科學論證視角下人教版與粵教版高中物理教材對比研究

王麗 張軍朋

摘? ?要：科學論證思維的培養(yǎng)是發(fā)展中學生核心素養(yǎng)的重要要素。文章基于科學論證視角，以《牛頓運動定律》一章為例，統計了現行人教版與粵教版物理教材科學論證的呈現頻數，進而以《牛頓第一定律》一節(jié)為例，細化、對比了兩版教材對科學論證結構要素的具體內容呈現。發(fā)現兩版教材均存在對科學論證體現較少、論證型任務匱乏且單一、論證內容開放性不大的問題。因此，提出科學論證視角下的教材編寫建議：論證型話語的引導化，論證型案例的示范化，論證型任務的豐富化，以期對新教材的編寫和科學論證教學提供參考。

關鍵詞：科學論證;人教版教材;粵教版教材;牛頓運動定律;教材對比

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）10-0019-5

我國新修訂的高中物理課程標準明確提出，要發(fā)展中學生的核心素養(yǎng)?？茖W思維是普通高中物理學科的四大核心素養(yǎng)之一，而科學論證作為一種重要的科學思維，是培養(yǎng)學生科學思維能力的重要途徑。論證教學研究在近二十年內均是國際科學教育領域研究的熱點，而我國尚處于核心素養(yǎng)教育的起步階段。教材是第一手的教學資源，基于核心素養(yǎng)背景下的教材革新已拉開帷幕，但現有研究中缺乏核心素養(yǎng)視角下的相關教材研究。本文以《牛頓運動定律》一章為例，基于科學論證視角對比我國人教版和粵教版兩版高中物理教材，以期對新教材的編寫和論證教學提供參考。

1? ? 科學論證在《牛頓運動定律》一章中的整體體現

我國核心素養(yǎng)指出，科學論證能力包括：“具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測”[1]。在國際教育領域最早提出的是Toulmin論證模型，認為論證過程應包括資料、主張、論據、支持、條件限制和反駁六個基本結構的要素及各要素之間的聯系[2]。筆者以核心素養(yǎng)與Toulmin論證模型為基礎，結合當前物理教育背景和研究現狀進行調整，以主張、證據、推理、支持或反駁四個結構要素為基點，確定了如表1所示的科學論證的內涵界定和基于教材的可操作性定義[3]。

基于科學論證的內容界定及教材的可操作性定義，將現行人教版和粵教版高中物理教材《牛頓運動定律》一章的內容分為三個部分：主體內容、特色欄目、例題及課后習題，對教材內容呈現的科學論證進行頻數統計，如表2所示。

通過表1的統計結果可以發(fā)現，在主體部分，相對粵教版教材而言人教版教材體現科學論證的內容較多，而在特色欄目與例題、課后習題部分粵教版教材則呈現更多的科學論證要素。當然，這與粵教版教材編寫的特色欄目與課后習題較多的客觀事實密切相關?？傮w而言，兩者對科學論證要素的呈現均較少。其次，聚焦到科學論證在各節(jié)的分布情況，發(fā)現無論是人教版還是粵教版教材，科學論證更多呈現在牛頓第一定律、牛頓第二定律的實驗探究部分以及牛頓第三定律內容中。本文選取《牛頓第一定律》一節(jié)對科學論證的呈現過程進行細致的對比與分析。

2? ? 科學論證在《牛頓第一定律》一節(jié)中的體現

2.1? ? 主體部分

對于發(fā)現牛頓第一定律的物理學史，人教版與粵教版教材均呈現了標準的科學論證模板。起源于伽利略對亞里士多德長達兩千年的“思想錯案”的質疑，因而提出自己的主張：力不是維持物體運動狀態(tài)的原因，如果沒有摩擦阻力，在水平面上運動的物體會一直運動下去。進而設計理想實驗、尋求證據并經過合理推理過程將證據與主張之間建立邏輯關系，從而論證了自己的主張，反駁了亞里士多德的觀點。而兩版教材在呈現過程中則各有優(yōu)缺點，人教版教材在構建了力與運動認知沖突之后，呈現了伽利略提出對物體運動的影響實則是摩擦阻力的猜想，進而通過實驗觀察到“表面越光滑，球會運動得越遠”的現象驗證了該猜想，最后過渡到理想實驗：“若沒有摩擦阻力，球會永遠運動下去”?；浗贪娼滩脑谔岢鲑だ詫Α傲κ蔷S持物體運動狀態(tài)的原因”的質疑后，立馬呈現伽利略理想實驗的環(huán)節(jié)，繼而通過簡單的設問進入推理環(huán)節(jié)，這樣的編寫可能會導致學生在思維上的跳躍，從這點來看人教版科學論證的思路相對來說更加嚴謹[4]。而另一方面，粵教版教材在“資料活頁”欄目中又呈現了伽利略設計理想實驗的思維來源——伽利略針和單擺實驗，提高了教材再現這段科學論證物理學史的完整度，從這個角度來看，粵教版教材的呈現相對而言更為完整。

