卞志榮 焦建生

(江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214101)

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分.其主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.科學(xué)論證是一種基于科學(xué)知識(shí)、證據(jù)和推理以證實(shí)、辨明主張的實(shí)踐活動(dòng).科學(xué)論證能力是通過(guò)論證活動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的一種復(fù)雜的綜合能力.要提高學(xué)生科學(xué)論證培養(yǎng)的實(shí)效性，教師必須依據(jù)科學(xué)理論設(shè)計(jì)高質(zhì)量的學(xué)生活動(dòng).當(dāng)前科學(xué)教育中開(kāi)展論證活動(dòng)中最重要的理論基礎(chǔ)是圖爾敏論證模式，由主張、資料、正當(dāng)理由、支援、限定和反駁等6個(gè)功能要素構(gòu)成的過(guò)程性模式，開(kāi)啟了論證邏輯的實(shí)踐轉(zhuǎn)向.

由于生活類情境原始問(wèn)題強(qiáng)調(diào)的是基于學(xué)生生活實(shí)際的真實(shí)情境，來(lái)源于學(xué)生生活實(shí)際，學(xué)生具備了一定的感性認(rèn)識(shí)，能引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，當(dāng)然有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力.依據(jù)圖爾敏論證模式，在學(xué)生學(xué)過(guò)“超重與失重”之后，我們創(chuàng)設(shè)了以商場(chǎng)內(nèi)電子臺(tái)秤為背景的系列探究活動(dòng)，有意識(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證能力培養(yǎng).

1 創(chuàng)設(shè)生活情境問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證習(xí)慣

教師在為學(xué)生創(chuàng)造科學(xué)論證機(jī)會(huì)之前，用PPT明確告訴學(xué)生，科學(xué)論證應(yīng)包括提出自己的觀點(diǎn)、提供與觀點(diǎn)相關(guān)的證據(jù)、聯(lián)系觀點(diǎn)和證據(jù)的推理過(guò)程以及反駁等流程.教師也可以通過(guò)具體情境問(wèn)題的論證解決加以示范指導(dǎo)，包括論證方法的選用和證據(jù)的使用等，讓學(xué)生掌握科學(xué)論證的規(guī)律，在具體問(wèn)題中加強(qiáng)科學(xué)論證過(guò)程的嚴(yán)密性培養(yǎng)，養(yǎng)成良好的論證習(xí)慣.

臺(tái)秤是生活中常見(jiàn)的用具，學(xué)生在大大小小商場(chǎng)司空見(jiàn)慣.筆者就以臺(tái)秤稱量重物為情景設(shè)計(jì)了學(xué)生探究活動(dòng)，為學(xué)生提供科學(xué)論證機(jī)會(huì)，在論證中提高思維能力，同時(shí)強(qiáng)化超失重概念的學(xué)習(xí).

問(wèn)題1.如圖1(甲)所示，臺(tái)秤上放有盛滿水的有機(jī)玻璃水杯，杯底用細(xì)線系一乒乓球，試論證細(xì)線被剪斷后，臺(tái)秤示數(shù)與未斷前有何變化？

猜想：絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為“示數(shù)變大”.

論證：剪斷細(xì)線后，圖1(甲)中乒乓球加速上升，處于超重，所以臺(tái)秤示數(shù)變大；

實(shí)證：教師用課前準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(乙)所示.電子臺(tái)秤規(guī)格：SF- 400，5000 g×1 g，有機(jī)玻璃筒上內(nèi)徑10 cm、下內(nèi)徑8 cm、高30 cm，乒乓球加懸線質(zhì)量2 g，懸線下端系一小螺帽，隔著瓶底用強(qiáng)磁鐵吸住螺帽.為了方便手移走磁鐵釋放乒乓球，用三腳架撐起玻璃筒一起放在臺(tái)秤上.移走磁鐵釋放乒乓球使其上浮，觀察球上浮過(guò)程臺(tái)秤示數(shù)變化.本次實(shí)驗(yàn)上浮前臺(tái)秤示數(shù)1580 g，上浮時(shí)示數(shù)為1571 g，臺(tái)秤示數(shù)變小.與學(xué)生的猜想不一致，產(chǎn)生認(rèn)知沖突.

