科學(xué)論證及其能力培養(yǎng)

吳昱 曹寶龍

摘?要：科學(xué)論證由科學(xué)主張、科學(xué)證據(jù)和科學(xué)推理三個要素構(gòu)成.科學(xué)論證可促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，促進學(xué)生對概念、規(guī)律的深度理解，促進學(xué)生思維能力的發(fā)展.科學(xué)論證可使科學(xué)學(xué)習(xí)更具有探究性，促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解.科學(xué)論證素養(yǎng)的層級可以指導(dǎo)教師教學(xué).高中物理教材中有較多的體現(xiàn)科學(xué)論證的學(xué)習(xí)內(nèi)容，教學(xué)中按照科學(xué)論證的要素分析是比較好的教學(xué)設(shè)計思路.

關(guān)鍵詞：科學(xué)論證;物理核心素養(yǎng);科學(xué)推理;科學(xué)證據(jù);科學(xué)主張

文章編號：1008-4134（2020）11-0010中圖分類號：G633.7文獻標(biāo)識碼：A

1?關(guān)于科學(xué)論證

1.1?科學(xué)論證的概念

論證是以證據(jù)為基礎(chǔ)提出自己的主張，并通過推理過程使主張和證據(jù)之間建立合乎邏輯關(guān)系的方法.因此，論證必須具備三個基本的要素：①主張或觀點，是個體（或團體）對事物的基本判斷的價值認同;②證據(jù)，是支持主張的事實依據(jù)，一般以觀察與實驗為基礎(chǔ)的現(xiàn)象或數(shù)據(jù);③推理，用可靠的邏輯方法在證據(jù)與主張之間建立人們普遍認同的關(guān)聯(lián)性.

科學(xué)論證是科學(xué)研究的實踐活動，是基于科學(xué)事實對未知的科學(xué)領(lǐng)域提出主張或觀點，并用證據(jù)為主張進行支持性解釋的過程.當(dāng)然，科學(xué)領(lǐng)域也存在反對某種觀點或主張的科學(xué)論證，例如伽利略用自由落體的思想實驗反駁了亞里士多德“物體越重下落越快”的觀點.

科學(xué)論證從證據(jù)出發(fā)，通過推理過程到達支持主張的過程可以描述成如圖1所示的方式.

因此，科學(xué)論證不同于一般意義的爭論或爭辯，它具有科學(xué)活動的本質(zhì)特征.科學(xué)主張并不是一般的具有或然性的假設(shè)，更不是隨意猜測，而是具有可靠基礎(chǔ)的對事實的價值判斷;證據(jù)是支持主張的材料，可以保證科學(xué)論證活動的可靠性和可信度;推理是用可靠的邏輯關(guān)系在證據(jù)與主張之間建立聯(lián)系的嚴密的、可信的和具有說服力的推導(dǎo)、解釋過程，這種推理過程可保證科學(xué)論證的嚴謹性.

1.2?科學(xué)論證的教育價值

1.2.1?科學(xué)論證促進概念的形成和發(fā)展

我們知道概念是通過大量客觀事實的共同的本質(zhì)特性的概括而形成的認識，是人們對這類事物的本質(zhì)認識.如果概念只停留于一般性事實的概括，它在我們頭腦中形成的不可能是深刻的概念.因此，用事實依據(jù)讓學(xué)生進行科學(xué)論證所形成的概念可讓他們真正形成正確的科學(xué)觀念.例如，牛頓提出光是一種微粒，你相信嗎？你有什么依據(jù)來證實？我們可以通過光的反射現(xiàn)象作為論證的證據(jù).光的反射現(xiàn)象遵從的規(guī)律與小球與平面擋板進行彈性碰撞的規(guī)律完全相似，因此我們有理由相信光是由一種“彈性球”一樣的東西構(gòu)成的.但是惠更斯認為光不是“彈性球”，因為光會發(fā)生折射、衍射、干涉和偏振等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不能用彈性球模型來解釋.那光是什么呢？惠更斯提出光是一種波的主張，其證據(jù)就是光所發(fā)生的這些現(xiàn)象，然后他用波動理論的模型與數(shù)學(xué)表征兩種方法對主張與證據(jù)之間邏輯關(guān)系進行嚴密的推理，從而使他的“波動說”觀點得以成立.光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)反過來又對“波動說”形成了證據(jù)的反駁效應(yīng).于是，人們認為光好像既不是經(jīng)典意義的波，也不是經(jīng)典意義的粒子.因此，提出波粒二象性這個主張是具有革命性的，他是對我們物理世界的原有概念體系的顛覆和重建.因此，科學(xué)論證的實踐活動，往往是隨著科學(xué)新證據(jù)的出現(xiàn)，不斷更新科學(xué)主張，使科學(xué)觀念不斷向前邁進的過程.物理教育過程中如果我們順著科學(xué)觀念的歷史發(fā)展與變化，呈現(xiàn)科學(xué)論證的螺旋式提升特征，有助于學(xué)生學(xué)科概念的形成與深化.