兩版教材在鞏固、強化規(guī)律或概念時也體現了科學論證。人教版教材舉例了“冰球離開球桿后能以幾乎不變的速度前進，直至它再次受到球桿的打擊或碰到障礙物才會改變它的運動狀態(tài)”的體育賽事中的物理現象，鞏固了學生對牛頓第一定律的理解，同時論證了牛頓第一定律雖是邏輯思維的合理外推，不能用實驗驗證，但是生活中的許多物理現象也間接體現了牛頓第一定律的科學性?；浗贪娼滩呐e例了“汽車啟動時，車上的乘客會向后傾斜;汽車剎車時，車上的乘客會向前傾斜”的生活體驗，強化了學生對于慣性概念的理解。兩版教材的例子雖內容側重點不同，但均是一種通過生活實例支持物理主張的論證行為。

2.2? ? 特色欄目

人教版教材的“思考與討論”欄目、粵教版教材的“討論與交流”欄目均以問題提出與論證的形式引入慣性與質量的關系。人教版教材直接從“改變”的角度將牛頓第一定律的內容換為“物體都具有抵抗運動狀態(tài)變化的本領”，進而直接提問，結合實例分析物體抵抗運動狀態(tài)變化的“本領”與什么因素有關。而粵教版教材以生活中的常見現象“運動的火車比運動的自行車更難停下來，推動一輛汽車比推動一輛自行車更加困難”為實例，說明不同物體抵抗運動狀態(tài)的本領不同，進而引導學生思考并論證物體的慣性與其質量有什么關系。從提問方式來看，粵教版教材的提問從學生生活體驗的實例出發(fā)說明物理原理，充分體現生活與物理之間的緊密聯系，相比人教版教材辯證性地認識牛頓第一定律更符合學生的認知規(guī)律。而從問題開放度的程度來看，人教版教材問題開放性更大，能構建一個完整的論證環(huán)境。學生提出自己的主張，可能是慣性與質量有關，或是學生容易誤認為的慣性與速度有關，因而形成兩種對立的觀點，收集證據證實自方觀點或反駁對方觀點，通過科學論證的過程幫助學生形成并解決自我的認知沖突，回歸科學的知識認同，從而擯棄錯誤的前概念。而粵教版教材會導致學生的思維局限于慣性與質量的關系，而學生錯誤的前概念尚未暴露解決。因此，從問題開放度和科學論證的視角可見人教版教材的問題設置更勝一籌，優(yōu)化教材設問可培養(yǎng)學生的科學論證能力，助力學生辨析物理概念。

2.3? ? 課后習題

人教版與粵教版教材第一節(jié)的習題設置均體現了科學論證的結構要素。如圖1所示，人教版教材課后習題的第一題和第二題主要考查了學生提出主張、從題干中搜集有效證據、在證據和主張之間建立邏輯推理關系實現主張的論證過程，側重于“推理”的結構要素;第三題和第四題均是考查學生收集有效的證據，形成論點進行反駁的論證行為，不同的是第三題側重“反駁”的結構要素，而第四題側重“證據”的結構要素。如圖2所示，粵教版教材課后習題第一題從伽利略的理想實驗出發(fā)，考查學生對論證的“事實證據”與“推理”兩個要素的辨別，第二題、第三題、第四題與人教版的前兩道習題類似，側重于推理和解釋，第五題與人教版的第四題類似，側重“證據”的結構要素。因此，從結構要素的角度來看，人教版教材習題對科學論證的滲透更充分，層次更分明。

從論證內容的角度來看，人教版教材的習題情境設置更豐富，既有水平運動的情境，又有豎直運動的情境。問題更具論證價值，如第一題的第二小問提出學生容易存在認知困難的問題，第二題融入了社會性問題，第四題明顯難度有所提升，對學生的論證能力要求更高。而粵教版教材的論證問題更注重學科知識，題目之間存在重疊交叉性（如第二題、第三題），對學生論證能力要求的層次性不明顯。

3? ? 科學論證視角下的教材編寫建議

3.1? ? 論證型話語的引導化

學生在閱讀教材時應經歷疑問、思考、解決、認同、求異的過程，教材論證型話語的引導則必不可少，而現行教材主體內容中對科學論證的體現甚少，只是將知識呈現出來而已，對學生科學思維的培養(yǎng)痕跡不明顯。教材編寫者應精心設計論證型問題驅動學生主動思考，例如，為什么你這么認為？你是怎么得到這個結論的？是否能提出其他合理的方案設計并論證其可行性和優(yōu)缺點？能否舉出實例論證或反駁這一規(guī)律？創(chuàng)設科學論證的環(huán)境，引導學生的科學論證行為[5]。

3.2? ? 論證型案例的示范化

教材的基本任務是讓學生習得知識，而重要的高階任務是讓學生習得能力。教材中科學論證案例能為學生進行科學論證起到示范作用，而現行教材中這樣的教學資源幾乎沒有，教材編寫應不斷豐富教學資源，提供一些完整的論證型案例作為學生學習的論證模板。例如，物理學家對某個規(guī)律爭辯與論證的物理學史，或者不囿于物理領域的經濟學家對某個經濟理論的論證過程，生態(tài)學家對某個環(huán)境保護制度的論證與評估，均可成為科學論證案例的素材來源。潛移默化地影響學生如何開展科學論證，既能體現教學資源的育人功能，又能滲透不同學科之間的“整合”思想。

