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
时间：2023-04-23 09:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
马亚鹏
银川市第九中学，银川 750011
《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》将科学论证作为科学思维的要素纳入了物理学科核心素养，明确倡导基于科学论证的物理教学［1］。然而，科学论证教学仍然是物理教学的薄弱环节，实践中对如何做好论证教学不甚明了。究其原因，一方面是对科学论证的重视不够，另一方面则缺乏行之有效的教学策略。本文在对科学论证教学现状分析的基础上，依据学习心理学对元认知的研究提出了反思性教学策略，并以“小车速度随时间变化的规律”的科学论证为例，以期为改善科学论证教学，如何在教学中融合科学探究与科学论证提供可资借鉴的“范例”。
科学论证是论证在自然科学领域的运用，其内涵是利用证据建立科学的理由以支持科学主张［2］。开展基于科学论证的物理教学，就是将科学活动中的论证引入物理教学，引导师生像科学家一样开展基于证据的论证活动以发展学生的科学思维能力［3］。然而，教学实践中却存在着论证能力培养不足的问题，如有研究对中学教师的调查显示科学探究的质量不高［4］，备受诟病的是科学探究教学程序化、形式化现象严重。另外，教师在实施科学探究教学时，往往比较重视猜想假设、实验设计和实验操作等，而分析论证环节则草草了事，甚至经不住推敲。如以“在实验误差允许的范围内”之语搪塞数据与理论之间的偏差；
或者单次实验就可以得出一个普遍结论，以“大量的实验均表明”之语确证探究结论。就目前常态课的教学现状而言，科学论证教学仍是我国物理教学的薄弱环节。
科学论证教学的薄弱固然与教师的教学观念（理念）有关，更与缺乏行之有效的教学策略有关。已有的科学论证教学模式如5E教学模型、新版ADI模型及相应的教学策略可以保证探究和论证活动的顺利展开，但仍无法抵达深度的论证。这是因为基于证据的论证是一种高阶思维能力，不仅与学生物理基础等认知水平有关，还与监控、反思等元认知水平有关。学习心理学研究表明，对认知的反思是一种学习能力，能够对认知起重要的调节作用，这是因为反思意味着主体抽身于现实状态之外，因而有能力超脱于应对性活动之上，从而对主体自身进行更为客观而远大周详的思考检讨［5］。有鉴于此，为了深化科学论证教学，笔者将“反思性教学”引入科学论证，提出了反思性论证教学策略。
“反思性教学”并非指教师的教学反思，而是指教师根据科学论证的目的、方案、操作、数据采集、数据处理、推理论证等合理设计教学，引发学生的思考、讨论、交流等，并在此反思性学习过程中形成对“如何完成实验”“如何对实验结果进行分析”“如何得出有效的、真实的结论”等问题的一般性认识框架。这一认识性框架具有“可迁移性”，会成为下一次科学探究与论证教学的“先行组织者”，并逐渐成为学生的能力品质，这对与核心素养研究所提出的批判性思维等跨学科通用能力的培养亦大有裨益。需要指出的是，教师在运用这个策略时，一般要把反思的重心放在讨论方向的把握与所涉内容的深度上［6］。
为了让教师更好地了解反思性科学论证教学策略的应用，本文以“探究小车速度随时间变化的规律”为例加以分析，案例呈现则采用“课堂实录+评析”的方式。选择这一案例，是因为这是高中物理教学中第一个结构完整的探究实验，也是课标要求的学生必做实验。学生在这一实验中，首次使用图像法处理实验数据，并根据画出的“速度-时间图像”得出小车在重物牵引下的运动规律。学生在本节课中学到的论证方法亦是后续学习的基础，具有重要的教育价值。
