以科學(xué)論證能力培養(yǎng)為核心的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐探索

摘 要 以科學(xué)論證能力培養(yǎng)為核心，在大學(xué)物理教學(xué)中融合中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽，以問題為牽引，將教學(xué)流程分為提出任務(wù)階段、知識學(xué)習(xí)階段、自主探究階段、討論反思階段和改進(jìn)總結(jié)階段五部分，通過探究式教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和研究型學(xué)習(xí)的能力，為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理；科學(xué)論證能力；物理學(xué)術(shù)競賽；拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中圖分類號：G424 " """""""""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A """DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.15.034

Exploration of College Physics Teaching Practice with Scientific A

rgumentation Ability as the Core

HE Jing， ZHANG Hui， SONG Dongling

（Information Engineering University， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract With the cultivation of scientific reasoning ability as the core， the Chinese University Physics Academic Competition is integrated into university physics teaching. With problems as the driving force， the teaching process is divided into five parts： task proposal stage， knowledge learning stage， independent exploration stage， discussion and reflection stage， and improvement and summary stage. Through an exploratory teaching process， students are cultivated with rigorous scientific thinking ability and research-oriented learning ability， providing reference and guidance for the cultivation of top-notch innovative talents.

Keywords college physics; scientific reasoning ability; academic competitions in physics; cultivation of top-notch innovative talents

大學(xué)物理課程以物理學(xué)為基礎(chǔ)，是培養(yǎng)各專業(yè)本科生科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科學(xué)論證能力的核心課程。但目前大學(xué)物理教學(xué)形式不夠豐富，基礎(chǔ)知識與實(shí)踐相結(jié)合不夠緊密，不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升，因此創(chuàng)新大學(xué)物理課堂教學(xué)與課外學(xué)習(xí)模式，探索以科學(xué)認(rèn)知能力培養(yǎng)為核心的大學(xué)物理課程教學(xué)策略具有重要意義。

1 "科學(xué)論證能力的內(nèi)涵

國際科學(xué)教育領(lǐng)域?qū)茖W(xué)論證的理解，不同學(xué)者持不同觀點(diǎn)，目前主要從過程和能力兩個角度進(jìn)行界定[1]。過程角度認(rèn)為，科學(xué)論證需要發(fā)現(xiàn)并提出科學(xué)問題，進(jìn)行猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最終解釋科學(xué)現(xiàn)象并進(jìn)行反思評價，在科學(xué)論證過程中理解概念，獲取知識，解決問題。能力角度認(rèn)為，科學(xué)論證的結(jié)構(gòu)模式有很多種，其中Sampson Grooms amp; Walker將科學(xué)論證能力定義為一種綜合性能力，包括問題形成、信息搜集、證據(jù)分析及推理等[2]。

物理知識的建構(gòu)過程就是科學(xué)論證的過程，許多物理概念和物理規(guī)律都是經(jīng)過反復(fù)的理論假說與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才得以證明。在大學(xué)物理教學(xué)中強(qiáng)調(diào)提出問題、分析問題、解決問題的科學(xué)論證過程，注重學(xué)生對知識的個性體驗(yàn)，通過科學(xué)論證能力的培養(yǎng)，可以提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)批判性精神和獨(dú)立思考能力。

2 "大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽的模式和特色

中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（China Undergraduate Physics Tournament， CUPT），是我國重要的大學(xué)生創(chuàng)新競賽活動之一[3]。2010年由南開大學(xué)首次發(fā)起，目前已舉辦了14屆。比賽題目均為開放性物理問題，學(xué)生需要對題目進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及結(jié)果討論，并在比賽中以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行辯論，有效地提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。在2023年還首次增加了作品賽的形式，吸引了國內(nèi)越來越多的高校參與[4]。

CUPT競賽題目開放度大、探究性強(qiáng)，學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)知識自主分析題目，通過小組間的討論交流，確定自己的觀點(diǎn)，建立模型，提出假設(shè)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論，并且在比賽中進(jìn)行辯論反駁。這正是一個完整的科學(xué)論證過程，在大學(xué)物理教學(xué)中融入CUPT題目，可有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解，促進(jìn)批判性思維能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)推理能力。

