與法學(xué)領(lǐng)域,1958年圖爾敏提出Toulmin argument pattern(以下簡稱為TAP論證模型),為論證提供了基本范式.[3]如圖1所示,TAP論證模型由6個要素構(gòu)成,其中資料、主張、根據(jù)是核心要素,資料是論證的出發(fā)點;主張是有待論證的假設(shè);根據(jù)指的是資料過渡到主張所提供的“擔(dān)?！?而限定詞、反駁、支援則是補充性要素.

圖1 TAP論證模型

TAP論證模型強調(diào)的是論證的普遍程序性結(jié)構(gòu),關(guān)注的是論證的過程. 在物理教學(xué)中,教師可以先設(shè)置疑難情境,引導(dǎo)學(xué)生做出猜想(形成主張),根據(jù)需要論證的問題,設(shè)計論證方案,收集相關(guān)論證資料,例如進行實驗探究. 在資料的基礎(chǔ)上,一方面要對資料進行收集歸納形成事實證據(jù),另一方面引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)或物理知識進行邏輯推理、演繹推理等獲得理論依據(jù). 對于獲得的證據(jù)進行適當(dāng)評估與質(zhì)疑,并利用證據(jù)對自己的主張進行證實證偽,完成個人層面的論證;以及對他人的主張進行質(zhì)疑反駁,通過同伴間的交流論證,最終形成正確的主張.

1.2 “電磁感應(yīng)”主題教學(xué)設(shè)計思路

“電磁感應(yīng)”揭示了電與磁相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化的關(guān)系,具有一定的抽象性. 如果教師只是一味地通過實驗演示得出結(jié)論,很難建構(gòu)學(xué)生頭腦中的“電磁感應(yīng)”的完整圖式,很難培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維. 因此,嘗試以TAP論證模型為范式,以“電磁感應(yīng)”主題為例,設(shè)計了如圖2所示的基于科學(xué)論證的主題教學(xué)設(shè)計.

圖2 “電磁感應(yīng)”主題教學(xué)設(shè)計思路

以學(xué)生已有認知為思維原點,以問題鏈的形式展開,磁場能否產(chǎn)生電流?——產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么?——方向與什么因素有關(guān)?——大小又為多少?帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷形成主張、尋找證據(jù)、評估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)、再次尋找證據(jù)、形成正確主張的過程. 激發(fā)學(xué)生突破思維定勢,認識到感應(yīng)電流具有瞬時性;深入探索規(guī)律,了解楞次定律;建構(gòu)完整圖式,認識電與磁之間的定量關(guān)系. 體現(xiàn)了知識的完備性與階梯性,促進了概念進階與科學(xué)思維的提高.

2 基于科學(xué)論證的主題教學(xué)設(shè)計

2.1 利用對稱性思想，提出觀點，并證實證偽

科學(xué)論證應(yīng)從引導(dǎo)學(xué)生提出自己的主張出發(fā). 教師先介紹奧斯特的電流磁效應(yīng)實驗. 1820年奧斯特在導(dǎo)線下方放置一枚小磁針,電流接通時,小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動. 這一特殊的現(xiàn)象表明了載流導(dǎo)線對磁針的作用力,體現(xiàn)了“穩(wěn)恒電流產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場”的科學(xué)本質(zhì). 教師順勢引導(dǎo)學(xué)生思考,物理學(xué)是一門具有對稱美的學(xué)科,例如力的相互作用具有對稱性、等量同種或異種電荷產(chǎn)生的電場線具有對稱性,那電與磁之間是否同樣具有對稱性呢?穩(wěn)恒磁場能否產(chǎn)生穩(wěn)恒電流呢?

教師帶領(lǐng)學(xué)生以小組為單位,在組內(nèi)進行交流論證,并設(shè)計不同的實驗方案,最終呈現(xiàn).

(1) 嘗試使用磁鐵產(chǎn)生電流,如圖3、4所示,觀察磁鐵能否在導(dǎo)線或螺線管中產(chǎn)生電流.