出于对本节内容教育价值的充分考量，将其分为两个课时：第一课时教师提出实验目的，师生一起设计实验方案，学生进行实验操作并现场处理实验数据，要求学生在坐标纸上描绘出“速度-时间图像”，下课时连同原始纸带交给老师；
第二课时则在教师批阅完学生绘制的图像后，根据学生所作图像中的问题，循序渐进地引导学生展开反思。具体教学环节如下：
2.1 环节1：实验目的与任务反思
师：上节课我们去实验室做了小车在重物牵引下运动速度随时间变化的规律的实验，这个实验的目的与任务有哪些？
生1：探究小车在重物牵引下运动时，速度随时间变化的规律。
生2：描绘小车运动的“速度-时间图像”，分析小车的运动。
师：非常好！每做一个实验，都要首先明确实验的目的与任务。只有这样，我们才能围绕目标及任务设计与完成实验。
【评析】反思探究目标，为后续教学“钉铆”。
2.2 环节2：实验操作与数据处理反思
师：图1是实验装置图，请大家思考以下问题。
图1 实验装置示意图
师：安装实验装置，应注意哪些事项？
生：打点计时器固定在轨道的一端，纸带穿过打点计时器的限位孔，小车、细线、纸带在一条直线上。
师：打点计时器在使用时应注意哪些问题？
生1：先打开打点计时器电源，后释放小车。
师：还有吗？
生2：实验完毕后，先断开电源，再取下纸带。
师：怎样选择合适的纸带？
生1：点迹清晰，间距合理。
生2：可以每几个点选一个计数点，能够选出五六个计数点的纸带比较合适。
师：怎样计算各个计数点的瞬时速度？
生：这个和上一次实验的数据处理方法是一样的，可以把要算的某个计数点看成一个中间时刻，计算这一段时间内的平均速度就可以了。
【评析】回顾实验操作和数据处理方法，将实验操作内化为学生的技能型素养。
2.3 环节3：描绘“速度-时间图像”反思
师：在这个实验中，要求大家画出“速度-时间图像”，大家有没有想过为什么要画图像？
生：图像比较直观。
师：这是图像的特点，问题是为什么要画图像？
（学生沉默，思考中）
师：可能这个问题稍微有点难。我举一个大家在初中学过的例子，请先观察课件上展示的海波和松香的熔化曲线，再思考我提出的问题。
生：海波是晶体，松香是非晶体，熔化时的特点不一样，晶体有固定的熔点。熔化曲线反映了晶体和非晶体融化时温度随时间变化的规律。
师：请综合两位同学的说法，再回答问题。
生：图像可以形象、直观地反映事物变化的规律。
师：非常好！我们正是要用小车运动的“速度-时间图像”来反映小车运动的规律。
师：关键的问题是，如何描绘“速度-时间图像”，这是又一个难题。接下来，我们把这个难题分解成几个小问题。
师：上节课做实验时，我给每个实验小组发了一张坐标纸，要求大家在坐标纸上作图。这里就有如何在坐标纸上布局的问题。请大家看一些实验小组的坐标布局（图2），你们认为哪个布局合理？
图2 坐标纸如何布局
（学生看到课件上呈现的图，笑了）
师：大家暂且不用考虑图像画得好不好，就看坐标的布局。
生：最右面的图布局合理，坐标纸的大小是一定的，应该让图像尽可能地布满整个坐标纸。
师：在坐标布局合理的情况下，我们可以将实验中的数据描到坐标纸上。但是如何连线？
师：根据大家连线的情况，我们一起来分析这个问题。请大家看图3，思考在本实验中应该将各个实验数据点连成折线、直线还是曲线？
图3 如何连线
生1：我觉得应该用折线把数据点连起来。
生2：不能用折线，得用直线。
生3：数学老师一般用平滑的曲线连线。
师：看来这个问题大家有比较严重的分歧。再想一想画图像的目的，看这个图线能不能随心所欲地连。
师：图像反映运动的规律，即运动的趋势。因而，连什么线取决于运动自身的规律。大家想一想，小车在重物牵引下，做的是加速运动，可以连成折线吗？
生：不可以连成折线。可能是曲线或直线。
