基于證據，提升學生的科學論證能力

宋懷甫　孫建紋

[摘 要]證據意識就是根據證據來支持自己主張或者反駁他人主張的一種意識。收集證據、進行證據分析與評估是培養學生科學探究能力的重要環節，也是培養學生證據意識的可靠路徑。文章以復習“探究電流與電阻的關系”為例，探討在教學中培養學生的證據意識，提升學生的科學論證能力。

[關鍵詞]探究電流與電阻的關系;證據意識;科學論證

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）20-0033-03

2018年無錫市中考物理試卷上有這樣的一道實驗題：為了驗證“當導體兩端的電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比”這一規律，實驗小組的同學們準備的實驗器材有：干電池2節，滑動變阻器（20 Ω，1 A）、電流表、電壓表、開關各一個，導線若干，5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻。準備把5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻分別接入圖1所示電路，測量電流進行探究。有同學提議：既然探究時需要保持電阻兩端的電壓不變，圖1中可以不用連接滑動變阻器和電壓表。他們按照提議分別將三個電阻由小到大接入電路，閉合開關后，讀出電流表示數分別為0.42 A，0.24 A，0.13 A，發現無法驗證“當導體兩端電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比”這一規律。于是他們計劃仍按圖1進行探究，分析測量數據后，選定準備加在電阻兩端的電壓值U。為確保完成驗證，則這個電壓值U的范圍為（）。

A. [1.5 V

C. [1.3 V

批閱完中考物理試卷后發現該題的得分率很低。原因是教師在新課教學“探究電流與電阻的關系”時，由于課堂時間有限，在學生經歷了設計實驗與制訂計劃后，直接告訴學生控制電阻兩端的電壓為某個值進行實驗，沒有放手讓學生隨意選擇電壓進行實驗。這樣，學生不會想到電阻兩端的預設電壓不能隨意設置，預設電壓只能在一定的范圍內。另外，初中階段一般不考慮電源的內電阻，把電源看作是理想電源，這樣學生會認為電源電壓是不變的。在這道實驗題中，把不同的電阻直接接到電源上，電阻兩端的電壓是變化的。怎么才能幫助學生認識到這個問題呢？答案是實驗。讓學生在實驗中獲得證據形成沖突，進而對證據進行解釋，才會獲得認識的提升。

物理課程標準對本節的教學要求是：學生能“通過實驗，探究電流與電壓、電阻的關系，理解歐姆定律”，屬于理解層次。從本章的知識結構來看，學完本章內容，在復習階段很有必要再次探究電流與電阻的關系。放手讓學生設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、交流與合作，重點要應用歐姆定律解決學生在實驗中的困惑，即新課教學中遺留的問題。“把不同的電阻直接接到電源上，電阻兩端的電壓是不是變化的？電阻兩端的預設電壓可以隨意嗎？”就需要基于科學論證能力的培養，對復習課有一個整體的規劃：基于證據——科學推理——科學論證。

一、暴露問題形成沖突，培養證據意識，為提升學生的科學論證能力創造條件

要培養學生的科學論證能力，教師在教學中應重視證據，讓學生具有證據意識。在復習“探究電流與電阻的關系”時，教師可以設計問題，按照學生的思維，因勢利導，幫助學生發現問題形成沖突，在解決沖突的過程中培養證據意識，進而為提升學生科學論證能力打下基礎。

教師：請同學們思考，我們在探究電流與電阻的關系時，電路如圖2所示，能否用同一個電源，控制電阻兩端的電壓不變，分別把5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻接到電源上，測量出通過電阻的電流？

學生：可以用這個方案，因為同一個電源兩端的電壓是不變的。

教師：請同學們按照這個實驗方案，根據下列實驗步驟，進行實驗。

實驗步驟：

1.根據圖2連接好電路;

2.測量出5 Ω電阻兩端的電壓和通過它的電流，并填入表格;