(2) 嘗試使用載流導(dǎo)線激發(fā)的磁場產(chǎn)生電流,如圖5、6所示,觀察載流直導(dǎo)線能否在與之平行的直導(dǎo)線中產(chǎn)生電流;觀察載流直導(dǎo)線能否在螺線圈中產(chǎn)生電流.

圖3 實驗方案

圖4 實驗方案2

圖5 實驗方案3

圖6 實驗方案4

圖7 實驗方案5

(3) 嘗試使用載流線圈激發(fā)的磁場產(chǎn)生電流,如圖7所示,觀察載流線圈能否在穿過它的直導(dǎo)線中產(chǎn)生電流.

事實上,法拉第也設(shè)計了類似的實驗方案來探索“穩(wěn)恒

磁場能否產(chǎn)生穩(wěn)恒電流”,在合上開關(guān)后,觀察電流表的指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn). 但經(jīng)過多次實驗,卻發(fā)現(xiàn)磁鐵并不能產(chǎn)生電流,載流導(dǎo)線或線圈激發(fā)的磁場也同樣不能,產(chǎn)生質(zhì)疑“電流與磁場之間不存在對稱性嗎?”

在該環(huán)節(jié),以奧斯特的電流磁效應(yīng)實驗為資料,根據(jù)物理學(xué)對稱性,引導(dǎo)學(xué)生得出各自的主張,完成了個人層面上的初步論證. 通過共同設(shè)計實驗方案,也體現(xiàn)了從個人論證到同伴論證的過渡.

2.2 突破思維定勢，尋找證據(jù)，明確產(chǎn)生條件

對于電流與磁場之間的不對稱性,憑借學(xué)生現(xiàn)有的認知水平尚不能解決. 教師隨即向?qū)W生介紹法拉第突破轉(zhuǎn)折的物理學(xué)史. 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲音頻率發(fā)生改變時,彈性界面(例如鼓面)上的細沙呈現(xiàn)的規(guī)則圖形也隨之發(fā)生改變(如圖8所示).[4]細沙圖形改變的瞬時性給予法拉第靈感,使他意識到磁場所產(chǎn)生的電流是否也同樣具有瞬時性.這種類比遷移的科學(xué)思維使法拉第突破了一直以來的思維定勢,形成新的主張“變化的磁場能否產(chǎn)生電流”.

在此基礎(chǔ)上,法拉第終于在1831年通過“圓環(huán)實驗”,在斷開和閉合電路瞬間觀察到了感應(yīng)電流的產(chǎn)生. 一方面,教師可帶領(lǐng)學(xué)生觀察“圓環(huán)實驗”(如圖9所示),另一方面,帶領(lǐng)學(xué)生通過一系列實驗(如圖10所示)進一步尋找證據(jù),實驗本身并不難,難的是如何引導(dǎo)學(xué)生以實驗現(xiàn)象為證據(jù),挖掘本質(zhì),從磁通量的角度推理得出電磁感應(yīng)的一般條件.

圖8 聲學(xué)振動實驗

圖9 圓環(huán)實驗

分析歸納實驗現(xiàn)象,可得圖10中(甲)(乙)兩實驗是通過改變磁感應(yīng)強度產(chǎn)生了感應(yīng)電流;而切割磁感線實驗，如圖10(丙)所示，并未改變磁感應(yīng)強度,卻也產(chǎn)生了感應(yīng)電流,引起學(xué)生的認知沖突,教師引導(dǎo)學(xué)生論證發(fā)現(xiàn)此時的實驗變量是閉合導(dǎo)體回路所圍的面積.對于此處引起感應(yīng)電流的兩個變量“磁感應(yīng)強度”“閉合回路面積”,學(xué)生聯(lián)想到這便是磁通量的大小,從而建立正確主張“閉合回路中的磁通量大小發(fā)生改變時,將會產(chǎn)生感應(yīng)電流”.