(甲)

(乙)
圖1

再論證：在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生經(jīng)過(guò)一番討論，終于找到了正確科學(xué)的論證方法：乒乓球加速上升的同時(shí)有同樣體積的水球以同樣的加速度下降，乒乓球處于超重而水球處于失重，因同體積水球質(zhì)量大于乒乓球質(zhì)量，所以失重大于超重，綜合起來(lái)系統(tǒng)處于失重，所以臺(tái)秤示數(shù)變小，而不是變大.

問(wèn)題2.如圖2(甲)所示，臺(tái)秤上放有盛滿水的有機(jī)玻璃水杯，小鐵球(直徑2.5 cm)懸掛在固定于臺(tái)秤上的支架上且浸沒(méi)在水中，不計(jì)水的阻力，試論證細(xì)線被剪斷后，臺(tái)秤示數(shù)與未斷前有何變化？

觀點(diǎn)：臺(tái)秤示數(shù)變小.

論證：支架、鐵球及線、水和杯構(gòu)成一個(gè)整體，燒斷細(xì)線前臺(tái)秤測(cè)得是它們的總重量，燒斷細(xì)線后鐵球所受重力大于浮力，向下加速下降，處于失重狀態(tài)，所以臺(tái)秤示數(shù)變小.

實(shí)證：實(shí)驗(yàn)裝置如圖2(乙)所示，將小球懸掛在鐵架臺(tái)上，將直徑2.5 cm的鐵球用細(xì)線懸掛在鐵架臺(tái)上，為了防止鐵球下落砸壞水杯，在杯底墊上海綿，整個(gè)裝置一起放在臺(tái)秤上，細(xì)線燒斷前臺(tái)秤示數(shù)為3441 g，燒斷后臺(tái)秤示數(shù)為3423 g，確實(shí)減小，證明了學(xué)生論證的正確性.

(甲)

(乙)
圖2

總結(jié)：要判斷臺(tái)秤示數(shù)變化就是判斷水杯對(duì)臺(tái)秤的壓力變化.大部分學(xué)生能很快建立起超失重模型，定性分析論證，比較快捷地得出結(jié)論.說(shuō)明這部分學(xué)生對(duì)這個(gè)問(wèn)題具備了一定的科學(xué)論證能力.少數(shù)學(xué)生采用最常規(guī)方法：通過(guò)受力分析再用牛頓第二定律列方程進(jìn)行定量論證，往往卡在球與水、水與杯的作用力問(wèn)題上而裹足不前.這說(shuō)明論證方法的優(yōu)劣會(huì)影響論證過(guò)程的快捷、準(zhǔn)確程度.還有部分學(xué)生對(duì)圖中情境缺乏全面考慮致使論證結(jié)論出現(xiàn)差錯(cuò).所以，論證過(guò)程必須嚴(yán)謹(jǐn)，論證材料必須全面、科學(xué).從這里我們還可以體會(huì)到論證方法的多樣性，如理論論證中的定性、定量論證；事實(shí)論證中的實(shí)驗(yàn)論證等.以后我們還會(huì)遇到比較論證、因果論證等方法.為了檢驗(yàn)學(xué)生論證習(xí)慣和能力以及論證方法的靈活性，筆者又提供了情境相似但有變化的問(wèn)題，讓學(xué)生再論證，優(yōu)化論證方法.

問(wèn)題3.如圖3(甲)所示，將小鐵球懸掛在鐵架臺(tái)上且浸沒(méi)在水中，燒斷細(xì)線后，在小球向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中臺(tái)秤的示數(shù)與剪斷前相比變大還是變小？

猜想：大部分學(xué)生觀察不夠細(xì)致，認(rèn)為與問(wèn)題2一樣，臺(tái)秤示數(shù)變小.

