將科學(xué)論證過(guò)程融入教學(xué)的案例

王蔚　袁雪平

[摘? ? ? ? ? ?要]? 將科學(xué)論證過(guò)程融入五年制高職物理課堂中，可提升學(xué)生的科學(xué)思維。在“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中，將傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，加入學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展論證，同時(shí)要求學(xué)生課后完成探究報(bào)告，并開(kāi)展學(xué)生互評(píng)等過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)論證的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 五年制高職;物理;論證教育;科學(xué)思維

[中圖分類(lèi)號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）36-0150-02

近年來(lái)，五年制高等職業(yè)教育普遍重視學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過(guò)教學(xué)改革，重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生能力、性格和價(jià)值觀的培養(yǎng)，以滿足學(xué)生的終身發(fā)展和未來(lái)的社會(huì)需求。作為五年制高職的基礎(chǔ)學(xué)科，物理學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)中起著非常重要的作用。科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要方面。在物理教學(xué)中，教師應(yīng)使學(xué)生敢于求真質(zhì)疑、尊重證據(jù)、嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。筆者在五年制高職物理教學(xué)中進(jìn)行了一些實(shí)踐，重點(diǎn)加強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)。

本文以自由落體運(yùn)動(dòng)探究為主線進(jìn)行論證式教學(xué)重構(gòu)，包括指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分組匯報(bào)結(jié)果。同時(shí)，要求學(xué)生課后寫(xiě)探究報(bào)告，進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生參與體驗(yàn)科學(xué)論證的過(guò)程，激發(fā)學(xué)生理性思考物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

一、情景引入，提出問(wèn)題

教師演示：將小金屬球和紙片舉高，同時(shí)釋放，金屬球和紙片從靜止開(kāi)始下落。可以看到，金屬球先落地，紙片后落地。教師介紹亞里士多德的觀點(diǎn)：“重的物體比輕的物體下落得快。”物體下落的過(guò)程有沒(méi)有一定的規(guī)律可循呢？要求學(xué)生扮演科學(xué)家身份完成一個(gè)課題——“探究自由落體運(yùn)動(dòng)”。

教師：影響物體下落速度的可能因素有哪些？質(zhì)量、形狀、體積？你能證明你的觀點(diǎn)嗎？

二、分組初步實(shí)驗(yàn)探究

提示課堂中可以使用的實(shí)驗(yàn)器材，硬幣（若干一元和五角）、紙片、羽毛、膠帶紙。按教師事先準(zhǔn)備好的提示模板，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，討論。每組用白板展示實(shí)驗(yàn)方案、觀察到的現(xiàn)象和結(jié)論。

現(xiàn)象和結(jié)論1：同時(shí)釋放一枚一元硬幣和一個(gè)與硬幣面積相同的紙片，硬幣和紙片從同一高度開(kāi)始下落，可以觀察到硬幣比紙片下落得快，說(shuō)明質(zhì)量大的物體下落得快。

現(xiàn)象與結(jié)論1：1元硬幣與一張紙片同時(shí)下落，紙片面積與硬幣相同。可以看出，硬幣比紙下落得快，這說(shuō)明重的物體下落得快。

現(xiàn)象和結(jié)論2：取兩張相同的紙片，將其中一張團(tuán)成小紙球，讓紙片和紙球從相同的高度同時(shí)釋放，可以看出紙球的下落速度比紙片快，說(shuō)明相同質(zhì)量形狀較小的物體下落得快。

現(xiàn)象和結(jié)論3：當(dāng)1元硬幣和5角硬幣同時(shí)從同一高度釋放時(shí)，可以看到它們下落的速度是一樣的，這表明不同質(zhì)量的物體下落的速度是一樣的。

三、初步論證歸納：影響物體下落快慢的因素究竟是什么

指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本伽利略的“兩難推理”，了解“歸謬”論證法。伽利略設(shè)想把大石頭和小石頭連成一體，運(yùn)用亞里士多德的論斷作為前提，來(lái)推理這個(gè)連體的下落速度，得出自相矛盾的結(jié)論，故亞里士多德“重的物體比輕的物體下落得快”的論斷是錯(cuò)誤的。

教師實(shí)驗(yàn)演示“牛頓管”的實(shí)驗(yàn)。將牛頓管的閥門(mén)打開(kāi)，迅速倒置，看到小鐵片比羽毛先落到管底。將牛頓管抽氣后關(guān)閉閥門(mén)，迅速倒置，看到小鐵片和羽毛，幾乎同時(shí)落到管底。

啟發(fā)學(xué)生得出結(jié)論：空氣阻力是影響落體運(yùn)動(dòng)速度的主要因素，如果沒(méi)有空氣阻力，只在重力作用下，那么，不同質(zhì)量的物體下落快慢是相同的。

四、資料學(xué)習(xí)