3.3? ? 論證型任務的豐富化

兩版教材均表現出論證型任務的匱乏和單一化，教材論證型任務的豐富化為展開論證教學、培養(yǎng)學生科學論證能力提供充分的論證材料。論證型任務可以包括：

辨析具有爭議性的概念或規(guī)律。當前教材欄目更多呈現的是應用知識對特定情境問題的解決，而某些問題呈現出爭議性不大，只是為了符合當前講授的知識而設計，對學生的思維特點沒有充分了解。在教材特色欄目中應選擇學生有認知困難的問題、較難辨析的概念或規(guī)律展開有針對性的論證，將學生內隱的“相異構想”的原始認知外顯，進而引導學生自主展開科學論證過程，以自我沖突的形成或同伴教學的方式實現觀念的轉變或觀點的自洽，形成科學認知，幫助學生修正偏差、重構認知，同時有效提升學生自我反思監(jiān)控和論證的能力。例如，新概念高中物理讀本中在講授牛頓第三定律時，就學生認知困難的彈簧間相互作用力的辨析和拔河問題展開了討論，問題的選項中隱含學生典型的錯誤理解[6]，學生經歷論證過程，親自體驗前概念和新理論的認知沖突，這樣的問題論證價值更高，真正解決了學生的認知障礙。

創(chuàng)新實驗設計。現行教材的實驗為學生動手實驗提供了現成的裝置、原理、步驟、數據處理，而在實驗后鮮有對教材實驗的評價論證過程，教材編寫論證型任務時可從創(chuàng)新實驗設計出發(fā)，例如驗證牛頓第二定律的實驗中，以問題導向引起學生對實驗的創(chuàng)新，通過這個裝置還能實現測量什么物理量？除了平衡摩擦力的方法以外，還能采用什么裝置消除摩擦力的影響？實驗過程中一定保證M>>m嗎？測量的手段能否更加精密？通過一個個問題實現由原型實驗向創(chuàng)新變式的過渡，學生也能通過論證創(chuàng)新實驗方案的過程培養(yǎng)科學論證能力和批判性思維。

開放的定性習題。兩版教材的習題多偏定量而少定性，限制了學生對定性問題的論證能力，教材編寫應多注重定性問題的論證解決，培養(yǎng)學生的高階思維能力，而不是抽象為簡單的模型代入公式計算即可;其次，習題的開放性不大也是現行兩版教材均出現的問題，習題呈現往往是“非A即B”的問題情境，一定程度上限制了學生就問題而言的開放性思維，而開放性問題才能為學生提供自主構建主張、開展論證活動的可能性。

課外研究型課題。現行教材的論證性問題更多呈現了通過對話來勸說和消除疑問的論證，而未體現解決未知問題的論證，懸而未決的問題往往爭議性更大，對學生的論證能力要求更高。例如，國際論證教學中大多選取社會性議題（SSI）的兩難情境進行論證，在溫室效應背景下增加二氧化碳稅的價值[7]、能源的使用與開發(fā)、能源的安全性等議題[8]，美國流行的《物理原理與問題》教材中每一章章末習題中有一項科技寫作的欄目設置，在《牛頓運動定律》這一章（下轉第26頁）（上接第22頁）包括兩個問題：研究牛頓對物理學的貢獻，你認為他的三個運動定律是他一生中最偉大的成就嗎？請說明原因[9]。對牛頓第一定律作出評論、分析和批判，你能證明這個定律嗎？我國的教材編寫應考慮增加類似的課外研究型課題，甚至是當前熱點的社會性議題，豐富論證型任務，為學生課外展開科學論證提供研究方向。

參考文獻：

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[2]Toulmin S.E.The use of argument[M].London：Cambridge University Press，1958.

[3]秦文佩. 基于物理核心素養(yǎng)對人教版初中物理教材的研究[D].西安：陜西師范大學碩士學位論文，2018.

[4]占晨達.“牛頓第一定律”概念建構中四重思維邏輯的內涵——兼對六種版本教材教學思路的對比[J].中學物理教學參考，2017，46（15）：16-18.

[5]鄭穎，張軍朋，張玉發(fā).高中生物理科學論證能力表現——基于Rasch模型的測試評價[J].物理教師，2019，40（1）：2-6.

[6]趙凱華，張維善.新概念高中物理讀本（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2007：5.

[7]Nussbaum，E.M.，Sinatra，G.M.，&Owens，M.C. The two faces of scientific argumentation：Applications to global climate change[J].In M.S.Khine（Ed.），perspectives on scientific argumentation：Theory，practice and research.Dordecht：Sprin-ger，2012.

[8]潘瑤珍. 科學教育中的論證教學[D].上海：華東師范大學博士學位論文，2013.

[9][美]保羅·齊澤維茨，等.錢振華，沈珊雄，徐在新，譯.物理原理與問題（上）[M].杭州：浙江教育出版社，2015：10.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）