引導(dǎo)：引導(dǎo)學(xué)生觀察情境問(wèn)題3與問(wèn)題2中懸掛鐵球的方式有何不同？(問(wèn)題3中小鐵球是懸掛在臺(tái)秤以外，而問(wèn)題2中小鐵球是懸掛在臺(tái)秤上)，情境不同，當(dāng)然不能盲目套用2中的論證方法，怎么辦呢？讓學(xué)生分組討論后得出，必須巧選研究對(duì)象，用定量論證的方法才能解決.

(甲)

(乙)

(丙)

圖3

論證：因?yàn)樾∏驊覓煸谂_(tái)秤以外，懸線燒斷前，要研究臺(tái)秤受到的壓力，必須以水和杯為研究對(duì)象.設(shè)水和水杯總重為G，鐵球質(zhì)量m鐵，受到水的浮力為F浮，受力分析可知，臺(tái)秤示數(shù)N=G+F浮.燒斷懸線后，設(shè)鐵球向下加速度大小為a，同體積的水球向上加速度大小也為a，要研究臺(tái)秤受到的壓力，隔離水和水杯，應(yīng)用牛頓第二定律得到N′-G-F浮=m水球a.所以N′=G+F浮+m水球a，顯然大于N，所以臺(tái)秤示數(shù)比剪斷前要大.

實(shí)證：實(shí)驗(yàn)裝置如圖3(乙)所示，細(xì)線燒斷前臺(tái)秤示數(shù)2127 g，燒斷后示數(shù)為2183 g.

2 精選生活情境問(wèn)題，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)論證過(guò)程

教師可以在課堂中提出一些生活中的開(kāi)放性問(wèn)題來(lái)引發(fā)學(xué)生討論、思考，充分讓學(xué)生陳述自己的觀點(diǎn)和想法，并根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)行追問(wèn)，如“你為什么這么想”、“你是怎么得到這個(gè)結(jié)論的”. 當(dāng)學(xué)生遇到困難時(shí)，教師通過(guò)搭建“腳手架”幫助學(xué)生探究原認(rèn)知中的不足之處，使學(xué)生重新構(gòu)建正確的推理過(guò)程.這樣在生生、師生互動(dòng)中，讓學(xué)生對(duì)彼此的觀點(diǎn)和推理過(guò)程進(jìn)行相互評(píng)判，指出各自推理過(guò)程中可能存在的疑惑或自相矛盾的地方，激發(fā)學(xué)生再次審視問(wèn)題中的條件和信息，反思自己的觀點(diǎn)，爭(zhēng)取用更多的證據(jù)來(lái)改正或支持自己的觀點(diǎn).從而認(rèn)識(shí)原始論證過(guò)程和科學(xué)論證過(guò)程之間的差異，促進(jìn)學(xué)生逐步走上科學(xué)論證的新臺(tái)階.

圖4

問(wèn)題4.自動(dòng)稱米機(jī)已被許多大糧店廣泛使用，原理圖如圖4所示.買者認(rèn)為：因?yàn)槊琢髀涞饺萜髦袝r(shí)有向下的沖力而不劃算；賣者則認(rèn)為：當(dāng)預(yù)定米的質(zhì)量數(shù)滿足時(shí)，自動(dòng)裝置即刻切斷米流時(shí)，此刻尚有一些米仍在空中，這些米是多給買者的，因而雙方爭(zhēng)執(zhí)起來(lái)，究競(jìng)哪方說(shuō)得對(duì)呢？

觀點(diǎn)：?jiǎn)栴}拋出之初，學(xué)生中存在3種觀點(diǎn)：

(1) 同意買者觀點(diǎn)，認(rèn)為買者說(shuō)得有道理.

(2) 同意賣者觀點(diǎn)，認(rèn)為賣者說(shuō)得有道理.

