應用SNP模式促進學生科學論證能力發(fā)展

陳澤 洪哲新 皮飛鵬

摘? ?要：在中學物理教學中，提升學生的科學論證能力是物理課程標準的明確要求。文章通過將SNP模式與中學物理教學相結合，旨在提升學生尋找證據(jù)、分析歸納、推理演繹、解釋自己觀點、合理反駁他人的科學論證能力，初步構建了將SNP模式應用于科學論證能力培養(yǎng)的教學流程，并以熱力學第二定律的教學為例，探討了該教學流程的應用及SNP模式在學生科學論證能力培養(yǎng)方面的作用。

關鍵詞：SNP模式;科學論證;中學物理;熱力學第二定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1003-6148（2021）7-0073-5

《普通高中物理課程標準（2017年版）》將科學思維作為物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，而科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證等要素[1]，可見培養(yǎng)學生的科學論證能力是中學物理教學的一個重要課題[2]。許多教育研究者在中學生科學論證能力培養(yǎng)方面進行了嘗試，提出利用ADI模型（Argument Driven Inquiry的簡稱）進行科學論證教學[3]，但其僅對ADI模型進行了介紹，并未深入探討其實際運用，且ADI模型對“反駁與論證”這一科學論證步驟強調不夠。有學者以盧瑟福α粒子散射實驗為例，提出應用Sampson模型實施科學論證教學[4]，但Sampson模型并沒有很好地將物理實驗應用于論證過程中。有學者提出在中學物理教學中應用SNP模式（Science Negotiation Pedagogy，簡稱SNP）培養(yǎng)中學生科學建模和科學論證能力[5，6]，但是該工作偏重科學建模能力提升，缺乏提升學生科學論證能力相關的教學流程設計和教學案例。

本文將探討SNP模式與科學論證相結合的方式，建構將SNP模式應用于學生科學論證能力培養(yǎng)方面的教學流程，并以具體的教學案例說明教學流程的應用。

1? ? 在科學論證能力教學中應用SNP模式的理論基礎

關于科學論證，其最重要的理論基礎之一是圖爾敏論證模式[7]，該模式包括如下的步驟：基于根據(jù)（ground）提出特定主張（claim），此主張可能有一定的限定性（qualifiers），由根據(jù)可得出保證（warrant）即主張的原則、推論等，當保證的權威性與科學性受到質疑時，提出主張的一方需要使用支援（backing）以支持保證，當然反駁（rebuttals）也可能推翻之前不夠完善的主張[8]。

有學者在討論通過物理教學培養(yǎng)中學生科學論證能力時指出，不同階段的學生科學論證能力的側重點略有不同，但中心思想都是通過物理實驗教學步驟收集證據(jù)并對證據(jù)進行分析，進而歸納出實驗結論，以幫助表達學生自己的觀點，而其余學生則對他人觀點進行反駁[9]。因此，本文將學生的科學論證能力培養(yǎng)分解為以下幾個方面：尋找證據(jù)的能力、使用支援（對實驗進行分析）的能力、結合實驗現(xiàn)象對自己的觀點進行解釋說明的能力、合理質疑他人及反駁他人質疑的能力、對物理問題進行推理演繹的能力以及對目標論點進行總結歸納的能力。

SNP模式主要根據(jù)學科的大概念提出問題，通過模型建構對大概念進行表征，以建構的模型為支架，由學生提出自己的主張，并采用數(shù)據(jù)、圖表等證據(jù)支持其主張，通過生生、師生間的口頭協(xié)商、反思性寫作不斷對問題進行深入探究從而得出結論[10]。

可以看到，SNP模式的部分流程與科學論證的過程非常契合。SNP模式中依據(jù)科學實驗、科學建模等方式為學生觀點提供證據(jù)這一特點，可以增加學生科學論證過程中證據(jù)的真實可靠性，提升論證過程的科學性。在中學物理課堂中引入生生探討、師生探討能夠實現(xiàn)反復的質疑反駁過程，有利于培養(yǎng)學生解釋論證、質疑反駁、推理演繹的能力[9]。因此，本文提出將SNP模式與高中生科學論證能力培養(yǎng)相結合，以達到讓學生經(jīng)歷科學論證過程、提高學生科學論證能力的目標。表1是SNP模式與科學論證過程的對應關系以及兩者的結合方式。

2? ? 基于SNP模式的科學論證能力培養(yǎng)教學流程構建

本文在郭玉英和錢長炎等學者的研究基礎上，將SNP模式的教學流程進行改進，結合當下中學物理課堂師生、生生互動探討不足的實情，通過循序漸進的教學步驟提升學生的科學論證能力。同時，由于高中階段很多知識點難度較大，學生難以通過既有知識獨立建構起相關模型，本文提出，在尋找支援支持觀點的過程中需要通過選取恰當實驗器材進行科學實驗，并在必要的時候得到教師的“支架型”輔助，以促進學生能力的提升[11]，適當創(chuàng)造“最近發(fā)展區(qū)”，幫助學生拓展思維提升其能力發(fā)展。具體教學流程如圖1所示。

