应用SNP模式促进学生科学论证能力发展

陈泽 洪哲新 皮飞鹏

摘   要：在中学物理教学中，提升学生的科学论证能力是物理课程标准的明确要求。文章通过将SNP模式与中学物理教学相结合，旨在提升学生寻找证据、分析归纳、推理演绎、解释自己观点、合理反驳他人的科学论证能力，初步构建了将SNP模式应用于科学论证能力培养的教学流程，并以热力学第二定律的教学为例，探讨了该教学流程的应用及SNP模式在学生科学论证能力培养方面的作用。

关键词：SNP模式;科学论证;中学物理;热力学第二定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）7-0073-5

《普通高中物理课程标准（2017年版）》将科学思维作为物理学科核心素养的重要组成部分，而科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证等要素[1]，可见培养学生的科学论证能力是中学物理教学的一个重要课题[2]。许多教育研究者在中学生科学论证能力培养方面进行了尝试，提出利用ADI模型（Argument Driven Inquiry的简称）进行科学论证教学[3]，但其仅对ADI模型进行了介绍，并未深入探讨其实际运用，且ADI模型对“反驳与论证”这一科学论证步骤强调不够。有学者以卢瑟福α粒子散射实验为例，提出应用Sampson模型实施科学论证教学[4]，但Sampson模型并没有很好地将物理实验应用于论证过程中。有学者提出在中学物理教学中应用SNP模式（Science Negotiation Pedagogy，简称SNP）培养中学生科学建模和科学论证能力[5，6]，但是该工作偏重科学建模能力提升，缺乏提升学生科学论证能力相关的教学流程设计和教学案例。

本文将探讨SNP模式与科学论证相结合的方式，建构将SNP模式应用于学生科学论证能力培養方面的教学流程，并以具体的教学案例说明教学流程的应用。

1    在科学论证能力教学中应用SNP模式的理论基础

关于科学论证，其最重要的理论基础之一是图尔敏论证模式[7]，该模式包括如下的步骤：基于根据（ground）提出特定主张（claim），此主张可能有一定的限定性（qualifiers），由根据可得出保证（warrant）即主张的原则、推论等，当保证的权威性与科学性受到质疑时，提出主张的一方需要使用支援（backing）以支持保证，当然反驳（rebuttals）也可能推翻之前不够完善的主张[8]。

有学者在讨论通过物理教学培养中学生科学论证能力时指出，不同阶段的学生科学论证能力的侧重点略有不同，但中心思想都是通过物理实验教学步骤收集证据并对证据进行分析，进而归纳出实验结论，以帮助表达学生自己的观点，而其余学生则对他人观点进行反驳[9]。因此，本文将学生的科学论证能力培养分解为以下几个方面：寻找证据的能力、使用支援（对实验进行分析）的能力、结合实验现象对自己的观点进行解释说明的能力、合理质疑他人及反驳他人质疑的能力、对物理问题进行推理演绎的能力以及对目标论点进行总结归纳的能力。

SNP模式主要根据学科的大概念提出问题，通过模型建构对大概念进行表征，以建构的模型为支架，由学生提出自己的主张，并采用数据、图表等证据支持其主张，通过生生、师生间的口头协商、反思性写作不断对问题进行深入探究从而得出结论[10]。

可以看到，SNP模式的部分流程与科学论证的过程非常契合。SNP模式中依据科学实验、科学建模等方式为学生观点提供证据这一特点，可以增加学生科学论证过程中证据的真实可靠性，提升论证过程的科学性。在中学物理课堂中引入生生探讨、师生探讨能够实现反复的质疑反驳过程，有利于培养学生解释论证、质疑反驳、推理演绎的能力[9]。因此，本文提出将SNP模式与高中生科学论证能力培养相结合，以达到让学生经历科学论证过程、提高学生科学论证能力的目标。表1是SNP模式与科学论证过程的对应关系以及两者的结合方式。

2    基于SNP模式的科学论证能力培养教学流程构建

本文在郭玉英和钱长炎等学者的研究基础上，将SNP模式的教学流程进行改进，结合当下中学物理课堂师生、生生互动探讨不足的实情，通过循序渐进的教学步骤提升学生的科学论证能力。同时，由于高中阶段很多知识点难度较大，学生难以通过既有知识独立建构起相关模型，本文提出，在寻找支援支持观点的过程中需要通过选取恰当实验器材进行科学实验，并在必要的时候得到教师的“支架型”辅助，以促进学生能力的提升[11]，适当创造“最近发展区”，帮助学生拓展思维提升其能力发展。具体教学流程如图1所示。