(3) 認(rèn)為買者觀點(diǎn)和賣者觀點(diǎn)都不對(duì)，應(yīng)該是準(zhǔn)確的，否則還有誰(shuí)用這種秤呢？

引導(dǎo)：這是一道原始物理問(wèn)題，讀完題目買賣雙方說(shuō)的似乎都有道理，但又無(wú)法說(shuō)清為什么，即論證理由不充分或論證方法找不到.但我們至少應(yīng)該堅(jiān)信的是：這是一道力學(xué)問(wèn)題，解決力學(xué)問(wèn)題首先得確定研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析.遇到這種較為復(fù)雜的原始問(wèn)題，我們應(yīng)該冷靜下來(lái)進(jìn)行理性思考，猜想此問(wèn)題可能會(huì)用到什么物理知識(shí)和規(guī)律，聯(lián)想、類比曾經(jīng)遇到過(guò)的類似問(wèn)題，或許能很快找到論證的方法.

我們是否可以這樣思考：

(1) 臺(tái)秤的讀數(shù)是物體對(duì)秤盤(pán)的壓力；

(2) 米是固體，但米流和流體相似；

(3) 處理流體問(wèn)題常常要建立柱狀模型，如水力采煤求水對(duì)煤層的沖力；風(fēng)力發(fā)電求風(fēng)對(duì)葉片的作用力等；

(4) 求變化的物理量的常用方法是微元法.

論證：設(shè)米流的流量為d，它是恒定的，自動(dòng)裝置能即刻在出口處切斷米流，米流在出口處速度很小可視為0.若切斷米流后，盛米容器中靜止的那部分米的質(zhì)量為m1，空中還在下落的米質(zhì)量為m2，取已靜止米堆m1上方在空中的一小部分米柱Δm為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)Δt(Δt→0)時(shí)間落至米堆內(nèi)，則Δm=d·Δt.設(shè)其落到米堆上之前的速度為v，其受到重力Δmg和已靜止米對(duì)它的作用力F的作用，經(jīng)Δt由速度v變?yōu)殪o止.由動(dòng)量定理得

(F-Δmg)Δt=Δmv，即F=dv+dgΔt.

設(shè)米從出口處落到米表面所用的時(shí)間為t，由于m2=d·t，v=gt(阻力不計(jì))，所以，d·v=m2·g，即F=m2g+Δmg.根據(jù)牛頓第三定律知F=F′，所以，稱米機(jī)讀數(shù)應(yīng)為

結(jié)論：由以上定量論證可見(jiàn)，稱米機(jī)讀數(shù)包含了靜止在袋中的部分m1，也包含了尚在空中的下落的米流m2，還包含了剛落至米堆上的一小部分Δm，即自動(dòng)稱米機(jī)是準(zhǔn)確的，不存在誰(shuí)劃算不劃算的問(wèn)題.

總結(jié)：運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際生活問(wèn)題，必須把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型和物理過(guò)程，依據(jù)所學(xué)知識(shí)和思維方法進(jìn)行分析推理，建立不同物理量間的聯(lián)系是科學(xué)論證中的關(guān)鍵所在.論證能力的提高需要在實(shí)踐中不斷體驗(yàn)、感悟.

3 活用生活情境化試題，提升學(xué)生科學(xué)論證能力

情境化試題是指以自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在的物理現(xiàn)象或過(guò)程為背景，考查學(xué)習(xí)者對(duì)物理概念、規(guī)律的理解與應(yīng)用能力的試題.論證解決這類試題的基本流程如圖5所示.

圖5

新課程《標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出，在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中要重視情境的創(chuàng)設(shè).試題的情境要具有一定的問(wèn)題性、真實(shí)性、探究性或開(kāi)放性.設(shè)問(wèn)的角度及方式要科學(xué)、可信、新穎、靈活.要求通過(guò)學(xué)生在應(yīng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)情境，參與相應(yīng)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中的外在表現(xiàn)來(lái)考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)，在解決具體問(wèn)題中體現(xiàn)和提升物理科學(xué)論證能力.

近年來(lái)，情境化試題在高考等選拔考試中也得到重視和應(yīng)用.如國(guó)外流行的基于問(wèn)題學(xué)習(xí)模式(PBL)等都非常強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)內(nèi)容“嵌套”在實(shí)際問(wèn)題中或真實(shí)的社會(huì)情境中；國(guó)際大型測(cè)評(píng)項(xiàng)目PISA，在其考試中主要使用此類試題.我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)習(xí)之后呈現(xiàn)給學(xué)生的情境問(wèn)題是來(lái)自伊朗物理競(jìng)賽預(yù)賽試題.

