科學(xué)論證取向下的試題設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)對(duì)——以分析高考試題的設(shè)計(jì)為例

劉 偉

（浙江省龍游中學(xué)，浙江 龍游 324400）

科學(xué)論證作為科學(xué)思維的重要構(gòu)成，在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》［1］課程目標(biāo)中，從科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任3個(gè)維度對(duì)其提出明確要求.與此同時(shí)，學(xué)業(yè)水平考試與命題建議版塊進(jìn)一步指出，試題應(yīng)有明確的測(cè)試目標(biāo).試題的立意要明確，要清楚地指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)某個(gè)或多個(gè)方面，盡量明確到對(duì)具體要素的測(cè)試.整份試卷所考核的內(nèi)容要盡可能涵蓋學(xué)科所有可測(cè)的物理學(xué)科核心素養(yǎng).由此，作為“可測(cè)”的科學(xué)論證素養(yǎng)在高考試題中以一定形式呈現(xiàn)，并逐步增加考查的權(quán)重是一個(gè)可預(yù)測(cè)的必然趨勢(shì).

就目前而言，4個(gè)核心素養(yǎng)類型的考查并不平衡，素養(yǎng)要素考查側(cè)重點(diǎn)不一，單以“科學(xué)思維”而言，“模型建構(gòu)”、“科學(xué)推理”考查較廣較深，而“科學(xué)論證”、“質(zhì)疑創(chuàng)新”要素在試題中卻鮮有體現(xiàn).究其原因，科學(xué)論證關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐中的分析、推理、體驗(yàn)和交流，因此科學(xué)論證取向下的試題不少是劣構(gòu)的開放性問題，就題境構(gòu)建、條件關(guān)聯(lián)和問題設(shè)置等方面的層次性、復(fù)雜性相對(duì)“常規(guī)試題”命制難度會(huì)大大增加；加之紙筆考試的限制，相比于物理觀念，科學(xué)思維中的模型構(gòu)建、科學(xué)推理，科學(xué)探究的考查，在技術(shù)操作層面更為不易，更何況命題者還會(huì)受囿于命制“常規(guī)試題”的慣性思維干擾.

1 科學(xué)論證及論證模型

科學(xué)論證這一概念雖然在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中首次提出，但與科學(xué)論證相關(guān)的內(nèi)容自1950年開始就出現(xiàn)在歷次高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（教學(xué)大綱）中.［2］

科學(xué)論證是基于科學(xué)證據(jù)和理由建構(gòu)科學(xué)主張，同時(shí)以反駁、勸說等形式辯護(hù)自己的科學(xué)主張的合理性實(shí)踐.［3］目前在論證型式上圖爾敏（Toulmin）模型是影響力最大的，如圖1［4］的橢圓形虛線顯示的主張（或觀點(diǎn)）、資料（或證據(jù)）和根據(jù)（或理由）是3個(gè)最核心要素，構(gòu)成了基本操作模式，完整模式（或拓展模式）再包括支援（或支持）、限定（條件）和反駁.主張是指基于對(duì)物理問題情境的描述與分析而做出的判斷；支持觀點(diǎn)的物理知識(shí)，包括物理模型和規(guī)律等即資料（或證據(jù)）；根據(jù)（或理由）是連接主張和資料之間的橋梁，是資料支撐主張的推理過程，包括演繹推理和歸納推理等；支援是對(duì)根據(jù)的支援性陳述，是根據(jù)的補(bǔ)充；限定描述主張成立的限定性條件；反駁是指運(yùn)用物理知識(shí)對(duì)相異觀點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)疑和批判.

圖1 圖爾敏論證模型

2 科學(xué)論證取向下試題設(shè)計(jì)途徑

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》把高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分為5個(gè)由低到高逐漸遞進(jìn)的水平，科學(xué)論證的表現(xiàn)水平如表1所示.根據(jù)不同功能定位和評(píng)價(jià)要求，對(duì)試題進(jìn)行不同水平的考查.

表1 科學(xué)論證素養(yǎng)的水平劃分

歷年來已有部分省市在一些年份針對(duì)科學(xué)論證素養(yǎng)做過一些考查嘗試，對(duì)其進(jìn)行梳理，可以體悟到這些試題有“總體題量偏少，點(diǎn)位比較集中，但途徑相對(duì)豐富”的特征.

2.1 關(guān)注過程，經(jīng)歷完整的論證體驗(yàn)

考查的基本意圖是評(píng)價(jià)學(xué)生科學(xué)論證的基本素養(yǎng)，試題突出基于證據(jù)的推理過程，并能質(zhì)疑辨析不同的觀點(diǎn)和主張.在形式的設(shè)定上，全景式地展現(xiàn)了科學(xué)論證的完整過程，比較典型的如2011年上海高考卷32題.