首先，由教师通过回顾先前知识、结合生活实际等方式引入新课程的学习，并引发学生的认知冲突，为新概念的建构做准备。

然后，师生共同确立驱动问题，学生可以在这一步提出自己的假设，并寻找生活中的实例来初步证实自己的假设，以锻炼学生寻找证据的能力。

接着，由教师提供实验器材，学生分小组展开科学实验和科学论证活动。学生进行科学实验，并对实验结论进行整理收集、分析归纳。在整个过程中，学生可能会出现各种问题，教师需要适时点拨，此步骤旨在提升学生使用支援的能力。

待小组取得一致认同后，推选组长向全班学生汇报。其他组的成员可以依据不同的背景知识等提出自己的反驳与质疑。由于中学实验器材有限、学生自身思维广度不足，教师需从不同角度引导学生对目标问题进行推理演绎。此步骤通过生生与师生之间的讨论以提升学生解释质疑、推理演绎的能力。

此外，教师还需要鼓励学生将已经学得的知识运用到实践中，对实际生活中的现象深入思考。学生可以在课后对课上所学知识进行总结与反思，进行反思性写作，进一步从书面角度提升学生的科学论证水平。

3    应用SNP模式发展学生科学论证能力的教学设计

现在以“热力学第二定律”的教学设计为例，说明如何利用SNP教学模式促进学生科学论证能力的发展。课程标准对“热力学第二定律”的要求是：“通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。”

教师首先结合“热力学第一定律”向学生提问“在实际生活中，将一块冰放在室内，冰会逐渐融化，这是什么原因呢？”待学生回答“这是因为室内的温度比冰的温度高，热量被传递给了温度较低的冰，冰吸热融化了”后，教师引导学生“由于能量守恒定律，冰吸收了热量，变成了液态的水，为何水在没有外界帮助（如冰箱）的情况下，不能直接向外放热，自发变成冰呢”……通过实例，引发学生的认知冲突，为提出驱动问题做好准备。

随后，师生共同商讨并确立本节课的驱动问题为“在满足能量守恒定律的条件下，物理过程能否持续自发地进行下去？”

驱动问题确立后，教师为学生提供实验器材，将学生分为不同的小组进行科学实验。通过咨询多位一线教师，本文提出两种学生有能力独立完成的实验方案，以及一种由教师主导、师生互动完成的实验方案。如表2所示。

学生通过已有知识可以独立完成有关于实际经验角度和能量角度的实验过程及实验推断，能够对实验结果进行一定分析，能针对问题进行较为完整的解释说明，教师可以在此基础上鼓励学生深入研究。从统计学角度出发考虑问题对于学生略有难度，在此设定由教师引导学生进行探讨，提供“支架型”辅助。

角度一：实际经验角度

A组汇报：我们组选择的实验器材是二氧化氮、氧气、广口瓶等，实验目的是通过气体分子运动的不可逆性证明热力学第二定律的方向性。装有二氧化氮和氧气的广口瓶，将其瓶口相扣，中间有一块玻璃隔片，将玻璃隔片抽出，可以看到红棕色的二氧化氮气体逐渐充斥于两个瓶子中，且不能恢复到最初的两气体分离的状态。

其他组质疑：二氧化氮在上方的瓶中，由于二氧化氮分子的质量大于氧气分子，会不会经过足够长的时间，二氧化氮就会下沉到下面瓶子的底部或者出现下面瓶子二氧化氮浓度明显高的情况呢？这样就可以认为二氧化氮和氧气某种程度上又自动分离了。

A组反驳：我们也考虑到了这个问题，所以我们在进行了如图2（a） 的实验后，又将装有二氧化氮的瓶子放在下方，装有氧气的瓶子放在上方，发现两种气体仍然能够均匀混合[图2（b）]。虽然放在下面的二氧化氮分子重于上面的氧气分子，但是依旧可以向上运动充满整个瓶子，它怎么会因为重力原因又重新分离呢？气体的扩散并不是重力作用的结果，而是气体分子做无规则热运动的结果。这样就可以解决同学刚刚提出的由于重力作用导致结论混乱的问题。

此时，A组同学已经基本讲述出热力学第二定律的方向性原理，但是需要教师引导学生进行归纳，让学生的理解更加科学、准确。

师：A组同学的讲述相对全面，我们一起总结一下。正如大家所说，气体扩散是气体分子做无规则热运动的结果，在这种情况下，由于分子之间的频繁碰撞，重力的作用微乎其微，完全可以忽略。A组的实验说明扩散现象是不可逆的，这体现了热现象的方向性。两种气体最开始的状态是比较“有序”的，但是抽出玻璃板后，两种气体发生了什么样的变化呢？