3.分別換用10 Ω和20 Ω的電阻重復上述實驗。

學生進行實驗，教師巡視并收集證據，如表1。

教師把收集到的數據投影到屏幕上，提出問題：分析表格中的實驗數據，能否得出電流與電阻的關系？為什么？

學生：分析表格中的數據不能得出電流與電阻的關系，因為實驗中沒有控制電阻兩端的電壓一定。

教師：分析表格中的電壓與電阻的關系，你能得到什么結論？

學生：外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大。

學生會發現，我們習以為常的“正確答案”在這里被實驗推翻了，這是千真萬確的證據。

在證據面前，學生原有的“惰性知識”受到沖擊，新鮮的“活力知識”獲得論證。正如李政道所說：“實驗可以打敗理論，而理論無法打敗實驗。”培養證據意識是重要的科學活動，其內涵是利用證據建立科學的理由以支持科學主張。從形式上看，科學論證大體上包括個體內的論證和個體間的論證兩類：前者是指個體通過科學推理，利用證據建立自己的科學主張的過程;后者是指人與人之間通過辯論、爭論等形式對相互對立的主張進行辯駁，從而鞏固個人主張的過程。教師要創造條件，尤其是利用學生“常常認為應該是這樣的”一些感性觀點來制造沖突，然后利用可靠的科學方法來收集證據，進而通過理性的科學推理來推翻“原來的觀點”，這對培養學生的證據意識和科學論證能力是特別有效和深刻的。

二、改變條件不斷追問，在解決問題中培養科學論證的能力

復習課不是簡單重復，而是精準提升。要在原有實驗的基礎上，增添新的經歷，帶來新的思考，從而提升科學論證的能力。前面有了證據意識，接下來，我們就在實驗中尋找新問題，基于證據，在解決問題中培養學生的科學論證能力。

教師：探究電流與電阻的關系時，為了控制電阻兩端的電壓不變，你們準備采取什么措施？

學生：在電路中串聯一個滑動變阻器，更換電阻后，調節滑動變阻器，控制電阻兩端的電壓不變。

教師：請同學們按照電路（圖3）進行實驗（滑動變阻器的銘牌上標有“20 Ω，2 A”）。

學生進行實驗，教師巡視并收集證據，如表2。

教師：分析表格中的數據，你能得出什么結論？

學生：導體兩端的電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比。

教師：探究電流與電阻關系的實驗過程中，你還遇到了什么困難？

學生：我在實驗中想控制電阻兩端的電壓等于1 V，但是把20 Ω的電阻接入電路，無論怎樣調節滑動變阻器，電阻兩端的電壓都不能達到1 V。

教師：探究電流與電阻的關系時，電阻兩端的電壓為什么不能隨意設置？解決這個問題，必須弄清楚：分別用5 Ω、10 Ω和20 Ω的電阻探究電流與電阻的關系時，電阻兩端的預設電壓范圍多大？

教師：電阻兩端的預設電壓最大是多少？當電阻兩端的預設電壓最大時，滑動變阻器兩端的電壓最小，要確保三個電阻都能在預設電壓下完成實驗，把哪個電阻接入電路時，預設電壓最大？

學生：串聯分壓，滑動變阻器接入電路的電阻最小，所分的電壓最小。把5 Ω的電阻接入電路，滑動變阻器接入電路的電阻最小，此時5 Ω的電阻兩端的電壓就是最大預設電壓，根據前面的實驗可知，預設電壓的最大值是2.0 V。

教師：把5 Ω的電阻接入電路，調節滑動變阻器的滑片，使電壓表示數為1 V;取下5 Ω的電阻，把10 Ω的電阻接入電路，閉合開關，滑片P向哪移？取下10 Ω的電阻，把20 Ω的電阻接入電路，閉合開關后滑片P向哪移？若滑片P移到阻值最大處，電壓等于1.4 V，電壓還是大于預設電壓，你的預設電壓最小只能是多少？

學生：每次更換較大的電阻后，滑動變阻器的滑片P都要向阻值增大的方向移動。把20 Ω的電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處，預設電壓最小為1.4 V。