問(wèn)題5.打開(kāi)水龍頭，水就流下來(lái)，為什么連續(xù)的水流柱的直徑在流下過(guò)程中減小？假設(shè)水龍頭開(kāi)口直徑為1 cm，安裝在75 cm高處.如果水在出口處的速度為1 m/s，求水流柱落到地面處的直徑有多大？(不計(jì)空氣阻力，g=10 m/s2)

觀察：試題呈現(xiàn)出來(lái)后，學(xué)生也覺(jué)得題中所敘情境是生活中很常見(jiàn)，但好多學(xué)生一籌莫展，遲遲不能下手.究其原因反映出現(xiàn)在的好多學(xué)生在生活中不善于觀察和思考，就連越流越細(xì)也沒(méi)有印象，遇到來(lái)自身邊的實(shí)際問(wèn)題也不能順利地將所學(xué)知識(shí)遷移到情境之中而得到解決.

引導(dǎo)：就試題本身來(lái)說(shuō)，第一問(wèn)屬于原始物理問(wèn)題，第二問(wèn)進(jìn)行了賦值變成了物理習(xí)題.要找到解決問(wèn)題的辦法，必須結(jié)合題目敘述的情景進(jìn)行以下邏輯推理，方能找到論證方法.

(1) 研究對(duì)象是水.

(2) 水流做的是什么運(yùn)動(dòng)？

(3) 下面的水與上面的水的運(yùn)動(dòng)有什么不同？

(4) 上、下水流流速相同嗎？

(5) 什么是它們聯(lián)系的紐帶？

通過(guò)以上幾個(gè)“為什么”，就不難發(fā)現(xiàn)：水不管在什么高度，通過(guò)某一水平截面相同的時(shí)間內(nèi)流過(guò)的水的體積(或質(zhì)量) 相同，同時(shí)由于水在不同高度速度不等，需要用“微元法”化變?yōu)椴蛔?，建立Δt(Δt→0)時(shí)間內(nèi)的柱狀模型.

論證： (1) 在時(shí)間t內(nèi)，流過(guò)任一水柱截面的水的體積是一定的，由于水柱頂點(diǎn)的水速小于下面部分的水速，故水柱的直徑上面比下面大.

教師總結(jié)：該題屬于聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新題，既不超出考綱要求，又能很好地考查學(xué)生分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力.同時(shí)我們又從以上論證中感悟到：解題的過(guò)程就是運(yùn)用歸納推理將文字信息轉(zhuǎn)化為問(wèn)題情境，然后運(yùn)用演繹推理將情境轉(zhuǎn)化為物理?xiàng)l件，再選擇物理規(guī)律和方法進(jìn)行科學(xué)論證的過(guò)程，在問(wèn)題解決中實(shí)現(xiàn)論證能力的提升.

通過(guò)以上系列情境問(wèn)題的論證教學(xué)之后，學(xué)生不僅掌握了科學(xué)論證過(guò)程和方法，論證能力也得到了一定程度的提升.學(xué)生在論證過(guò)程中感悟到了物理問(wèn)題來(lái)自于生活，學(xué)習(xí)物理知識(shí)又可以服務(wù)于生活的哲學(xué)道理，真正理解到“物理即生活”的精神內(nèi)涵.在平時(shí)教學(xué)中，教師要加強(qiáng)STSE教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生善于觀察生活，了解社會(huì)，關(guān)注科技，善于發(fā)問(wèn)，敢于質(zhì)疑，將所學(xué)知識(shí)和能力遷移到實(shí)際問(wèn)題中，做到學(xué)以致用.教師要為學(xué)生多提供生活類情境問(wèn)題，進(jìn)行科學(xué)論證訓(xùn)練，在訓(xùn)練中發(fā)展學(xué)生的思維能力，提升科學(xué)素養(yǎng).