例1.如圖2所示，電阻可忽略的光滑平行金屬導(dǎo)軌長(zhǎng)s=1.15 m，兩導(dǎo)軌間距L=0.75 m，導(dǎo)軌傾角為30°，導(dǎo)軌上端ab接一阻值R=1.5Ω的電阻，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直軌道平面向上.阻值r=0.5Ω，質(zhì)量m=0.2 kg的金屬棒與軌道垂直且接觸良好，從軌道上端ab處由靜止開始下滑至底端，在此過程中金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱Qr=0.1 J，取g=10 m／s2，求：

圖2

圖2

試題需要學(xué)生斟酌并選擇可靠的證據(jù)（物理規(guī)律），正確恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用證據(jù)形成觀點(diǎn)，屬于科學(xué)論證素養(yǎng)水平5.依據(jù)科學(xué)論證結(jié)構(gòu)要素，完整論證過程表述如下.

（1）資料（或證據(jù)）—理論依據(jù).

速度屬于運(yùn)動(dòng)物理量，分析題給信息，由力做功與物體動(dòng)能變化關(guān)系，確定動(dòng)能定理.

（2）根據(jù)（或理由）—演繹推理.

（3）主張—形成觀點(diǎn).

該同學(xué)所得結(jié)論是正確的.

（4）限定—限定條件.

電阻可忽略的光滑平行金屬導(dǎo)軌的總長(zhǎng)度是一定的，長(zhǎng)度s=1.15 m.

（5）支援—補(bǔ)充理由.

（6）反駁—求異思維.

質(zhì)疑批判：只有勻速時(shí)，金屬棒的受力才平衡.事實(shí)上，金屬棒下滑s=1.15 m過程中，是否能達(dá)到勻速階段是需要判斷的，只有達(dá)到勻速了最大速度才可能為5.6 m／s.

當(dāng)t=6 s時(shí)，v≈0.995vm，棒的速度趨于穩(wěn)定，相對(duì)誤差小于千分之五，可以認(rèn)為此時(shí)棒達(dá)到勻速，相應(yīng)棒的位移x=27.18 m?s=1.15 m，棒遠(yuǎn)未達(dá)到勻速，由受力平衡來求解是錯(cuò)誤的.

2.2 強(qiáng)調(diào)環(huán)節(jié)，考查論證要素的形成

試題以論證過程中某一環(huán)節(jié)的考查為主要設(shè)計(jì)方向，其中又以比較容易操作的基于證據(jù)的觀點(diǎn)提煉或基于觀點(diǎn)的證據(jù)確立等為試題設(shè)計(jì)的主要途徑，如此實(shí)施既兼顧了核心素養(yǎng)的完整考核，又能體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)論證的關(guān)鍵能力.以2019年天津高考第14題為例.

例2.2018年，人類歷史上第一架由離子引擎推動(dòng)的飛機(jī)誕生，這種引擎不需要燃料，也無污染物排放.引擎獲得推力的原理如圖3所示，進(jìn)入電離室的氣體被電離成正離子，而后飄入電極A、B之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)（初速度忽略不計(jì)），A、B間電壓為U，使正離子加速形成離子束，在加速過程中引擎獲得恒定的推力.單位時(shí)間內(nèi)飄入的正離子數(shù)目為定值，離子質(zhì)量為m，電荷量為Ze，其中Z是正整數(shù)，e是元電荷.

圖3

對(duì)論證環(huán)節(jié)的考查側(cè)重點(diǎn)比較多樣，例如2012年浙江理綜25題最后一問“有同學(xué)提出，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B、后輪外圈半徑r2、角速度ω和張角θ等物理量的大小，優(yōu)化前同學(xué)的設(shè)計(jì)方案，請(qǐng)給出你的評(píng)價(jià).”則要求學(xué)生對(duì)已有觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并要求學(xué)生形成更完善明確的定性觀點(diǎn).

2.3 聚焦反駁，考查論證思維的慎密

區(qū)別于前兩種途徑中外顯的論證行為，反駁的論證過程可以是內(nèi)隱的.反駁作為科學(xué)論證非常重要的環(huán)節(jié)，在良構(gòu)問題設(shè)計(jì)時(shí)，試題并沒有直接要求學(xué)生去推理或評(píng)價(jià)不同主張的是與非.但在學(xué)生做出結(jié)論的過程中，必須要尋求證據(jù)，甄別和批判不同觀點(diǎn)，也就是說論證過程學(xué)生不需要表述在卷面，但又必須要經(jīng)歷，不然無從保證結(jié)論的唯一性和科學(xué)性，這對(duì)學(xué)生論證思維的慎密提出了很高要求.以浙江省2020年7月選考13題為例.

