基于科學論證思維培養(yǎng)的初中科學教學策略*

沈偉云|浙江省嵊州市教育體育局教研室

科學論證是以科學知識為中介，積極面對問題，對所獲得的數(shù)據(jù)資料進行解釋和說明，提出自己的論點，反思自己和別人論點的不足并提出反論點，同時能反駁他人的質(zhì)疑和批判的高級思維能力[1]。美國《K-12科學教育框架》明確將“基于證據(jù)進行論證”作為必不可少的科學實踐活動。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》專門把科學論證作為科學思維的重要組成部分，并提出了較為明確的教學要求。

當前的初中科學課程缺乏對科學論證思維培養(yǎng)的要求，教學實踐中多是指向?qū)茖W結(jié)論的理解而不是論證，學生證據(jù)意識不足，忽視科學推理過程，“據(jù)理力爭”式的反駁較為罕見，科學論證思維尚處于隱性滲透之中。因此，學生科學論證思維的培養(yǎng)已刻不容緩。

若要顯性地培養(yǎng)學生的科學論證思維，教師就應(yīng)在學生習得一定理論知識的基礎(chǔ)上積極開展教學實踐。如教師可在認真學習、研究圖爾敏論證模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合初中科學教學實際，建構(gòu)符合初中生認知規(guī)律的科學論證模式（如圖1）。

圖1 初中科學的科學論證模式

教師要創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，引導學生思考、討論，提出自己的主張，然后通過自主設(shè)計實驗等方式去尋找現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等證據(jù)，并根據(jù)科學概念和規(guī)律分析推理。教師還要鼓勵并引導學生針對主張、證據(jù)、推理過程提出質(zhì)疑，進行反駁，乃至提出新的主張，在推理解釋的基礎(chǔ)上作出新的判斷，從而形成正確的主張。

一、運用歸謬法，辨析前概念

歸謬法是人們常用的一種論證方法，它首先假設(shè)對方的論點是正確的，然后從這一論點中加以引申、類比、推論，從而得出極其荒謬可笑的結(jié)論來，以駁倒對方的論點。前概念是指學生在正式學習科學概念前，基于自己的生活經(jīng)驗而對事物形成的一定觀點。若前概念與科學概念相一致，則可成為新的知識的生長點；若與科學概念相悖，則可通過歸謬法，推導出前概念的錯誤原因，加深對科學概念的正確理解[2]，培養(yǎng)科學論證思維。

如在初學電路時，學生會形成“電流經(jīng)過燈泡以后，會逐漸減小”的前概念。教師可引導學生設(shè)計方案：把2只規(guī)格相同的小燈泡串聯(lián)起來，在小燈泡靠近電源負極的一側(cè)串聯(lián)2只電流表，測出電流大小。按照歸謬法，應(yīng)是近電源負極的燈泡比前一只燈泡暗、近電源負極的電流表示數(shù)小，而實際是小燈泡亮度相同、電流表示數(shù)相同，由此可論證前概念是錯誤的。

又如在學習光的反射時，學生會形成“人能看到物體是由于眼睛發(fā)出的光照射到物體上”的前概念。教師可讓學生在黑暗的房間內(nèi)觀察物體，讓學生形成“伸手不見五指”的實踐體驗。而按照歸謬法推斷，人眼應(yīng)該能觀察到物體，而實際卻看不見物體，由此可論證前概念是錯誤的，促使學生形成“人眼能觀察到物體是由于物體發(fā)出或反射的光導致的”這一科學概念。

在運用歸謬法辨析前概念的過程中，學生不僅可以改變錯誤的前概念，深度理解和建構(gòu)正確的科學概念，而且可以培養(yǎng)科學論證思維，發(fā)展批判性思維品質(zhì)。

二、閱讀科學史實，領(lǐng)悟科學論證實質(zhì)

科學史實是初中科學教材內(nèi)容的重要組成部分，科學史是一部不斷探究、論證科學規(guī)律的歷史。教師基于科學史開展論證式教學，可以使學生經(jīng)歷科學家建構(gòu)理論知識的過程，即評價資料、提出主張、為主張進行辯駁等，增強對科學本質(zhì)的理解。

如原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展經(jīng)歷了道爾頓實心球、葡萄干蛋糕、盧瑟福行星、玻爾量子化、現(xiàn)代電子云模型等階段。教師可提供閱讀資料，并以視頻動態(tài)展示盧瑟福行星模型，然后對著名的α粒子轟擊金箔實驗提出如下問題，引導學生論證、批判。

（1）哪個證據(jù)否定了道爾頓“原子都是不能再分的粒子”模型主張？（1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子）

（2）哪個實驗現(xiàn)象可駁斥湯姆生“正負電荷均勻分布”模型主張？（極少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)甚至像是被金箔彈了回來）

（3）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后方向不變說明了什么觀點？（原子核很小，原子內(nèi)部有很大的空間）

