以CER框架為導向

汪鴻飛 姚關心

摘要：在科學探究的過程中，科學思維和科學解釋既是重要能力，又是核心環節。CER框架是美國中小學教育研究過程中提出的引導學生開展科學解釋的教學模式，包括主張、證據、推理三個要素。《實驗：探究平拋運動的特點》一課教學，嘗試以CER框架為導向：基于“經驗”，討論提出“假設”;基于“假設”，探究得到“證據”的方案;基于“證據”，開展“推理”分析;基于“推理”，提出“主張”，得到“科學結果”。

關鍵詞：CER框架;科學探究;科學解釋;平拋運動

“科學探究”是物理學科核心素養之一，“是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力”，“主要包括問題、證據、解釋、交流等要素”。在科學探究的過程中，科學思維和科學解釋既是重要能力，又是核心環節。

CER框架是美國中小學教育研究過程中提出的引導學生開展科學解釋的教學模式，包括主張（claim）、證據（evidence）、推理（reasoning）三個要素。在CER框架（如下頁圖1所示）下，學生在學習科學知識的過程中，以已有經驗（前概念）為基礎，提出假設（主張），搜集相關證據，基于科學思維和科學知識進行推理，并通過師生之間、生生之間的交流討論，驗證或修改自己的假設（主張），完成對科學知識的建構，重構對自然世界的深度理解。人教版高中物理必修第二冊《實驗：探究平拋運動的特點》一課，嘗試以CER框架為導向實施教學。

一、基于“經驗”，討論提出“假設”

實驗探究之前，需要引導學生開展基于已有經驗的問題討論。一方面，可以解決相關概念不清造成的困擾，另一方面，可以啟發思維，讓學生提出相關假設。

本節課，開始探究之前，學生需要知道什么是平拋運動、平拋運動與之前所學的直線運動的區別與聯系。教學片段如下：

師什么是平拋運動？用生活中的一些實例來說明。

生以一定的速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力的作用，這時的運動叫作拋體運動。如果初速度是沿水平方向的，這樣的拋體運動就叫作平拋運動。

生轟炸機投彈時，炸彈做的運動就是平拋運動。

（教師用視頻動畫演示小球的拋體運動，包括斜拋運動、豎直上拋運動和平拋運動三種形式，定格畫面分別如圖2—圖4所示。）

師這三種運動過程哪個是平拋運動？平拋運動與我們之前所學的直線運動有什么區別和聯系呢？

生第三種運動是平拋運動。直線運動的軌跡是直線，平拋運動的軌跡是曲線，且是平面曲線。

生平拋運動無法用一維坐標來描述，也許可以用二維坐標來描述。

二、基于“假設”，探究得到“證據”的方案

設計實驗探究方案，需要考慮到基于學生自己的假設，讓他們通過找尋證據來證明或修正、改進自己的假設。

平拋運動實驗探究方案的設計，為了培養學生的科學思維和科學解釋能力，提供了一種以問題為導向的科學探究方式。教學片段如下：

師為什么說可以用二維坐標來描述平拋運動呢？

生直線運動的軌跡在一條直線上，平拋運動的軌跡在一個平面內，平面是一個二維空間。

師基于此，我們該如何用實驗來研究平拋運動的特點？

（學生思考并交流。）

生根據運動的合成與分解，將平拋運動（二維運動）分解為豎直方向和水平方向上的直線運動（一維運動），再分別研究這兩個運動的特點。

生直線運動的研究是從其軌跡開始的，根據運動軌跡和運動時間，研究運動的位移、速度和加速度之間的關系。

生可以用頻閃照相機記錄小球做平拋運動的軌跡，并從水平和豎直兩個方向對平拋運動的軌跡進行分析。

師為什么要用頻閃照相機記錄小球做平拋運動的軌跡？

生這樣可以通過測量得出小球水平方向上的位移x和豎直方向上的位移y，并根據頻閃次數計算出小球運動的時間t。

（學生設計實驗方案：如圖5所示，讓小球從斜槽上某個位置自由滾落，將帶有方格的紙板放在豎直平面內，每個方格的邊長均為5 cm，與小球運動軌跡所在平面平行，用頻閃照相機記錄小球做平拋運動時的位置影像。）