圖10 探究“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件”

在該環(huán)節(jié),以法拉第受聲學(xué)振動實驗啟發(fā)的這段物理學(xué)史為資料,通過重試法拉第的系列實驗重尋證據(jù),從而認識到電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一種動態(tài)效應(yīng),也在學(xué)生頭腦中初步建立起了“電磁感應(yīng)”的圖式.

2.3 尋找證據(jù)，分析歸納，探索科學(xué)規(guī)律

在明晰感應(yīng)電流產(chǎn)生條件后,突破感應(yīng)電流的方向是學(xué)習(xí)進階的關(guān)鍵點. 教師提出問題“感應(yīng)電流的方向與什么因素有關(guān)呢?”

圖11 探究“感應(yīng)電流的方向”

學(xué)生做出猜想“感應(yīng)電流的方向與磁鐵的磁場方向有關(guān)”,并嘗試進行實驗(如圖11所示)搜集證據(jù)對主張進行證實證偽,如表1所示.

表1 論證“感應(yīng)電流的方向與磁場方向有關(guān)”

學(xué)生搜集證據(jù)并分析論證后,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向與磁場方向之間的關(guān)系并不明確,或者說感應(yīng)電流的方向不完全由磁場方向決定,還受到磁鐵插入拔出的影響. 學(xué)生進而做出猜想“感應(yīng)電流的方向與磁鐵的插入拔出有關(guān)”,并嘗試搜集證據(jù),如表2所示.

表2 論證“感應(yīng)電流的方向與磁鐵插入拔出有關(guān)”

學(xué)生搜集證據(jù)并分析論證后,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流的方向與磁鐵插入拔出之間的關(guān)系同樣不明確. 對于以上的思維困頓,學(xué)生很難概括出判斷感應(yīng)電流方向的方法. 教師引導(dǎo)學(xué)生思考,感應(yīng)電流會產(chǎn)生磁場,這一磁場朝向什么方向呢?有何規(guī)律嗎?

圖12 分析圖

利用安培定則,判斷感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向后(如圖12所示),學(xué)生發(fā)現(xiàn)“當(dāng)磁鐵插入時,磁通量增加,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與原磁場方向相反;當(dāng)磁鐵拔出時,磁通量減小,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與原磁場方向相同”. 這種“增反減同”的趨勢可被概括為“阻礙”,即“感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向總會阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,這便是楞次定律的內(nèi)容.

在這一環(huán)節(jié),以問題為驅(qū)動,探究感應(yīng)電流的方向,在獲取證據(jù)的基礎(chǔ)上,進一步層層論證,對主張進行證實證偽,培養(yǎng)了學(xué)生能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋的能力.

2.4 明晰定量關(guān)系，完善圖式，深入本質(zhì)

在明確感應(yīng)電流的方向后,突破感應(yīng)電流的大小是學(xué)習(xí)進階的關(guān)鍵點. 教師提問“感應(yīng)電流的大小由什么決定呢?”由于閉合回路中磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因. 學(xué)生大膽提出主張“感應(yīng)電流的大小由磁通量變化決定”.

教師帶領(lǐng)設(shè)計如下實驗方案,“保持磁通量變化相同,即利用同一規(guī)格磁鐵從相同高度處插入同一規(guī)格的線圈,觀察電流表示數(shù).”各小組分別進行實驗并收集證據(jù)后,卻發(fā)現(xiàn)示數(shù)并不同. 是什么因素導(dǎo)致了感應(yīng)電流的不同?學(xué)生回顧實驗過程,尋找并質(zhì)疑證據(jù),原來,雖保持磁通量變化量相同,但在這一過程中,線圈被插入線圈時的速度有快有慢. 快插時,電流表示數(shù)大,慢插時,電流表示數(shù)小.