（4）極少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)甚至像是被金箔彈了回來說明了什么？（原子的全部正電荷在原子核內(nèi)，且?guī)缀跞抠|(zhì)量均集中在原子核內(nèi)部）

又如在探究物體運動的原因時，教師可先呈現(xiàn)伽利略設(shè)計的理想斜面實驗，讓學生觀察到球沿斜面向下滾動時速度變大，從最低處沿斜面向上滾動時速度變小。然后改變實驗裝置，如減小右側(cè)斜面的傾角后，小球可以滾動得遠一些，把右側(cè)斜面放平時，小球可以滾得更遠。在開展實驗時，教師可設(shè)置如下問題。

（1）小球在左右兩側(cè)的斜面高度一樣嗎？（不一樣）

（2）小球在右側(cè)高度為什么比左側(cè)低？為什么在水平面滾動時會停下來？（小球受到摩擦阻力的作用）

（3）假如接觸面是光滑斜面，那么小球?qū)⒃鯓舆\動？（小球在右側(cè)斜面的高度與左側(cè)一樣，在水平面上一直做勻速直線運動）

教師可告訴學生，早在400多年前，伽利略就是用這樣的斜面理想實驗，通過科學推理，形成“球不受力作用會一直做勻速直線運動”的證據(jù)，并以該證據(jù)有力地反駁了亞里士多德“運動需要力來維持”的觀點。

閱讀科學史實，學生能領(lǐng)略到經(jīng)典實驗的科學魅力，以及科學家勇于探索的科學精神。教師可對教材中的科學史實進行適當?shù)耐卣梗龑W生基于科學家的視角提出主張、開展論證，鼓勵學生勇于質(zhì)疑，提出自己的觀點，從而加深對科學概念的理解，領(lǐng)悟科學論證思維的本質(zhì)。

三、辯論社會性科學議題，培養(yǎng)學生的批判性思維

社會性科學議題是指由于科學、技術(shù)與社會之間錯綜復雜關(guān)系所引發(fā)的一些爭議性的科學議題[3]。社會性科學議題是學生開展科學論證活動的良好的“問題情境”之一。教師可引導學生搜集證據(jù)，形成自己的主張，并在辯論活動中提出基于證據(jù)的反駁，這有利于培養(yǎng)學生的批判質(zhì)疑思維。

如浙教版義務(wù)教育教科書《科學》七年級下冊第74頁“光污染”條中指出：“大城市高層建筑的玻璃幕墻會產(chǎn)生很強烈的鏡面反射，使局部地區(qū)氣溫升高，同時強烈的反射光使人雙目難睜，影響車輛行駛和行人的安全。”

學生閱讀了這則材料后，一下子就對玻璃幕墻產(chǎn)生了負面的認識。那么玻璃幕墻究竟是有利還是有弊呢？為此，教師可組織學生開展辯論，要求學生通過采訪建筑師、查閱資料、實地踏勘等方式搜集資料，論證自己的主張。

正方論證：（1）玻璃幕墻的質(zhì)量比其他建筑材料輕；（2）在玻璃中添加某些微量金屬元素，可吸收紅外線，使進入室內(nèi)的太陽輻射減少，降低室內(nèi)溫度；（3）玻璃的不同顏色易與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，能提高美觀度；（4）抗震能力強；（5）維修與更新較為方便……

反方論證：（1）烈火中玻璃容易破碎，防火能力弱；（2）粘貼的結(jié)構(gòu)膠容易老化，導致幕墻掉落；（3）氣溫驟變使玻璃熱脹冷縮，易破碎；（4）結(jié)構(gòu)膠施工技術(shù)對環(huán)境和設(shè)備要求較高；（5）易造成光污染……

又如教師可結(jié)合“日本核廢水排放入?！眴栴}，提出“核能發(fā)電利弊”的社會性科學議題，組織學生開展辯論。

反方論證：福島核事故告訴我們，一旦核反應(yīng)設(shè)備損壞，會引起放射性物質(zhì)泄漏，而且放射性廢料較難處理，若處理不當會導致環(huán)境污染，就如日本核廢水排放入海，會使整個海洋受到污染，影響海洋生態(tài)平衡，使海洋生物有了放射性。這是因為放射性物質(zhì)易致癌致畸致突變，對生物的遺傳基因會造成很大影響。此外，核能發(fā)電熱效率低，排放大量的廢熱到環(huán)境中，會造成較嚴重的熱污染。

正方論證：核能不會產(chǎn)生二氧化碳，能減輕溫室效應(yīng)；不會產(chǎn)生二氧化硫等有害物質(zhì)，不會造成空氣污染；同樣功率下，核燃料的消耗要比化石燃料少得多。同時，我國的核能發(fā)電安全防護措施非常嚴格。更可喜的是，2021年5月28日，中科院建成了有“人造太陽”之稱的核聚變實驗裝置，突破億度百秒記錄。或許，在不久的將來，人類將實現(xiàn)核聚變發(fā)電。

