科學論證取向下的試題設計及教學應對——以分析高考試題的設計為例

劉 偉

（浙江省龍游中學，浙江 龍游 324400）

科學論證作為科學思維的重要構成，在《普通高中物理課程標準（2017年版）》［1］課程目標中，從科學思維、科學探究和科學態度與責任3個維度對其提出明確要求.與此同時，學業水平考試與命題建議版塊進一步指出，試題應有明確的測試目標.試題的立意要明確，要清楚地指向物理學科核心素養某個或多個方面，盡量明確到對具體要素的測試.整份試卷所考核的內容要盡可能涵蓋學科所有可測的物理學科核心素養.由此，作為“可測”的科學論證素養在高考試題中以一定形式呈現，并逐步增加考查的權重是一個可預測的必然趨勢.

就目前而言，4個核心素養類型的考查并不平衡，素養要素考查側重點不一，單以“科學思維”而言，“模型建構”、“科學推理”考查較廣較深，而“科學論證”、“質疑創新”要素在試題中卻鮮有體現.究其原因，科學論證關注學生學習實踐中的分析、推理、體驗和交流，因此科學論證取向下的試題不少是劣構的開放性問題，就題境構建、條件關聯和問題設置等方面的層次性、復雜性相對“常規試題”命制難度會大大增加；加之紙筆考試的限制，相比于物理觀念，科學思維中的模型構建、科學推理，科學探究的考查，在技術操作層面更為不易，更何況命題者還會受囿于命制“常規試題”的慣性思維干擾.

1 科學論證及論證模型

科學論證這一概念雖然在《普通高中物理課程標準（2017年版）》中首次提出，但與科學論證相關的內容自1950年開始就出現在歷次高中物理課程標準（教學大綱）中.［2］

科學論證是基于科學證據和理由建構科學主張，同時以反駁、勸說等形式辯護自己的科學主張的合理性實踐.［3］目前在論證型式上圖爾敏（Toulmin）模型是影響力最大的，如圖1［4］的橢圓形虛線顯示的主張（或觀點）、資料（或證據）和根據（或理由）是3個最核心要素，構成了基本操作模式，完整模式（或拓展模式）再包括支援（或支持）、限定（條件）和反駁.主張是指基于對物理問題情境的描述與分析而做出的判斷；支持觀點的物理知識，包括物理模型和規律等即資料（或證據）；根據（或理由）是連接主張和資料之間的橋梁，是資料支撐主張的推理過程，包括演繹推理和歸納推理等；支援是對根據的支援性陳述，是根據的補充；限定描述主張成立的限定性條件；反駁是指運用物理知識對相異觀點進行質疑和批判.

圖1 圖爾敏論證模型

2 科學論證取向下試題設計途徑

《普通高中物理課程標準（2017年版）》把高中物理學業質量劃分為5個由低到高逐漸遞進的水平，科學論證的表現水平如表1所示.根據不同功能定位和評價要求，對試題進行不同水平的考查.

表1 科學論證素養的水平劃分

歷年來已有部分省市在一些年份針對科學論證素養做過一些考查嘗試，對其進行梳理，可以體悟到這些試題有“總體題量偏少，點位比較集中，但途徑相對豐富”的特征.

2.1 關注過程，經歷完整的論證體驗

考查的基本意圖是評價學生科學論證的基本素養，試題突出基于證據的推理過程，并能質疑辨析不同的觀點和主張.在形式的設定上，全景式地展現了科學論證的完整過程，比較典型的如2011年上海高考卷32題.

例1.如圖2所示，電阻可忽略的光滑平行金屬導軌長s=1.15 m，兩導軌間距L=0.75 m，導軌傾角為30°，導軌上端ab接一阻值R=1.5Ω的電阻，磁感應強度B=0.8 T的勻強磁場垂直軌道平面向上.阻值r=0.5Ω，質量m=0.2 kg的金屬棒與軌道垂直且接觸良好，從軌道上端ab處由靜止開始下滑至底端，在此過程中金屬棒產生的焦耳熱Qr=0.1 J，取g=10 m／s2，求：

圖2

圖2

試題需要學生斟酌并選擇可靠的證據（物理規律），正確恰當地應用證據形成觀點，屬于科學論證素養水平5.依據科學論證結構要素，完整論證過程表述如下.

（1）資料（或證據）—理論依據.

速度屬于運動物理量，分析題給信息，由力做功與物體動能變化關系，確定動能定理.

（2）根據（或理由）—演繹推理.

（3）主張—形成觀點.

該同學所得結論是正確的.

（4）限定—限定條件.

電阻可忽略的光滑平行金屬導軌的總長度是一定的，長度s=1.15 m.

（5）支援—補充理由.

（6）反駁—求異思維.

質疑批判：只有勻速時，金屬棒的受力才平衡.事實上，金屬棒下滑s=1.15 m過程中，是否能達到勻速階段是需要判斷的，只有達到勻速了最大速度才可能為5.6 m／s.

當t=6 s時，v≈0.995vm，棒的速度趨于穩定，相對誤差小于千分之五，可以認為此時棒達到勻速，相應棒的位移x=27.18 m?s=1.15 m，棒遠未達到勻速，由受力平衡來求解是錯誤的.