首先，由教師通過回顧先前知識、結合生活實際等方式引入新課程的學習，并引發(fā)學生的認知沖突，為新概念的建構做準備。

然后，師生共同確立驅動問題，學生可以在這一步提出自己的假設，并尋找生活中的實例來初步證實自己的假設，以鍛煉學生尋找證據(jù)的能力。

接著，由教師提供實驗器材，學生分小組展開科學實驗和科學論證活動。學生進行科學實驗，并對實驗結論進行整理收集、分析歸納。在整個過程中，學生可能會出現(xiàn)各種問題，教師需要適時點撥，此步驟旨在提升學生使用支援的能力。

待小組取得一致認同后，推選組長向全班學生匯報。其他組的成員可以依據(jù)不同的背景知識等提出自己的反駁與質疑。由于中學實驗器材有限、學生自身思維廣度不足，教師需從不同角度引導學生對目標問題進行推理演繹。此步驟通過生生與師生之間的討論以提升學生解釋質疑、推理演繹的能力。

此外，教師還需要鼓勵學生將已經(jīng)學得的知識運用到實踐中，對實際生活中的現(xiàn)象深入思考。學生可以在課后對課上所學知識進行總結與反思，進行反思性寫作，進一步從書面角度提升學生的科學論證水平。

3? ? 應用SNP模式發(fā)展學生科學論證能力的教學設計

現(xiàn)在以“熱力學第二定律”的教學設計為例，說明如何利用SNP教學模式促進學生科學論證能力的發(fā)展。課程標準對“熱力學第二定律”的要求是：“通過自然界中宏觀過程的方向性，了解熱力學第二定律。”

教師首先結合“熱力學第一定律”向學生提問“在實際生活中，將一塊冰放在室內，冰會逐漸融化，這是什么原因呢？”待學生回答“這是因為室內的溫度比冰的溫度高，熱量被傳遞給了溫度較低的冰，冰吸熱融化了”后，教師引導學生“由于能量守恒定律，冰吸收了熱量，變成了液態(tài)的水，為何水在沒有外界幫助（如冰箱）的情況下，不能直接向外放熱，自發(fā)變成冰呢”……通過實例，引發(fā)學生的認知沖突，為提出驅動問題做好準備。

隨后，師生共同商討并確立本節(jié)課的驅動問題為“在滿足能量守恒定律的條件下，物理過程能否持續(xù)自發(fā)地進行下去？”

驅動問題確立后，教師為學生提供實驗器材，將學生分為不同的小組進行科學實驗。通過咨詢多位一線教師，本文提出兩種學生有能力獨立完成的實驗方案，以及一種由教師主導、師生互動完成的實驗方案。如表2所示。

學生通過已有知識可以獨立完成有關于實際經(jīng)驗角度和能量角度的實驗過程及實驗推斷，能夠對實驗結果進行一定分析，能針對問題進行較為完整的解釋說明，教師可以在此基礎上鼓勵學生深入研究。從統(tǒng)計學角度出發(fā)考慮問題對于學生略有難度，在此設定由教師引導學生進行探討，提供“支架型”輔助。

角度一：實際經(jīng)驗角度

A組匯報：我們組選擇的實驗器材是二氧化氮、氧氣、廣口瓶等，實驗目的是通過氣體分子運動的不可逆性證明熱力學第二定律的方向性。裝有二氧化氮和氧氣的廣口瓶，將其瓶口相扣，中間有一塊玻璃隔片，將玻璃隔片抽出，可以看到紅棕色的二氧化氮氣體逐漸充斥于兩個瓶子中，且不能恢復到最初的兩氣體分離的狀態(tài)。

其他組質疑：二氧化氮在上方的瓶中，由于二氧化氮分子的質量大于氧氣分子，會不會經(jīng)過足夠長的時間，二氧化氮就會下沉到下面瓶子的底部或者出現(xiàn)下面瓶子二氧化氮濃度明顯高的情況呢？這樣就可以認為二氧化氮和氧氣某種程度上又自動分離了。

A組反駁：我們也考慮到了這個問題，所以我們在進行了如圖2（a） 的實驗后，又將裝有二氧化氮的瓶子放在下方，裝有氧氣的瓶子放在上方，發(fā)現(xiàn)兩種氣體仍然能夠均勻混合[圖2（b）]。雖然放在下面的二氧化氮分子重于上面的氧氣分子，但是依舊可以向上運動充滿整個瓶子，它怎么會因為重力原因又重新分離呢？氣體的擴散并不是重力作用的結果，而是氣體分子做無規(guī)則熱運動的結果。這樣就可以解決同學剛剛提出的由于重力作用導致結論混亂的問題。