师：顺便说一句，大家看到自己画的图，实际上有些同学与我们的“预期”相差甚远，主要是瞬时速度测量不正确，还有的是纸带选择得不好。
师：零时刻对应的点怎么连？请大家看这位同学画的图（图4），他们认为零时刻应该连着坐标原点，你们怎么看？
图4 零时刻对应的点怎么连
生：这个图是我画的，我觉得图像的起点应该画到原点，就连过去了。
师：为什么你会觉得应该画到起点呢？
生：感觉。
师：感觉往往会骗人，想一想图像坐标的物理意义。零时刻的纵坐标指的是什么？
生：明白了，零时刻的纵坐标指的是零时刻的瞬时速度。
师：说下去。
生：在我们这个实验中，因为处理数据时并没有从起点开始，所以零时刻的瞬时速度不为零，不能画在原点上。
师：非常好！紧扣物理意义去分析，总会找到合理的解释。实验中的异常点怎么处理？请大家继续看图4。
师：我们不考虑这个图中零点的连线，只看第一个数据点和第二个数据点的连线，你们认为这样连线可以吗？
生：在这个图中，这位同学将后面的几个数据点连成了直线，第一个点和第二个点连成折线。我觉得这样连不合适。
师：理由呢？
生：小车做的是加速运动，速度是增大的，第一个点可能是错的。
师：能考虑到实际情况，非常好！在连线时，有些数据点偏离所连的线较远，这个时候，就不能太“任性”了。偏离太远的话，可能就属于实验中的错误点，经过分析确定之后，可以舍弃。
师：在批阅大家的图像时，还发现了图5所示的图像，请大家分析这种情况是怎么产生的？
图5 实验图像
生1：最后一个点偏离直线太远，应该是错误的，直接舍去。
师：他认为是错误的，我倒不这样看。
生2：我做实验时，发现小车停止运动后，纸带还往前“冲”一段距离，应该是纸带在小车停止运动后做减速运动时的速度。
师：我也是这样认为的。也就是说，我们思考和分析问题时要紧紧围绕当时的情境，每个结论的得出都应建立在事实根据的基础上。
师：第一次放手让大家根据自己的“创意”画图像，失误和错误在所难免，我们从失误和错误中能学到更多。在大家做实验的同时，我也做了这个实验。下面看我的实验数据（表1）。
表1 实验数据记录表
师：下面我用计算机中的数表软件来处理这些数据，先画散点图，再添加趋势线，然后写入趋势方程（图 6）。
图6 运用数表软件绘制图像
师：大家看，我用计算机画的图中，虽然这些数据点不在一条直线上，但可以看出来，实验中的数据点近似地在一条直线上，那么考虑到实验中不可避免的误差等方面的因素，我们可以认为理想情况下，数据点就在一条直线上。因此，添加趋势线时，添加了直线（线性），这种方法叫作“线性拟合”，我们后面会多次用到这种方法。进行线性拟合时，要考虑如下几点：①让尽可能多的数据点落在直线上；
②不在直线上的点，对称分布在直线两侧；
③偏离直线较远的点，应当舍去。
师：大家观察我根据实验绘制的“速度-时间图像”，你们认为小车在重物牵引下速度随时间变化的规律是什么？
生：“速度-时间图像”是一条倾斜的直线，说明小车做加速运动。
师：不仅是加速，而且速度还是均匀增加的，这种运动称之为匀加速直线运动，是匀变速直线运动的一类，我们今后比较长的一段时间内都要研究这种运动。
【评析】这一环节是本节课的核心环节，教师巧妙运用学生的“素材”（学生自己所画图像），精心设计“问题串”，在与学生相互讨论的过程中，开展反思性论证。学生从中学会了根据实验数据绘制实验曲线的方法，产生了科学论证“原来应该如此”的惊叹，体会到科学的严谨。
2.4 环节4：实验小结
师：这节课我们反思了“小车速度随时间变化的规律”实验的方方面面，我相信大家对物理实验有了新的认识，我想用一段寄语结束本节课：中学生做实验，不是老师告诉你关于实验的一切，然后到实验室去“照猫画虎”，而是需要真正想明白，要实现实验目标，我究竟要怎么做，然后才是去做。其实做任何事都一样，先想清楚目标，再想清楚怎么做，最后不遗余力地付诸于行动。这样做，无法保证你一定会成功，但至少你所做的事情是你心里清楚的。
