科學(xué)探究中的“證據(jù)—解釋”

卜春蕾

摘 要：筆者選取典型的碰撞類型，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上進(jìn)行科學(xué)探究，在探究過程中強(qiáng)調(diào)“證據(jù)-解釋”要素。

關(guān)鍵詞：碰撞；不變量；科學(xué)探究；證據(jù)；解釋

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）4-0077-4

科學(xué)探究原本指的是科學(xué)家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同方法和途徑?，F(xiàn)在學(xué)生的科學(xué)探究則是學(xué)生用以獲取知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念、領(lǐng)悟科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)。所謂學(xué)生的科學(xué)探究實(shí)際是一種“二次探究”，是對(duì)科學(xué)家探究工作的“簡(jiǎn)約復(fù)演”。

教學(xué)中，我們強(qiáng)調(diào)“證據(jù)-解釋”要素，嘗試對(duì)科學(xué)家的探究過程精簡(jiǎn)提煉，使主線更加清晰，利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器，使實(shí)驗(yàn)得以簡(jiǎn)化，以期學(xué)生能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

1 “證據(jù)-解釋”及其特點(diǎn)

“證據(jù)-解釋”（evidence-explanation）重點(diǎn)突出“分析和解釋數(shù)據(jù)，構(gòu)建解釋”和“獲取、評(píng)估和交流信息”兩個(gè)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生不但要基于已有的科學(xué)知識(shí)選擇證據(jù)，還要能夠參與解釋的活動(dòng)，在這個(gè)過程中突出對(duì)證據(jù)的分析和選擇能力（批判性思維能力），突出通過證據(jù)得到結(jié)論的過程。其教學(xué)流程如圖1所示。

科學(xué)探究中“證據(jù)-解釋”要素有一些關(guān)鍵特征，這些特征并非固定程序，也無需僵化執(zhí)行。它們分別是：學(xué)習(xí)者圍繞科學(xué)問題展開探究活動(dòng)；學(xué)習(xí)者獲取可以解釋和評(píng)價(jià)科學(xué)性問題的證據(jù)；學(xué)習(xí)者根據(jù)事實(shí)證據(jù)形成解釋，對(duì)科學(xué)性問題作出回答；學(xué)習(xí)者通過比較其他可能的解釋，特別是那些體現(xiàn)出科學(xué)性理解的解釋，來評(píng)價(jià)他們自己的解釋；學(xué)習(xí)者要交流和論證他們所提出的解釋。

2 教學(xué)實(shí)例——實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量

以碰撞的研究為例，1644年法國物理學(xué)家笛卡兒首先提出，把物質(zhì)的多少（質(zhì)量）和速度的乘積（即mv）作為物體“運(yùn)動(dòng)的量”的量度；到1668年荷蘭物理學(xué)家惠更斯在研究碰撞問題時(shí)提出需要考慮速度的方向性；1687年，英國物理學(xué)家牛頓在《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的巨著中，首次十分明確地定義了質(zhì)量的概念，緊接著就定義了動(dòng)量。他說：“運(yùn)動(dòng)的量是用它的速度和質(zhì)量一起來量度的?！庇纱瞬浑y看出，動(dòng)量概念的提出和定義過程是復(fù)雜、漫長(zhǎng)的，不太適合在課堂上讓學(xué)生去“重演”的。一堂課僅有45分鐘，在短短的一節(jié)課內(nèi)，需要讓學(xué)生經(jīng)歷“碰撞”問題探究的過程，并在知識(shí)技能上有所獲得，在思想方法上有所提升……所以，學(xué)生的探究是結(jié)合學(xué)生目前的認(rèn)知水平，建立在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件下，以典型的碰撞類型展開的實(shí)驗(yàn)，以期能在較短的時(shí)間內(nèi)有所感悟，有所收獲。

流程一：提出問題

學(xué)生應(yīng)該對(duì)碰撞的特征以及碰撞的模型有一定的認(rèn)識(shí)，才能夠提出與碰撞相關(guān)的問題。從生活實(shí)例的展示（例如，汽車安全碰撞測(cè)試）到親身體驗(yàn)碰撞（如圖2），體會(huì)碰撞的兩個(gè)特點(diǎn)：作用力大、作用時(shí)間短。由車輛的碰撞到小球的碰撞，完成碰撞模型的建立。并通過選擇小球的擺放位置，明白了最簡(jiǎn)單的碰撞是一維碰撞。由圖2中所示的碰撞的多變性和撞球入袋的目的性之間的矛盾沖突，提出問題：碰撞過程中是否存在不變量。

流程二：獲取證據(jù)

演示實(shí)驗(yàn)1：兩球碰撞情形一

教師：兩質(zhì)量相同的小球，用細(xì)繩懸掛，兩球球心處于同一水平面。將球1拉開一個(gè)角度與球2發(fā)生碰撞（圖3）。學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)碰撞中球1失去速度、動(dòng)能，球2獲得速度、動(dòng)能。

流程三：建構(gòu)解釋

學(xué)生猜想

以一維的碰撞展開實(shí)驗(yàn)探究，由特殊的碰撞展示，使學(xué)生清晰地觀察到碰撞現(xiàn)象，即獲取所需的證據(jù)，基于已有的科學(xué)知識(shí)，分析證據(jù)、建構(gòu)解釋，提出猜想（1）和（2）。