3 "基于CUPT題目培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的教學(xué)實(shí)踐

3.1 "建立基于CUPT賽題的大學(xué)物理教學(xué)案例庫

CUPT的競賽題目涵蓋面廣，開放度大，涉及物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等知識內(nèi)容，不同水平的學(xué)生都能夠依據(jù)自己的知識層次進(jìn)行分析研究。教師需要分析題目特點(diǎn)，選取貼近生活和工程實(shí)際的問題引入教學(xué)，整理建立“基于CUPT賽題的大學(xué)物理教學(xué)案例庫”，分模塊分層次地將CUPT競賽題目融入物理教學(xué)，加深學(xué)生對物理理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)力、思想力和行動力，提升大學(xué)物理課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

3.2 "基于CUPT的大學(xué)物理探究式教學(xué)過程

在對CUPT題目進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上，以大學(xué)物理教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，以問題為牽引，將教學(xué)的基本流程劃分為提出任務(wù)階段、知識學(xué)習(xí)階段、自主探究階段、討論反思階段和改進(jìn)總結(jié)階段五部分。探索建立判斷問題、分析數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和問題解決等一系列學(xué)生自主探究的過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和研究型學(xué)習(xí)的能力，使其核心能力和核心素養(yǎng)得到有效提升。下面以“大學(xué)物理”中的質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)部分內(nèi)容為例，說明教學(xué)實(shí)施的具體過程。

3.2.1 "提出任務(wù)階段

質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)是經(jīng)典物理的重要組成部分，學(xué)生經(jīng)過中學(xué)的學(xué)習(xí)對相關(guān)定理定律的公式記憶較深，遇到問題習(xí)慣從背熟的公式中去尋找答案，但對公式的適用范圍，以及概念和規(guī)律之間的關(guān)系、物理定律建立的過程知之甚少，習(xí)慣于解決理想問題，對實(shí)際問題不能熟練地運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行分析。為此，在質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)部分剛開始授課時，教師可演示牛頓擺實(shí)驗(yàn)，提出思考性問題“為什么會產(chǎn)生牛頓擺現(xiàn)象？”“牛頓擺中擺球的能量是如何傳遞的？”學(xué)生會依據(jù)已有知識回答“碰撞時動量、能量守恒”“勢能和動能的轉(zhuǎn)換”等定性解答。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察牛頓擺實(shí)驗(yàn)，會發(fā)現(xiàn)后續(xù)擺動的角度會逐漸減小直到停止，這時提出“為什么振動會衰減？碰撞時動量、能量一定守恒嗎”，學(xué)生被反駁，并接受原來的認(rèn)知存在不足，有些觀察能力強(qiáng)的學(xué)生還會發(fā)現(xiàn)在碰撞時，其他球微微擺動的現(xiàn)象，并提出擺動會造成能量的損失這一觀點(diǎn)，此時展示第10屆CUPT競賽第15題的題目內(nèi)容：“牛頓擺的振動會逐漸衰減，直到擺球靜止。探究相關(guān)參數(shù)對牛頓擺衰減速率的影響。”教師將這一問題布置為章節(jié)大作業(yè)任務(wù)，要求學(xué)生以小組形式進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)內(nèi)容講授完畢后，進(jìn)行匯報辯論。在提出任務(wù)階段，當(dāng)學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)時，教師需要鼓勵并支持，使他們了解“提出觀點(diǎn)主張”是科學(xué)論證的第一步，但要支持自己的觀點(diǎn)，必須要有科學(xué)的理論論證以及實(shí)驗(yàn)論據(jù)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)來尋找論據(jù)。

3.2.2 "知識學(xué)習(xí)階段

通過問題牽引，學(xué)生注意到理想過程和實(shí)際過程的區(qū)別，解決一般性的實(shí)際問題，需要考慮“變”的因素，這也是大學(xué)物理和中學(xué)物理的不同之處。學(xué)生會帶著問題進(jìn)入質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)部分的學(xué)習(xí)，教師應(yīng)提醒學(xué)生注意分析不同的物理情境和定理定律的形成過程，以及重要公式的適用條件。教師在教學(xué)中，注意使學(xué)生體會知識的產(chǎn)生過程以及物理知識的本質(zhì)，選取以實(shí)際問題為背景的例題進(jìn)行講解，提高學(xué)生利用所學(xué)知識解決問題的能力。通過這種在真實(shí)的問題情境中學(xué)習(xí)的方式，有效促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)他們科學(xué)的思維習(xí)慣，從而提升科學(xué)論證能力。