例3.如圖4所示，圓心為O、半徑為R的半圓形玻璃磚置于水平桌面上，光線從P點(diǎn)垂直界面入射后，恰好在玻璃磚圓形表面發(fā)生全反射；當(dāng)入射角θ=60°時(shí)，光線從玻璃磚圓形表面出射后恰好與入射光平行.已知真空中的光速為c，則

圖4

（A）玻璃磚的折射率為1.5.

（D）光從玻璃到空氣的臨界角為30°

試題需要學(xué)生分析不同的證據(jù)，考慮證據(jù)的可靠性并合理使用，屬于科學(xué)論證素養(yǎng)水平5.推導(dǎo)出玻璃磚折射率就容易確定正確選項(xiàng)，故圍繞折射率進(jìn)行反駁論證如表2.

表2 反駁論證過程

續(xù)表

3 教學(xué)應(yīng)對(duì)

3.1 開展合作論證學(xué)習(xí)，經(jīng)歷知識(shí)建構(gòu)過程

合作論證學(xué)習(xí)是讓學(xué)生以合作的方式學(xué)習(xí)收集資料與整合知識(shí)，提升合作水平，注重交流和溝通，是以問題處理為導(dǎo)向的合作學(xué)習(xí)，［5］知識(shí)建構(gòu)過程實(shí)質(zhì)也是一種論證過程.教學(xué)中，教師可將教材內(nèi)容作為素材，選取適合學(xué)生開展合作論證的課題，例如物理1“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”，物理2“重力勢(shì)能”等，組織學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)構(gòu)建的完整過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)中有機(jī)會(huì)闡述自己的觀點(diǎn)，充分聽取并辨析其他學(xué)生的看法和意見，進(jìn)行反駁與批判，據(jù)此不斷修正和完善自己的主張，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生概念理解和轉(zhuǎn)變，推動(dòng)推理和批判思維的發(fā)展.

3.2 設(shè)置論證問題，合理解構(gòu)難點(diǎn)

論證的質(zhì)量取決于論證問題的設(shè)置，考慮到教學(xué)效益因素以及論證試題考查的實(shí)際情況，我們可以選取有價(jià)值的疑難環(huán)節(jié)來設(shè)置論證問題，并預(yù)估起始狀態(tài)與目標(biāo)解決之間的可能障礙，預(yù)設(shè)引導(dǎo)性的鋪墊問題.在組織學(xué)生開展論證過程中，教師要實(shí)時(shí)觀測(cè)學(xué)生的即時(shí)表現(xiàn)，必要時(shí)適時(shí)呈現(xiàn)鋪墊問題，及時(shí)解構(gòu)稀釋學(xué)生的難點(diǎn).

例如案例1得出金屬棒的最大速度，學(xué)生選擇動(dòng)能定理處理，大多是因?yàn)闊o路可走的無奈之舉.教師可以在此處設(shè)置論證問題：為什么這樣求出的速度就是金屬棒的最大速度？在此基礎(chǔ)上，預(yù)構(gòu)引導(dǎo)性的鋪墊問題：金屬棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)物理量是怎樣變化的？試著用v-t圖像來描述金屬棒的運(yùn)動(dòng)過程？順著這個(gè)思路，學(xué)生就能順利突破難點(diǎn)，有利于提高論證的意識(shí)和能力.

3.3 捕捉反駁時(shí)機(jī)，引發(fā)論證思維碰撞

反駁時(shí)機(jī)的捕捉是教學(xué)智慧的體現(xiàn)，論證思維的碰撞能觸及到科學(xué)概念、規(guī)律等的本質(zhì).反駁素材需要教師悉心地觀察、用心地積累，而反駁時(shí)相異觀點(diǎn)可以由學(xué)生直接提出，更理想的做法應(yīng)該由教師基于學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)，以學(xué)生視角提出，這樣的觀點(diǎn)容易引發(fā)學(xué)生的共鳴，并且能被教師帶入更深刻的困惑和更深入的思考.教師的角色更多的是協(xié)助學(xué)生清晰表述證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生始終圍繞主題思考，并把問題引向縱深，而非輕易地裁判觀點(diǎn)的正誤.

例如案例3的相異觀點(diǎn)源自于學(xué)生的解答，當(dāng)堂課中學(xué)生反映熱烈但給不出理想方案，經(jīng)過課后充分思考，第二堂課學(xué)生提供的證據(jù)角度就比較豐富，因此，把握好反駁時(shí)機(jī)，能引發(fā)學(xué)生思維的深度發(fā)展，并促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)的提升融合.