引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本上關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的定義和特點(diǎn)，使學(xué)生了解什么樣的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為自由落體運(yùn)動(dòng)。需要滿足兩個(gè)條件：一是初速度為零;二是只受重力作用，不受阻力作用。

資料：物理探究小組進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用相機(jī)頻閃模式拍得兩張照片A和B，教師向?qū)W生展示照片，照片A拍攝的是質(zhì)量相同的紙片和紙團(tuán)從同一高度下落，照片B拍攝的是體積相等的鉛球和木球從同一高度下落，引導(dǎo)學(xué)生討論照片中觀察到的現(xiàn)象。

教師：引導(dǎo)學(xué)生思考什么樣的物體可以看成自由落體：

地球表面附近有大氣層，當(dāng)一個(gè)物體從高處落下時(shí)，它會(huì)受到空氣阻力。因此，嚴(yán)格地說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)生活中，只受重力的自由落體運(yùn)動(dòng)是不存在的。

如果一個(gè)物體下落時(shí)，所受的阻力和重力小得多，它的下落就可以看作是自由下落。例如，固體金屬球、硬幣、小石頭等，在其運(yùn)動(dòng)速度較小的情況下，可以忽略空氣阻力的影響，將其自由落體視為自由落體運(yùn)動(dòng)。

但如果它們從很高的地方開(kāi)始下落，情況就不同了。當(dāng)它們的速度增大到一定程度時(shí)，空氣阻力就不能忽視了，所以它們運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程就不能被認(rèn)為是自由落體。

對(duì)于其他物體，如紙、棉花、羽毛等，從空中落下時(shí)，與重力相比，空氣阻力的作用太大，不容忽視，其運(yùn)動(dòng)不能視為自由落體。

五、論證自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是勻加速直線運(yùn)動(dòng)，估算自由落體加速度

教師：自由下落的物體位置的變化很快，憑眼睛觀察記錄難以準(zhǔn)確。其實(shí)，用數(shù)碼相機(jī)連拍功能可以記錄重物的下落過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中使用的照相具有運(yùn)動(dòng)連拍模式或多次曝光模式（要求每秒10楨以上）。可將金屬球置于一個(gè)高2米的刻度尺前自由下落，連續(xù)多次拍攝質(zhì)量不等的3個(gè)小金屬球的自由下落的過(guò)程。

引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論分析，提示學(xué)生注意觀察運(yùn)動(dòng)的軌跡、關(guān)注速度與時(shí)間的關(guān)系、位移與時(shí)間的關(guān)系、誤差原因等要素。得出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，要求學(xué)生在每個(gè)組的白板上，寫(xiě)出觀察和分析的結(jié)果。下圖為某組學(xué)生使用相機(jī)連拍功能的小球的自由落體圖片。

結(jié)論1：自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡是一直線。

結(jié)論2：重物做自由落體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，其速度越來(lái)越大。

結(jié)論3：位移與時(shí)間平方成正比。

結(jié)論4：影響實(shí)驗(yàn)精確度的因素主要是阻力。

實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果：自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

師：介紹自由落體儀，然后測(cè)量數(shù)據(jù)（演示實(shí)驗(yàn)）。

結(jié)論1：自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

結(jié)論2：在同一地點(diǎn)，一切物體在自由落體運(yùn)動(dòng)中的加速度都相同。

結(jié)論3：自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

六、就學(xué)生分組探究的部分進(jìn)行反思與交流

討論：在現(xiàn)實(shí)資料中顯示，雨滴大約在1.5 km左右的高空形成并開(kāi)始下落，計(jì)算一下，若該雨滴做自由落體運(yùn)動(dòng)，到達(dá)地面時(shí)的速度是多大？遇到過(guò)這樣快速的雨滴嗎？據(jù)資料顯示，落到地面的雨滴速度一般不超過(guò)8 m/s。為什么它們的差別會(huì)這么大？

七、完成科學(xué)探究報(bào)告

將科學(xué)研究報(bào)告的模板發(fā)放給學(xué)生，要求學(xué)生課后，按模板完成研究報(bào)告，要求報(bào)告中應(yīng)包括探究目的、探究方法，科學(xué)論證過(guò)程以及探究的結(jié)論。完成科學(xué)探究報(bào)告的目的，是幫助學(xué)生更加深入理解論證過(guò)程與論證方法。

八、同行評(píng)議階段

報(bào)告完成之后組織進(jìn)行同行評(píng)審，學(xué)生分享和批判其他同學(xué)的論證過(guò)程，按教師提供的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)審階段也是科學(xué)論證的一部分，讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演，模仿科學(xué)家基于評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為其他同學(xué)提供評(píng)價(jià)反饋，確定同行研究報(bào)告中的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出合理的改進(jìn)建議。

九、修改報(bào)告

最后，學(xué)生根據(jù)同學(xué)的反饋和評(píng)分修改報(bào)告，提交給老師。

科學(xué)思維是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。將科學(xué)論證過(guò)程合理地融入物理教學(xué)中，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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◎編輯 張 慧