3.2.3 "自主探究階段

學(xué)生帶著小課題任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)時，教師引導(dǎo)他們將科學(xué)論證過程與探究過程相結(jié)合，將物理的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)論證在知識構(gòu)建中的重要作用。

理論分析過程中，教師可進(jìn)行科技文獻(xiàn)閱讀方面的指導(dǎo)，使學(xué)生了解科學(xué)研究的一般過程，通過文獻(xiàn)閱讀，擴(kuò)大學(xué)生的認(rèn)知層次，注意到牛頓擺實(shí)驗(yàn)中小球間的縫隙問題，考慮到連續(xù)碰撞模型的不完善之處，將球鏈上的小球抽象為質(zhì)點(diǎn)和彈簧系統(tǒng)，進(jìn)而研究動量和能量傳遞的影響因素，并得出系統(tǒng)的動力學(xué)方程。在分析的過程中，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，通過實(shí)際物理現(xiàn)象發(fā)掘物理本質(zhì)。

同時，通過文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生了解到牛頓擺系統(tǒng)中的能量傳遞及衰減模型是常見的機(jī)械振動模型，可應(yīng)用在汽車緩振、建筑加固等方面，還可以拓展到微觀的分子力學(xué)領(lǐng)域，研究分子的振動現(xiàn)象，甚至利用模型分析非線性孤立波的信息傳輸?shù)裙こ碳夹g(shù)領(lǐng)域[5]，極大地擴(kuò)展了學(xué)生的知識面，促進(jìn)了教學(xué)、科研、實(shí)踐的緊密結(jié)合。

在實(shí)驗(yàn)探究過程中，學(xué)生利用課余時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定實(shí)驗(yàn)方案，利用Phyphox、Physics Toolbox Suite Pro、Tracker等物理實(shí)驗(yàn)軟件，對小球的速度、運(yùn)動軌跡等物理量進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)的過程，不要為了獲取數(shù)據(jù)而實(shí)驗(yàn)，而是通過理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，對收集到的大量復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，繪制圖表，分析實(shí)驗(yàn)誤差，鍛煉學(xué)生的科學(xué)計(jì)算能力。

3.2.4 "討論反思階段

在質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)內(nèi)容教學(xué)結(jié)束之后，進(jìn)行討論課教學(xué)，基于CUPT競賽形式，學(xué)生分小組對牛頓擺題目進(jìn)行匯報和辯論。通過匯報交流，會發(fā)現(xiàn)不同小組的學(xué)生對問題的分析角度不同。有的小組側(cè)重于理論分析，并通過Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算模擬，得出影響擺球速度的因素；有的小組從擺球數(shù)量、材質(zhì)和排列方式的實(shí)驗(yàn)分析入手，得出擺動時間和以上因素的關(guān)系等。在辯論過程中，對于同樣的研究角度，學(xué)生也會體會到不同思想的碰撞，比如有些學(xué)生以對心碰撞的理想情況進(jìn)行分析，有些學(xué)生會分別針對對心碰撞、非對心碰撞進(jìn)行詳細(xì)的分析，有些學(xué)生以碰撞次數(shù)作為衰減的衡量標(biāo)準(zhǔn)，而有些學(xué)生會以持續(xù)時間為標(biāo)準(zhǔn)等。通過討論辯論，鍛煉學(xué)生提出反論點(diǎn)和反駁的能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，增進(jìn)學(xué)生的自我論證效能，使學(xué)生辨明研究的正確性和科學(xué)性，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的語言進(jìn)行辨析，發(fā)展其科學(xué)語言能力。

3.2.5 "改進(jìn)總結(jié)階段

對于科學(xué)成果的展現(xiàn)，除了對話交流之外，書面的文字也是至關(guān)重要的，科學(xué)論證的結(jié)論需要通過文字加以傳遞。教師在交流辯論結(jié)束后，進(jìn)行總結(jié)分析，指導(dǎo)學(xué)生分析不足并改進(jìn)，將最終成果撰寫為賽題小論文，進(jìn)行啟發(fā)式科學(xué)寫作的鍛煉，幫助學(xué)生建構(gòu)知識、發(fā)展邏輯思維、提高表達(dá)能力，以培養(yǎng)研究型人才。