【评析】有了前述的系统反思，学生体会到科学论证过程中的种种需要“谋划”的方面，收获颇丰，也意犹未尽。此时，教师适时地总结发言，启迪学生的心智，彰显物理教学的育人功能，正所谓“没有无教育的教学”。
3.1 对教学案例的反思
本节课是应用反思性教学策略的“范例”，本节课的设计和实施体现了以下几个特点：
第一，线性拟合的方法在物理数据处理和物理规律发现中具有举足轻重的地位，也是高中物理要着力教会的重要方法。这种方法也是“探究弹簧弹力与伸长量的关系”“探究加速度与力、质量的关系”“探究功与动能变化的关系”“测定电源电动势和内阻”等多个实验数据处理的基本方法。学生第一次接触这种方法，是在研究“小车速度随时间变化的规律”这个实验之中。因此，需要在本节课中将这种处理数据的方法和背后的道理，让学生在自己实验中产生的“素材”的反思性思考中获得方法论的训练，这种训练是传统的教师直接告知的教学方式所不能替代的。
第二，从科学论证的角度，学生对数据的整理、分析是重要的论证能力。学生已在上一个实验“用打点计时器测速度”中学会了计算瞬时速度，本实验则不仅需要计算若干个计时点的瞬时速度，更要根据瞬时速度得出小车的速度随时间变化的规律。而要得出这一规律，需要对实验数据进行分析，分析所借助的方法就是要画好“速度-时间图像”。可见，描绘图像是得出结论的前提，是进行科学论证的基础。
第三，教学中要给学生反思实验过程与方法的机会。在“描绘速度-时间图像反思”教学环节中，所使用的图像全部是学生亲手在实验室中画出来的，具有典型性和代表性，在对出自他们之手的多个图像的反思性分析的过程中，逐渐形成对“坐标如何布局”“如何连线”“异常点如何处理”“特殊图像产生的原因”等问题的认识。这种反思性学习有效地将教师的教和学生的学密切结合起来，有助于培养学生思维的深刻性与批判性。
3.2 对科学论证教学的启示
论证是一种思维活动，这种思维活动是脑的功能，学生只有通过参与真实的论证活动，才能真正获得这种能力。传统的“食谱式”（cookbook）探究教学，片面强调动手，表现为由教师给出实验清单，学生只需要按部就班、照猫画虎进行技术性重演。殊不知，探究与论证活动从根本上是一种认知技能，这种认知技能不是简单的肌肉活动，它的获得特别强调“动手”对“动脑”的依赖，即“动手”是由“动脑”所驱动、所操纵的。这一点也为晚近兴起的具身认知心理学所证实。反思性论证教学策略能够弥补上述不足，这是因为反思性教学通过对探究过程中关键环节的反思、质疑、讨论并形成共识，在学生头脑中形成一个一般性的认识框架。笔者在“探究小车速度随时间变化的规律”教学的实施中，先让学生自主通过测量绘制图像（第一课时），而并未告诉他们具体的操作程序，给他们“动脑”留下了充足的空间。然而，学生的动脑并非会自觉地产生，需要进一步概括、提炼。正如本文课例中呈现的五花八门的图像，实际上是学生未经反思的作业。面对这些作业，教师并没有简单地告知学生应该怎么画图像，而是设计问题，引导学生的反思、质疑、讨论，最终形成共识。从课堂观察所得到的情况，这种教学对学生思想的触动是深刻的，这正是反思性论证教学的魅力所在。
可见，反思性论证教学策略确实有效地克服了传统探究教学的不足。通过反思性论证教学，一方面，可以实现学生对所要探究和论证的内容的深度学习；
另一方面，这种反思性教学实践本身促进了学生元认知能力的发展，并转化、内化为学生不可剥离的素养。因此，核心素养时代所要求的学生主体性学习能力的提升与发展，离不开反思性论证教学等具有重要价值的教学策略的开发、研究与使用。
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