教師：哪個電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處的電壓就是最小預設電壓？

學生：把最大的電阻接入電路，滑片P移到阻值最大處，此時電阻兩端的電壓就是最小預設電壓。

教師：探究電流與電阻的關系時，要確保三個電阻都能在預設電壓下完成實驗，把哪個電阻接入電路，預設電壓最小？

學生：要確保三個電阻都能在預設電壓下完成實驗，把20 Ω的電阻接入電路，滑動變阻器的滑片移到阻值最大處，此時20 Ω的電阻所分的電壓就是最小電壓。此時外電路的總電阻為40 Ω，根據外電路電阻兩端的電壓隨電阻的增大而增大，可知40 Ω的電阻所分的電壓大于2.6 V，所以電阻兩端的預設電壓的最小值Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，電阻兩端的預設電壓U范圍為：[1.3 V

開始的推理，實際上是一種內在的科學推理。所謂內在的科學推理是指學生在證據與主張之間尋求理由來支持自己的主張的過程，學生通過自己對已有經驗與外界信息之間的權衡、評價、批判，最終選擇一個最合理、最能接受的主張。為了提升學生科學論證的能力，我們還需要在解決問題的過程中采用外在推理的方式。外在推理是指人與人之間通過辯論、爭論等形式對相互對立的主張進行辯駁，從而鞏固個人主張的過程。在利用外在推理的過程中，驅動了學生“尊重證據，尋找證據，解釋證據”的能力提升，進而感受到科學論證的魅力。

三、當堂反饋及時評價，讓學生感受科學論證的價值

教師邀請部分學生解決本文中的2018年無錫市中考物理試卷上的那道實驗題。

學生：閱讀完題目后，我們利用題目中提供的數據，可以找到表中的證據：

從表格中的數據可以看出，外電路的電阻越大，所分的電壓越大。要確保三個電阻都能在預設電壓下完成實驗，如圖1，把5 Ω的電阻接入電路，滑動變阻器接入電路的電阻為零，此時電阻兩端的電壓為2.1 V就是最大預設電壓。把20 Ω的電阻接入電路，如圖1，滑動變阻器接入電路的電阻最大為20 Ω，此時電阻兩端的預設電壓最小。這樣外電路的總電阻為40 Ω，外電路兩端的總電壓大于2.6 V，預設電壓的最小值為Umin：[Umin>×2.6 V2=1.3 V]，所以預設電壓U的取值范圍為：[1.3 V

科學推理論證是科學思維的重要組成部分，我們從課程標準中可以看到科學思維的五個水平等級，都對科學推理論證提出了要求。水平1，要求能對常見的物理現象進行簡單分析;水平2，要求針對比較簡單的物理現象進行分析推理，得到結論，并利用簡單直接的證據闡述自己的觀點;水平3，要求能對常見的物理現象進行分析推理解釋并得到結論，利用證據闡釋自己的觀點;水平4，要求能對綜合性物理問題進行分析推理，解釋并得到結論，并且能夠證明得到的結論是正確的;水平5，要求能在新情景中對綜合性物理問題進行分析推理、解釋并得到結論，并且能夠在證明過程中，考慮到證據的可靠性并合理地選用。可見，要評價學生的科學論證能力，需要在實際碰到的新情景中去評價。學生在此過程中品嘗到科學論證的價值，激發他們對論證的興趣。實際教學中，通過對學生評價效果的分析，我們發現80%的學生都達到水平2，有40%的學生達到了水平4，也有20%的學生達到了水平5。

綜上所述，在物理課堂教學中，為了培養學生的科學論證能力，教師有時要利用學生的“迷思概念”設下陷阱，先讓學生陷進去;然后利用收集到的證據，幫助學生深層次地反思，走出困惑，進而提升學生的科學論證能力。能夠科學論證，愿意科學論證，樂于科學論證，這就是每一節物理課希望達成的理想愿景。

（責任編輯 易志毅）