三、基于“證據”，開展“推理”分析

科學推理是指在實驗的基礎上概括、抽象、推理得出規律。一個物理規律的發現過程必然經過科學的推理和分析，而科學的推理和分析一定是基于證據進行的。

本實驗中，要基于小球運動的軌跡，推理出平拋運動的規律。教學片段如下：

（教師引導學生將頻閃照相機記錄的小球運動軌跡置于平面直角坐標系中，得到圖6，記錄水平位移和豎直位移。）

師分析小球運動的軌跡，你有什么發現？

生在相等的時間間隔t（t=0.05 s）內，小球的水平位移x是相等的，豎直位移y越來越大。

師（出示表1）這是實驗數據記錄表，分析表中的數據，你能得出什么結論？

生從表中的數據可以得知，水平位移x線性（正比例）增大，豎直位移y非線性（非正比例）增長，且增幅越來越大。

生我想到，之前學過的勻變速直線運動的位移的增幅就是越來越大。根據勻變速直線運動位移公式的特征，即關于時間的二次函數，結合具體數據，可以發現：y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。這驗證了小球在豎直方向上的運動是勻變速直線運動。

四、基于“推理”，提出“主張”，得到“科學結果”

科學結果的提出一定要基于實驗和證據，經過科學地推理和論證，再經過反復地驗證和交流，最終形成具有普適性的物理規律。

在教師的指導下，學生已經依據已有的經驗提出了自己的假設（主張）。基于搜集的證據，經過推理和分析，學生可以驗證自己的假設（主張）是否正確，是否有需要修正的地方。在此基礎上，學生完善假設，提出新的主張，從而得到正確的科學結果。教學片段如下：

師據此，我們可以推測做平拋運動的物體在水平方向上做怎樣的運動？你的依據是什么？

生在水平方向上做勻速直線運動。我的依據是在相等的時間間隔t內，小球在水平方向上的位移相等。

師在豎直方向上做怎樣的運動？你的依據是什么？

生在豎直方向上做勻加速直線運動。我的依據是小球在豎直方向上位移的比例關系y1∶y2∶y3∶y4∶y5∶y6∶y7∶y8∶y9≈1∶4∶9∶16∶25∶36∶49∶64∶81。

生我認為，豎直方向上的運動是自由落體運動。我的依據，一是通過估算得出小球在豎直方向上運動的加速度大約為9.7 m/s2，與重力加速度的值接近;二是通過對小球進行受力分析，發現在小球豎直方向上只受到重力的作用，根據牛頓第二定律，可知小球在豎直方向上運動的加速度a=g。

師基于本節課的科學探究，我們得出了平拋運動的特點：（1）水平方向上的運動是勻速直線運動;（2）豎直方向上的運動是自由落體運動。

總體來說，CER框架導向下的物理教學對于學生物理學科核心素養的培育具有獨特的優勢。首先，CER框架指導學生通過科學觀察、科學調查和科學實驗獲得證據，支持科學主張，幫助學生形成物理觀念。其次，CER框架導向下的物理教學是以問題驅動、思維引導的方式進行的，在解決問題的過程中不斷訓練學生的推理、分析、質疑等科學論證能力，進一步促進學生科學思維的養成。再次，CER框架下的物理教學強調基于證據的科學證明，學生可以從多個方面收集證據、資料，檢驗自己的主張（假設），培養實證精神;也可以基于證據和推理對自己或者別人的觀點進行質疑、開展辯論，這對學生質疑精神和批判性思維的培養具有重要的意義。

當然，以上只是CER框架在高中物理教學中應用的初步嘗試，我們還將在更廣闊的領域中挖掘這一框架更豐富的適用性。

參考文獻：

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