1.2.2?科學(xué)論證促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展

科學(xué)論證是科學(xué)探究的核心活動，它以證據(jù)為基礎(chǔ)提出科學(xué)主張，并要求在證據(jù)與主張之間建立可靠的推理.所以科學(xué)論證能夠培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，讓學(xué)生注重發(fā)現(xiàn)證據(jù)，建立尋找證據(jù)的方案，并學(xué)會用證據(jù)來解釋;培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，讓他們用證據(jù)說話，基于證據(jù)提出自己的觀點和看法，而不是隨意發(fā)表自己的意見;培養(yǎng)學(xué)生基于原理和規(guī)律進行嚴謹推理的能力，讓他們學(xué)會形而上的科學(xué)邏輯;讓學(xué)生具備質(zhì)疑精神、尊重事實的思維和行為習(xí)慣，學(xué)會“用事實說話”的態(tài)度.例如，在原子核的發(fā)現(xiàn)過程中，我們往往會認為湯姆生模型是沒有價值的，因為它提出的模型是“錯誤”的，因為它不能解釋α粒子散射實驗的結(jié)果.于是我們可能會在教學(xué)過程中把結(jié)論直接告知學(xué)生，而沒有進行科學(xué)思維的過程，這顯然是很不恰當(dāng)?shù)?其實我們要從當(dāng)時的科學(xué)背景出發(fā)來論證湯姆生模型的合理性.按照當(dāng)時的證據(jù)（原子內(nèi)有帶負電荷的電子，并且有正電荷存在）提出“棗糕模型”可以建立完整的科學(xué)論證關(guān)系[1].因此，我們不能把一些教學(xué)內(nèi)容的結(jié)果灌輸給學(xué)生，而應(yīng)該發(fā)揮它們促進學(xué)生科學(xué)論證能力發(fā)展、科學(xué)思維能力發(fā)展的教育價值.

1.2.3?科學(xué)論證促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的深度理解

科學(xué)本質(zhì)包括了科學(xué)知識、 科學(xué)過程與方法、 科學(xué)家共同體、 科學(xué)研究的成果和科學(xué)應(yīng)用與社會實踐幾個方面[2].我們可用科學(xué)家的科學(xué)論證活動歷史讓學(xué)生感受科學(xué)活動的過程性體驗，強化對科學(xué)本質(zhì)的領(lǐng)悟.1818年，法國科學(xué)家泊松用菲涅耳主張的波動理論計算出光在圓盤后陰影內(nèi)會出現(xiàn)一個亮斑.泊松認為這是荒謬可笑的，他認為這個計算結(jié)果可反駁光的波動說.但阿拉果居然在實驗中觀察到了這個亮斑，泊松的計算反而支持了光的波動說.這個事件說明，科學(xué)論證可以證實也可以證偽，說明科學(xué)是建立在經(jīng)驗事實基礎(chǔ)上的，科學(xué)理論的支持點在于科學(xué)事實.只有讓學(xué)生去體驗與領(lǐng)悟這些科學(xué)探究的過程，才能讓學(xué)生真正理解科學(xué)本質(zhì).

1.2.4?科學(xué)論證促進對概念或規(guī)律的深度理解

深度學(xué)習(xí)才能對概念與規(guī)律達到深度理解.那么什么樣的學(xué)習(xí)才是深度學(xué)習(xí)呢？深度學(xué)習(xí)應(yīng)該是學(xué)習(xí)者能夠?qū)W(xué)習(xí)內(nèi)容進行有效的思維加工.這就要求我們盡可能地使學(xué)生進行深度探究，在深度探究中使他們對科學(xué)活動達到深度理解.科學(xué)論證材料的深度學(xué)習(xí)應(yīng)該體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者能夠厘清科學(xué)論證的主張、證據(jù)，并且能夠清晰推理和認識主張與證據(jù)之間的關(guān)系.例如，盧瑟福是如何建構(gòu)核式結(jié)構(gòu)模型的呢？就是一個簡單的行星模型的類比嗎？顯然，這是不可能的.其實我們可以根據(jù)當(dāng)時研究的背景與盧瑟福提出核式結(jié)構(gòu)模型之間的科學(xué)論證過程進行要素疏理，以幫助學(xué)生深度理解.表1疏理了盧瑟福模型構(gòu)建的科學(xué)論證的基本要素[3].