2.2 強調環節，考查論證要素的形成

試題以論證過程中某一環節的考查為主要設計方向，其中又以比較容易操作的基于證據的觀點提煉或基于觀點的證據確立等為試題設計的主要途徑，如此實施既兼顧了核心素養的完整考核，又能體現學生科學論證的關鍵能力.以2019年天津高考第14題為例.

例2.2018年，人類歷史上第一架由離子引擎推動的飛機誕生，這種引擎不需要燃料，也無污染物排放.引擎獲得推力的原理如圖3所示，進入電離室的氣體被電離成正離子，而后飄入電極A、B之間的勻強電場（初速度忽略不計），A、B間電壓為U，使正離子加速形成離子束，在加速過程中引擎獲得恒定的推力.單位時間內飄入的正離子數目為定值，離子質量為m，電荷量為Ze，其中Z是正整數，e是元電荷.

圖3

對論證環節的考查側重點比較多樣，例如2012年浙江理綜25題最后一問“有同學提出，通過改變磁感應強度B、后輪外圈半徑r2、角速度ω和張角θ等物理量的大小，優化前同學的設計方案，請給出你的評價.”則要求學生對已有觀點進行評價，并要求學生形成更完善明確的定性觀點.

2.3 聚焦反駁，考查論證思維的慎密

區別于前兩種途徑中外顯的論證行為，反駁的論證過程可以是內隱的.反駁作為科學論證非常重要的環節，在良構問題設計時，試題并沒有直接要求學生去推理或評價不同主張的是與非.但在學生做出結論的過程中，必須要尋求證據，甄別和批判不同觀點，也就是說論證過程學生不需要表述在卷面，但又必須要經歷，不然無從保證結論的唯一性和科學性，這對學生論證思維的慎密提出了很高要求.以浙江省2020年7月選考13題為例.

例3.如圖4所示，圓心為O、半徑為R的半圓形玻璃磚置于水平桌面上，光線從P點垂直界面入射后，恰好在玻璃磚圓形表面發生全反射；當入射角θ=60°時，光線從玻璃磚圓形表面出射后恰好與入射光平行.已知真空中的光速為c，則

圖4

（A）玻璃磚的折射率為1.5.

（D）光從玻璃到空氣的臨界角為30°

試題需要學生分析不同的證據，考慮證據的可靠性并合理使用，屬于科學論證素養水平5.推導出玻璃磚折射率就容易確定正確選項，故圍繞折射率進行反駁論證如表2.

表2 反駁論證過程

續表

3 教學應對

3.1 開展合作論證學習，經歷知識建構過程

合作論證學習是讓學生以合作的方式學習收集資料與整合知識，提升合作水平，注重交流和溝通，是以問題處理為導向的合作學習，［5］知識建構過程實質也是一種論證過程.教學中，教師可將教材內容作為素材，選取適合學生開展合作論證的課題，例如物理1“伽利略對自由落體運動的研究”，物理2“重力勢能”等，組織學生體驗知識構建的完整過程，學生在學習團隊中有機會闡述自己的觀點，充分聽取并辨析其他學生的看法和意見，進行反駁與批判，據此不斷修正和完善自己的主張，進而促進學生概念理解和轉變，推動推理和批判思維的發展.

3.2 設置論證問題，合理解構難點

論證的質量取決于論證問題的設置，考慮到教學效益因素以及論證試題考查的實際情況，我們可以選取有價值的疑難環節來設置論證問題，并預估起始狀態與目標解決之間的可能障礙，預設引導性的鋪墊問題.在組織學生開展論證過程中，教師要實時觀測學生的即時表現，必要時適時呈現鋪墊問題，及時解構稀釋學生的難點.

例如案例1得出金屬棒的最大速度，學生選擇動能定理處理，大多是因為無路可走的無奈之舉.教師可以在此處設置論證問題：為什么這樣求出的速度就是金屬棒的最大速度？在此基礎上，預構引導性的鋪墊問題：金屬棒在導軌上運動物理量是怎樣變化的？試著用v-t圖像來描述金屬棒的運動過程？順著這個思路，學生就能順利突破難點，有利于提高論證的意識和能力.

3.3 捕捉反駁時機，引發論證思維碰撞

反駁時機的捕捉是教學智慧的體現，論證思維的碰撞能觸及到科學概念、規律等的本質.反駁素材需要教師悉心地觀察、用心地積累，而反駁時相異觀點可以由學生直接提出，更理想的做法應該由教師基于學生的認知起點，以學生視角提出，這樣的觀點容易引發學生的共鳴，并且能被教師帶入更深刻的困惑和更深入的思考.教師的角色更多的是協助學生清晰表述證據，引導學生始終圍繞主題思考，并把問題引向縱深，而非輕易地裁判觀點的正誤.

例如案例3的相異觀點源自于學生的解答，當堂課中學生反映熱烈但給不出理想方案，經過課后充分思考，第二堂課學生提供的證據角度就比較豐富，因此，把握好反駁時機，能引發學生思維的深度發展，并促進學科素養的提升融合.