社會性科學議題一般沒有絕對正確的答案，這就使學生處于“兩難”境地，容易激發(fā)學生的能動性，使其主動搜集資料證據(jù)、開展辯論，進而形成一分為二的辯證唯物主義觀點。當然，在這一過程中，學生也培養(yǎng)了搜集信息的能力，促進了科學論證思維的發(fā)展。

四、開展探究實踐，提高分析論證能力

科學論證是科學探究的核心，學生參與科學論證活動，能夠增強對科學概念的認識，深化對合理使用證據(jù)的理解，提高邏輯論證能力[4]。分析論證是科學探究中的重要一環(huán)，在探究實踐中觀察到的現(xiàn)象、獲得的數(shù)據(jù)，都需要通過分析論證，才能形成科學結(jié)論。

如“閉合電路中的一部分導體在磁場里做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流”，其中“切割磁感線運動”是產(chǎn)生感應(yīng)電流的一個必備條件。為了論證這一結(jié)論，教師可引導學生設(shè)計實驗，尋找證據(jù)。在滿足“電路閉合”“一部分導體在磁場里”兩方面條件時，該導體相對于磁場靜止，電流表指針不偏轉(zhuǎn)，據(jù)此證據(jù)可論證“導體靜止不能產(chǎn)生感應(yīng)電流”。當閉合開關(guān)，導線垂直于磁場方向、斜向上或向下做切割磁感線運動時，電流表指針偏轉(zhuǎn)，而導線平行于磁場方向運動，也即沒有切割磁感線運動，電流表指針不偏轉(zhuǎn)，由此證據(jù)可對比分析論證“產(chǎn)生感應(yīng)電流需要切割磁感線運動”。然后通過導線靜止而磁體運動，來進一步充分論證“切割磁感線運動是產(chǎn)生感應(yīng)電流的一個必備條件”這一主張。教師可在此實驗的基礎(chǔ)上，提出“產(chǎn)生感應(yīng)電流方向與哪些因素有關(guān)”“感應(yīng)電流的大小有哪些影響因素”等問題，引導學生通過小組合作交流，提出探究實驗的方案，尋找證據(jù)等來證明結(jié)論，當然也鼓勵學生提出質(zhì)疑。

實驗探究是培養(yǎng)學生科學論證思維的重要途徑，結(jié)合教學需要拓展實驗探究對于發(fā)展學生科學論證思維意義重大。如在學習電路短路時，教師可呈現(xiàn)小實驗：取一張錫紙，剪成兩端寬中間狹窄的一段紙條，接著把錫紙的兩端與干電池的正負極相連，發(fā)現(xiàn)錫紙燃燒。根據(jù)此實驗現(xiàn)象，教師引導學生分析，得出：錫紙的兩端與干電池的正負極相連時造成了短路，電流變大，產(chǎn)生的熱量增多，錫紙的溫度升高，達到了錫紙的著火點，錫紙發(fā)生燃燒。此外，這個實驗現(xiàn)象也可作為證據(jù)，來論證燃燒發(fā)生需要“溫度要達到著火點”這一條件。對于這個小實驗，教師可留給學生適當?shù)乃伎紩r間，鼓勵學生提出探究問題。如有學生提出問題：“錫紙的金屬是錫嗎？”教師不用直接給出答案，而是可布置成作業(yè)，讓學生課后去搜集資料、設(shè)計方案，開展實踐探究。

學生主張：（1）可能是錫；（2）可能是鋁。

實驗方案：（1）把打磨后的錫紙片放入試管里，滴加稀鹽酸，觀察到有氣泡產(chǎn)生，根據(jù)錫和鋁的金屬活動性，可知它們都能與稀鹽酸反應(yīng)，因此，這一實驗證據(jù)還無法判斷錫紙的金屬成分；（2）把打磨后的錫紙片放入試管里，滴加氯化鋅溶液，發(fā)現(xiàn)錫紙表面有深灰色固體析出。

論證：根據(jù)金屬活動性順序，鋁排在鋅的前面，錫排在鋅的后面，能與氯化鋅溶液發(fā)生置換反應(yīng)，說明該金屬是鋁。

該拓展性探究實驗較好地體現(xiàn)了科學是一門綜合性學科的理念。

探究實驗是訓練學生科學論證思維的優(yōu)良素材，教師要善于在課堂上給學生“留白”，放手讓學生自主設(shè)計探究方案，搜集證據(jù)并分析論證，得出結(jié)論。當然，教師也可根據(jù)教學需要，適當拓展探究內(nèi)涵與外延，開展科學論證的深度學習活動。

五、結(jié)語

科學論證思維是一類高階思維，它能讓學生體驗科學知識的形成，引導學生用科學家探究問題的方式去思考問題。在初中科學學習階段，教師要結(jié)合學生的認知規(guī)律和思維基礎(chǔ)，關(guān)注學生的思維過程，適度開展適合學生發(fā)展的科學論證教學，及時評價并改進論證教學，促進學生科學論證思維的發(fā)展，發(fā)展學生的科學核心素養(yǎng)?！酲?/p>