教學(xué)過程中如果我們按照科學(xué)論證的要素來設(shè)計啟發(fā)學(xué)生思維的問題，就可以幫助學(xué)生更有深度地理解構(gòu)建核式結(jié)構(gòu)模型的合理性和自然性.

1.2.5?科學(xué)論證活動增強學(xué)習(xí)的探究性

科學(xué)論證與科學(xué)探究不是完全等同的關(guān)系.科學(xué)論證是科學(xué)探究中的一種核心實踐方式，是科學(xué)探究的重要構(gòu)成[4].科學(xué)論證所涉及的證據(jù)、主張和它們之間的推理關(guān)系這三個要素，可以有效地帶動科學(xué)思維與科學(xué)探究的一些素養(yǎng)，例如科學(xué)思維的二級素養(yǎng)模型建構(gòu)和科學(xué)推理，科學(xué)探究的問題、證據(jù)、解釋與交流等要素[5].因此，科學(xué)論證的教學(xué)是科學(xué)探究素養(yǎng)培育的重要內(nèi)容.科學(xué)論證的三個要素帶動科學(xué)探究素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)系見表2.

所以，設(shè)計科學(xué)論證內(nèi)容的教學(xué)時要注重科學(xué)論證的要素分解，并以此帶動科學(xué)探究活動的展開，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力.

2?科學(xué)論證的水平等級

2.1?科學(xué)論證的課程標(biāo)準要求

科學(xué)論證在我們國家的課程標(biāo)準中首次提出，也首次對科學(xué)論證的素養(yǎng)水平進行簡單的五級區(qū)分.標(biāo)準中規(guī)定的五級水平如下[5]：

水平1?能區(qū)別觀點和證據(jù)

水平2?能使用簡單和直接的證據(jù)表達自己的觀點

水平3?能恰當(dāng)使用證據(jù)表達自己的觀點

水平4?能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論

水平5?能考慮證據(jù)的可靠性，合理使用證據(jù)

課程標(biāo)準中的五級水平劃分是對科學(xué)論證三個要素而言的，原則上可區(qū)分科學(xué)論證能力的等級，但是實際教學(xué)中教師可能需要更具有操作性的水平等級.因此，有必要對五個等級水平進行具體說明，以幫助教師理解和實施.

2.2?科學(xué)論證水平的操作性定義

為了使教師在實際的教學(xué)實踐中對科學(xué)論證的等級水平具有更直觀的認識，我們可以把課標(biāo)中的科學(xué)論證的等級水平作一個更具體的解釋，使教師更容易掌握和運用.科學(xué)論證水平的操作性解釋見表3.

當(dāng)然，這樣的等級劃分是不夠的，如果要進行科學(xué)論證能力的評價，還需要開發(fā)大量的操作性案例來支持.但是，上述劃分和操作說明可作為教師進行科學(xué)論證活動教學(xué)設(shè)計的水平依據(jù).

3?高中物理體現(xiàn)科學(xué)論證的典型學(xué)習(xí)內(nèi)容

開展科學(xué)論證活動的教學(xué)設(shè)計，首先要消化和理解課標(biāo)或教材中對應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容.高中物理教材中，體現(xiàn)科學(xué)論證思想的案例比較豐富.表4以人教版高中物理教材為依據(jù)進行簡要疏理，按科學(xué)論證三要素分析這些學(xué)習(xí)內(nèi)容，供讀者參考.

當(dāng)然，表4所列出的僅僅是課本上介紹的具有科學(xué)論證性質(zhì)的典型學(xué)習(xí)內(nèi)容，其實科學(xué)論證在平時的問題討論和問題解決教學(xué)中應(yīng)該是一種常用的方法，這也是物理教學(xué)體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的重要表現(xiàn).

參考文獻：

[1]馬朝華.對物理教學(xué)中科學(xué)論證的認識和實踐[J].物理教學(xué)，2018（11）：9-11.

[2]曹寶龍.科學(xué)本質(zhì)及其教學(xué)建議[J]. 物理教學(xué)探討，2017（09）：1-4.

[3]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中教科書（物理，選擇性必修3）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]鄧陽.科學(xué)論證及其能力評價研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2015.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2020-03-04）