通過探究式教學(xué)過程，學(xué)生了解了物理知識獲得的過程，認(rèn)識到科學(xué)論證的過程包括問題、觀點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)、結(jié)論等，各階段間利用假設(shè)、歸納、演繹、比較等科學(xué)方法進(jìn)行研究，由此形成涵蓋工具軟件的學(xué)習(xí)、科學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練、表達(dá)應(yīng)變能力等方面的創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模式，加強(qiáng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，營造良好的科研創(chuàng)新氛圍。

4 "教學(xué)實(shí)踐的效果反饋

融合CUPT題目的大學(xué)物理教學(xué)模式是一次教學(xué)實(shí)踐探索，為了解學(xué)生對這種教學(xué)模式的反饋以及學(xué)習(xí)收獲，在學(xué)年教學(xué)結(jié)束之后，對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。

調(diào)查顯示，學(xué)生在基于CUPT的大學(xué)物理探究式教學(xué)過程中，在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面體會最大的是增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，這與CUPT題目的實(shí)踐性強(qiáng)密切相關(guān)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，物理理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)系不緊密，實(shí)驗(yàn)課中固定的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方案限制了學(xué)生的知識運(yùn)用能力，而CUPT的開放性題目，突破了傳統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的框架，是一種研究型、探索型的學(xué)習(xí)過程，極大地提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。其中80.39%的學(xué)生認(rèn)為這種探究式教學(xué)提高了自己的科學(xué)思維能力，56.86%的學(xué)生能夠在融入CUPT題目的大學(xué)物理教學(xué)中，了解到解決實(shí)際問題需要經(jīng)歷提出猜想、分析論證、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及得出結(jié)果的科學(xué)研究過程，體會到科學(xué)論證的核心要素，達(dá)到了提升科學(xué)論證能力的目的。因部分CUPT題目與工科專業(yè)知識相結(jié)合，29.41%的學(xué)生在新教學(xué)形式的學(xué)習(xí)中，感受到提前了解了自己的專業(yè)知識，為日后專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。同時有11.8%的學(xué)生覺得加深了對物理內(nèi)容的認(rèn)識，對物理概念和規(guī)律理解得更為深刻。

因開放性的問題需要學(xué)生分小組分工協(xié)作，調(diào)查結(jié)果顯示，52.94%的學(xué)生認(rèn)為小組成員都能在題目完成過程中共同努力，集體討論，充分發(fā)揮個人的作用。37.25%的學(xué)生認(rèn)為核心成員起到很大作用，成員之間能夠分工協(xié)作完成任務(wù)，可以看出這種教學(xué)形式促進(jìn)了學(xué)生間的交往，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識和協(xié)調(diào)組織能力。但也有9.8%的學(xué)生感到參與度不大，只是骨干核心同學(xué)的參與，在詳細(xì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，這部分學(xué)生普遍學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不扎實(shí)，學(xué)習(xí)動力不足，教師需要在教學(xué)過程中激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，鼓勵他們增加交往，支持他們表達(dá)自己的觀點(diǎn)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)熱情。

5 "結(jié)語

通過基于CUPT題目培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的教學(xué)實(shí)踐，在大學(xué)物理教學(xué)過程中通過提出問題、分析問題、辯論交流、得出結(jié)論的知識建構(gòu)過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，取得了良好的教學(xué)效果，達(dá)到提升學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)目的，可為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供借鑒和參考。

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目（DWJZW202237ZN）；軍隊(duì)院校物理教學(xué)聯(lián)席會教育教學(xué)課題（2023JWL046）。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓葵葵，胡衛(wèi)平.科學(xué)論證能力結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)研究[J].教育理論與實(shí)踐，2019，39（22）：3-7.

[2] 黎瓊.基于發(fā)展科學(xué)論證能力的教學(xué)活動設(shè)計(jì)研究[D].桂林：廣西師范大學(xué)，2019.

[3] 郭東琴，何靜.基于物理學(xué)術(shù)競賽平臺 培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（27）：233-234.

[4] 陳東海，何彪，蔡志崗，等.Poster單項(xiàng)賽：CUPT地區(qū)賽的優(yōu)化推廣方案[J].物理實(shí)驗(yàn)，2023，43（5）：33-36.

[5] 劉慧，孟凡閆，夏傳鴻，等.牛頓擺系統(tǒng)中能量衰減速率的研究[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報，2020，32（2）：13-20.