圖13 磁鐵進入線圈

為進一步深入電磁感應(yīng)的本質(zhì)“能量守恒定律”,教師提出問題“若感應(yīng)電流的方向與楞次定律規(guī)定的方向相反,又會發(fā)生什么樣的現(xiàn)象呢”. 學(xué)生論證后發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁鐵N極插入線圈時,磁通量增加,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與原磁場方向相同,如圖13虛線所示. 因此,磁鐵在引力的作用下,動能將不斷增加,磁通量的變化率不斷增大,感應(yīng)電流隨之增大,線圈中的焦耳熱逐漸增加. 但在這一過程中,沒有任何外力做功,顯然與能量守恒定律相悖.[6]通過這種反證的方式,使學(xué)生深入到“電磁感應(yīng)”的科學(xué)本質(zhì)是能量守恒定律.

在這一環(huán)節(jié)中,引導(dǎo)學(xué)生在定性實驗的基礎(chǔ)上,尋找證據(jù)論證感應(yīng)電動勢與磁通量變化率之間的關(guān)系,完善學(xué)生頭腦中的“電磁感應(yīng)”圖式. 為深化學(xué)生對其中科學(xué)本質(zhì)的理解,利用理論演繹的方式進行佐證.

3 論證式教學(xué)的價值體現(xiàn)

在論證教學(xué)過程中,可將學(xué)生內(nèi)隱的思維外顯化,通過尋找證據(jù)、評估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)的過程,促進學(xué)生頭腦中的概念進階,深化學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的同時也可以發(fā)展學(xué)生的邏輯推理和批判性思維. 具體呈現(xiàn)在以下幾方面.

3.1 有助于促進概念進階

在論證教學(xué)中,通過為學(xué)生提供論證的機會,使學(xué)生頭腦中的原始認知有效暴露,幫助學(xué)生形成原有認知和新理論之間的認知沖突,[7]使學(xué)生的認知經(jīng)歷“平衡—不平衡—平衡—不平衡—平衡”的動態(tài)過程,最終促進學(xué)生頭腦中的概念逐層進階. 對于“電磁感應(yīng)”這一主題教學(xué)內(nèi)容,從起初建立“電流能夠產(chǎn)生磁場”的初步概念到理解更為本質(zhì)的“楞次定律”“電磁感應(yīng)定律”,不僅符合學(xué)生的認知規(guī)律,并且通過論證方式建構(gòu)起來的概念體系能在學(xué)生頭腦中留下更深刻的印象.

3.2 有助于學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解

物理學(xué)家是遵循著“發(fā)現(xiàn)的邏輯”推動著科學(xué)的發(fā)展,體現(xiàn)了嚴(yán)謹?shù)倪壿嬓? “電磁感應(yīng)定律”的建立同樣經(jīng)歷了漫長的歲月,根據(jù)證據(jù)進行不斷修正. 在論證教學(xué)過程中,通過引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”,幫助學(xué)生認識到蘊藏在物理學(xué)背后的科學(xué)知識本質(zhì)與科學(xué)探索本質(zhì),[8]科學(xué)知識是依靠證據(jù)并在新的證據(jù)下不斷修正的,科學(xué)探索則需要實驗與邏輯的結(jié)合,有利于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

3.3 有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)論證教學(xué)是以學(xué)生的已有知識為思維原點,通過論證的方式帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷尋找證據(jù)、評估證據(jù)、質(zhì)疑證據(jù)的過程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維. 在形成主張的基礎(chǔ)上,通過實驗探究獲得實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù),使學(xué)生建立起尋找證據(jù)的意識;在實驗現(xiàn)象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進一步篩選鑒別、分析歸納,提升了學(xué)生評估證據(jù)以及科學(xué)推理的能力;而引導(dǎo)學(xué)生對主張或是證據(jù)提出質(zhì)疑,例如質(zhì)疑“電流與磁場之間是否具有對稱性”“感應(yīng)電流的方向與楞次定律規(guī)定的方向相反”,則培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑精神以及批判性思維,促進學(xué)生的科學(xué)思維向深度發(fā)展.