生：它们从一开始“有序”的状态走向了“无序”“混合”的状态。

师：大家总结得很好，那么还有哪些自然过程是从“有序”的状态走向“无序”呢？大家一起思考一下。

大家充分讨论之后，教师引导学生总结：凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性。

通过师生、生生之间的论证，帮助学生从简单的气体分子运动知识点的理解加深至对热力学第二定律“熵”的概念的初步感受，有利于增强中学物理与大学物理之间的联系。

角度二：能量角度

B组汇报：我们通过对电冰箱运作过程的研究来探讨热力学第二定律相关内容。电冰箱的工作原理是气态氟利昂经过压缩机变成高温高压的过热蒸汽，经由冷凝器（散热器）进行放热冷凝变成高压过冷的液体，高压过冷液体通过过滤器进入毛细管（节流阀）降压变为低温低压液体，最后在蒸发室吸热汽化（图3）。

其他组质疑：除了电冰箱，实际生活中还有哪些其他的工具或者物品是运用这种原理的呢？

B组回答：还有空调等，用处非常广泛。

此组学生能解释整个过程，由于氟利昂材料的特殊性，教师可以让学生寻找其他可替代材料以保护环境。

师：B组同学讲解得非常完整，老师希望大家思考家用空调的运作原理，并且希望大家课后研究除了氟利昂外，还有什么材料有这样的特性，能有同样的效果？

角度三：统计学角度

师：老师在上课之前给大家看了第三种可以考虑的角度，可能有一点难度，C组的同学也不用过于紧张，说一说自己的观点。

C组汇报：用一个隔板将容器分为左右两个等大部分，假设开始时， 2个分子都在左半部分，抽出隔板后分子会向右半部分扩散，并且可在整个容器中自由运动。隔板被抽出后，2个分子在容器中可能分布的情况有22种，而2个分子完全退回到左半部分的可能性为 ，如图4所示。

师：假设一摩尔的气体分子在其中，情况又如何呢？

生：一个真实的理想气体系统中每摩尔气体有6.02×1023个分子，一摩尔气体分子全部退回到左半部分的可能性为 。

师： 这个数值极小，在统计学角度可以忽略不记，这实质上是一种必然性，即对于一个理想气体系统（不受外界影响），气体分子的运动总是向包含微观数目较多的状态进行。

以外，教师还能够引导学生将数学方面的知识迁移到物理中，探求若有n个气体分子，全退回到左半部分的可能性。

一般情況下，学生经历了之前的思考与讨论过程，能够较为迅速地指出n个气体分子全部回到左半部分的可能性为 。这是由具象思维向抽象思维转化的过程，帮助学生进行数学与物理学科之间知识的迁移，增强学科之间的关联性。

在教学的最后，教师可以让学生对自己的观点进行总结与评价，并且鼓励学生在课后深入探讨“热寂说”的相关内容，要求学生结合所学知识解答“时间为什么在流逝”这一问题，并进行反思性写作以促进学生科学论证能力进一步发展。

4    小结与展望

通过理论分析和实际案例，我们可以看出将SNP模式应用于学生科学论证能力的培养是可行的，能够帮助学生提升寻找证据、对实验进行分析归纳、推理演绎、解释自己观点、合理反驳他人的科学论证能力。同时，由于科学论证的过程是螺旋上升的，能够帮助学生培养耐心、树立信心，并进行知识整合，生生、师生探讨和交互论证也有利于培养学生的合作能力、语言表达能力和批判思维能力。

目前，落实新课标、提升学生学科核心素养是我国基础教育领域的中心工作，新的教育观念、教学模式和技术手段不断引入中学物理教育教学中，选择合适的教学模式关乎学生学习方式、教师教学方式的转变[5]。SNP模式为我国中学物理教学提供了另一种可行的思路，通过交互论证、咨询专家、应用拓展，能在很大程度上促进学生物理学科核心素养的提高，但SNP模式适用于基础较好、有较强的沟通交流能力、对物理兴趣浓厚的学生，对学生和教师的要求相对较高，应用SNP模式应该结合教学实际，避免刻板使用和为论证而论证，真正内化SNP模式，以促进学生科学论证能力的提升。

参考文献：

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[10]Chen Y， Park S， Hand B. Examining the Use of Talk and Writing for Students' Development of Scientific Conceptual Knowledge Through Constructing and Critiquing Arguments[J]. Cognition and instruction，2016，34（02）：100-147.

[11]姜琳.中学物理教学中运用支架式教学的案例分析[J]. 物理教師，2012，33（01）： 13-14.

（栏目编辑    李富强）