此時，A組同學已經(jīng)基本講述出熱力學第二定律的方向性原理，但是需要教師引導學生進行歸納，讓學生的理解更加科學、準確。

師：A組同學的講述相對全面，我們一起總結一下。正如大家所說，氣體擴散是氣體分子做無規(guī)則熱運動的結果，在這種情況下，由于分子之間的頻繁碰撞，重力的作用微乎其微，完全可以忽略。A組的實驗說明擴散現(xiàn)象是不可逆的，這體現(xiàn)了熱現(xiàn)象的方向性。兩種氣體最開始的狀態(tài)是比較“有序”的，但是抽出玻璃板后，兩種氣體發(fā)生了什么樣的變化呢？

生：它們從一開始“有序”的狀態(tài)走向了“無序”“混合”的狀態(tài)。

師：大家總結得很好，那么還有哪些自然過程是從“有序”的狀態(tài)走向“無序”呢？大家一起思考一下。

大家充分討論之后，教師引導學生總結：凡是與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性。

通過師生、生生之間的論證，幫助學生從簡單的氣體分子運動知識點的理解加深至對熱力學第二定律“熵”的概念的初步感受，有利于增強中學物理與大學物理之間的聯(lián)系。

角度二：能量角度

B組匯報：我們通過對電冰箱運作過程的研究來探討熱力學第二定律相關內容。電冰箱的工作原理是氣態(tài)氟利昂經(jīng)過壓縮機變成高溫高壓的過熱蒸汽，經(jīng)由冷凝器（散熱器）進行放熱冷凝變成高壓過冷的液體，高壓過冷液體通過過濾器進入毛細管（節(jié)流閥）降壓變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，最后在蒸發(fā)室吸熱汽化（圖3）。

其他組質疑：除了電冰箱，實際生活中還有哪些其他的工具或者物品是運用這種原理的呢？

B組回答：還有空調等，用處非常廣泛。

此組學生能解釋整個過程，由于氟利昂材料的特殊性，教師可以讓學生尋找其他可替代材料以保護環(huán)境。

師：B組同學講解得非常完整，老師希望大家思考家用空調的運作原理，并且希望大家課后研究除了氟利昂外，還有什么材料有這樣的特性，能有同樣的效果？

角度三：統(tǒng)計學角度

師：老師在上課之前給大家看了第三種可以考慮的角度，可能有一點難度，C組的同學也不用過于緊張，說一說自己的觀點。

C組匯報：用一個隔板將容器分為左右兩個等大部分，假設開始時， 2個分子都在左半部分，抽出隔板后分子會向右半部分擴散，并且可在整個容器中自由運動。隔板被抽出后，2個分子在容器中可能分布的情況有22種，而2個分子完全退回到左半部分的可能性為 ，如圖4所示。

師：假設一摩爾的氣體分子在其中，情況又如何呢？

生：一個真實的理想氣體系統(tǒng)中每摩爾氣體有6.02×1023個分子，一摩爾氣體分子全部退回到左半部分的可能性為 。

師： 這個數(shù)值極小，在統(tǒng)計學角度可以忽略不記，這實質上是一種必然性，即對于一個理想氣體系統(tǒng)（不受外界影響），氣體分子的運動總是向包含微觀數(shù)目較多的狀態(tài)進行。

以外，教師還能夠引導學生將數(shù)學方面的知識遷移到物理中，探求若有n個氣體分子，全退回到左半部分的可能性。

一般情況下，學生經(jīng)歷了之前的思考與討論過程，能夠較為迅速地指出n個氣體分子全部回到左半部分的可能性為 。這是由具象思維向抽象思維轉化的過程，幫助學生進行數(shù)學與物理學科之間知識的遷移，增強學科之間的關聯(lián)性。

在教學的最后，教師可以讓學生對自己的觀點進行總結與評價，并且鼓勵學生在課后深入探討“熱寂說”的相關內容，要求學生結合所學知識解答“時間為什么在流逝”這一問題，并進行反思性寫作以促進學生科學論證能力進一步發(fā)展。

4? ? 小結與展望

通過理論分析和實際案例，我們可以看出將SNP模式應用于學生科學論證能力的培養(yǎng)是可行的，能夠幫助學生提升尋找證據(jù)、對實驗進行分析歸納、推理演繹、解釋自己觀點、合理反駁他人的科學論證能力。同時，由于科學論證的過程是螺旋上升的，能夠幫助學生培養(yǎng)耐心、樹立信心，并進行知識整合，生生、師生探討和交互論證也有利于培養(yǎng)學生的合作能力、語言表達能力和批判思維能力。

目前，落實新課標、提升學生學科核心素養(yǎng)是我國基礎教育領域的中心工作，新的教育觀念、教學模式和技術手段不斷引入中學物理教育教學中，選擇合適的教學模式關乎學生學習方式、教師教學方式的轉變[5]。SNP模式為我國中學物理教學提供了另一種可行的思路，通過交互論證、咨詢專家、應用拓展，能在很大程度上促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提高，但SNP模式適用于基礎較好、有較強的溝通交流能力、對物理興趣濃厚的學生，對學生和教師的要求相對較高，應用SNP模式應該結合教學實際，避免刻板使用和為論證而論證，真正內化SNP模式，以促進學生科學論證能力的提升。

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（欄目編輯? ? 李富強）