流程四：比較其他的解釋

演示實(shí)驗(yàn)2：兩球碰撞情形二

質(zhì)量不等，擺角不同的兩球?qū)ε龊笳吃谝黄穑∨龊箪o止（圖4）。

碰撞前兩球的速度大小不等，而碰后速度均變?yōu)榱?，所以在碰撞前后速度和發(fā)生了變化；在碰撞前兩個(gè)小球都具有較大的動(dòng)能，而碰撞后動(dòng)能變?yōu)榱?，所以?dòng)能之和在碰撞前后也不相等。

流程五：評(píng)估交流

碰撞前后保持不變的量不是熟知的速度和動(dòng)能。

至此，“證據(jù)-解釋”一個(gè)循環(huán)，學(xué)生圍繞著碰撞過程中的不變量是什么展開探究活動(dòng)，取得階段性結(jié)論：碰撞前后保持不變的量不是熟知的速度和動(dòng)能。所以，接下來再提出新的問題，開始“證據(jù)-解釋”的再循環(huán)。

再循環(huán)流程一：提出問題

我們所要找尋的碰撞前后的不變量，不是我們已知的速度和動(dòng)能，而這個(gè)不變量，也一定只與兩物體的質(zhì)量、碰撞前后的速度有關(guān)，是質(zhì)量和速度的新的組合。否定猜想（1）和（2），卻也要借鑒猜想（1）和（2），只考慮速度，忽略質(zhì)量是不可行的，但又不是質(zhì)量與速度平方的乘積，引發(fā)學(xué)生思考，質(zhì)量與速度還可以怎樣組合。從而，提出猜想質(zhì)量與速度的乘積或者速度與質(zhì)量的比值。

再循環(huán)流程二：獲取證據(jù)

實(shí)驗(yàn)儀器：電子稱、小車（兩輛）、砝碼、普通直軌道、光電門及配套DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

我們要找尋的是碰撞中的不變量，所以定量實(shí)驗(yàn)的探究應(yīng)該體現(xiàn)碰撞的多樣性。我們以碰撞后的情形對(duì)碰撞進(jìn)行分類，實(shí)驗(yàn)方案也不相同，又由于軌道與小車之間的摩擦，使得測(cè)速要求比較高。所以，教師需要引導(dǎo)學(xué)生去分析和完善實(shí)驗(yàn)方案。但是，不能替代學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案。所以，我們選擇其中的一種碰撞類型（如碰后同向分離），通過師生的問答互動(dòng)，使學(xué)生意識(shí)到巧妙的遮光條的設(shè)計(jì)（圖5）、合理的光電門與小車的位置關(guān)系，才能夠達(dá)到研究碰撞前后不變量的目的。

小組分工合作完成實(shí)驗(yàn)操作，及數(shù)據(jù)記錄（圖6）。

再循環(huán)流程三：建構(gòu)解釋

每小組根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，得出初步結(jié)論。評(píng)估和交流各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論（本文中只摘錄其中一組數(shù)據(jù)）。

第一小組：碰后粘在一起運(yùn)動(dòng)（如表1）

學(xué)生：本組的碰撞類型是碰后粘在一起運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞的兩物體碰撞前后的質(zhì)量與速度的乘積保持不變。

再循環(huán)流程四：比較其他的解釋

第二小組學(xué)生的碰撞類型為碰后同向分離，結(jié)論與一小組相同，但第三小組碰撞類型是碰后分離反彈，提出不同意見（如表2）。

第三小組：本組的碰撞類型是碰后分離反彈，未找到碰撞前后不變量。

其他小組：速度的方向不同，取車1原來的方向?yàn)檎较颍磸椀乃俣葢?yīng)為負(fù)值。

修改v1'為負(fù)值后，結(jié)果如表3。

學(xué)生：本組的碰撞類型是碰后分離反彈，發(fā)生碰撞的兩物體碰撞前后的質(zhì)量與速度的乘積保持不變。

再循環(huán)流程五：評(píng)估交流

學(xué)生得出結(jié)論：發(fā)生碰撞的兩物體碰撞前后的質(zhì)量和速度的乘積之和是不變量。物體的質(zhì)量與速度的乘積對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述有特殊的意義，且具有方向性。

提出疑惑：碰撞前后的不變量就是碰撞中的不變量嗎？

教師解惑：碰撞過程時(shí)間很短，很難去研究碰撞過程中“運(yùn)動(dòng)量”的變化情況，只能研究碰撞前后“運(yùn)動(dòng)量”的變化情況，以期得到碰撞現(xiàn)象的一些規(guī)律。這是一種物理學(xué)研究的方法。雖然這種方法僅僅從某一些角度、某一些方面對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，不一定是全面的、完備的方法，甚至是有很大局限性的方法。但是，它對(duì)于一些物理現(xiàn)象的特征的研究仍然是有效的。

3 對(duì)于“證據(jù)-解釋”的思考

“證據(jù)-解釋”從學(xué)生已有的科學(xué)知識(shí)出發(fā)，既有普遍的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的呈現(xiàn)，又有特殊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的凸顯；既有學(xué)生自主的建構(gòu)解釋過程，又有互助的評(píng)估和評(píng)價(jià)過程。在這個(gè)過程中，學(xué)生能夠積極參與獲取證據(jù)、形成解釋的活動(dòng)，通過對(duì)證據(jù)的分析和選擇，提高批判性思維能力，通過評(píng)估交流、修正得到結(jié)論，提高歸納總結(jié)能力。在“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”的實(shí)驗(yàn)中，強(qiáng)調(diào)“證據(jù)-解釋”要素，學(xué)生經(jīng)歷了兩個(gè)“證據(jù)-解釋”的循環(huán)，螺旋式上升，一步步逼近，最后得出結(jié)論。如何在其他課題中強(qiáng)調(diào)“證據(jù)-解釋”要素，還有待我們更多地去實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010.

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