基于科學解釋下PTDR框架的教學設計

摘 要：對新課程標準中科學探究的理解不僅是其中七個基本要素，更重要的是設置問題、提供證據、科學解釋、交流評價等環節，其中科學解釋貫穿整個科學探究全過程，缺少科學解釋的科學探究是不完整的.為此，本文以科學解釋下PTDR框架為基礎，談“探究浮力大小的影響因素”的教學設計.

關鍵詞：科學解釋;PTDR框架;教學設計

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0039-03

作者簡介：孔凡玲（1971-），女，山東德州人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理教學研究.

在初中物理教學中，特別關注多樣化教學方式，注重科學探究在實驗教學中的作用，對科學探究的理解不僅是其中七個基本要素，更重要的是設置問題、提供證據、科學解釋、交流評價等環節，其中科學解釋貫穿整個科學探究全過程，是科學探究的核心部分，進一步說，整個科學探究全過程圍繞科學解釋進行活動，缺少科學解釋參與的科學探究是不完整的.

科學探究中的科學解釋主要應用于科學教育范疇，國外最具代表性的研究成果是CER框架（即論斷Claim—證據Evidence—推理Reasoning），國內研究也在逐步推進，如國內極具代表性學者姚建欣在CER框架研究基礎上提出科學解釋下的PTDR框架，即需解釋現象（Phenomenon）—理論支撐（Theory）—資料文獻（Data）—推理論證（Reasoning）.筆者在PTDR框架基礎上展開科學探究下的科學解釋，以此檢驗科學解釋下PTDR框架在科學探究中的實踐效果，從而為初中物理教學提供新范式.本文以科學解釋下PTDR框架為基礎，談“探究浮力大小的影響因素”的教學設計.

1 科學解釋PTDR框架的教學現狀

當前在對學生科學解釋能力培養現狀上出現如下問題，在傳統物理課堂教學中，教師既不會事先說明科學解釋在科學探究中的作用，更不會有意識地培養學生科學解釋能力，因此科學解釋能力完全依靠學生在學習過程中自學自悟，這將導致教師教學效果不顯著，學生學習成果參差不齊.具體表現在以下幾點.

1.1 忽視學生已有認知水平

教師在進行科學探究時需要進行情境設置，這需要根據探究內容及設計思想對教學內容進行科學化處理，需要注意的是學生在學習新內容時通常已經具備與此相關的前概念，既有錯誤前概念也有正確前概念.這就需要學生充分利用已有前概念，主動與新內容建立聯系，這種聯系或是正向刺激，或是逆向沖突，都需要學生主動進行思維重整、知識重構，教師從中引導，而非批量輸出.然而在現行教學中部分教師會大費周折地主動承擔這部分工作，替代學生的思考主體地位，這樣于學生而言味同嚼蠟.

1.2 忽視科學解釋在科學探究中的核心地位

物理是一門以實驗為基礎的學科，科學探究貫穿整個物理教學始終.正因如此，部分教師在物理教學中采用“轟炸式實驗教學法”，這種教學形式看似引人注目，實則缺乏邏輯，只是將有關科學探究內容的實驗機械式疊加，未對實驗進行系統的科學解釋.因此，這種教學模式未能強調科學解釋在科學探究中的核心地位.

1.3 將科學解釋模式固定化

物理是一門需要進行探究性實驗的學科，但由于部分教師對科學探究的片面理解，存在“凡課必探究、凡探究必解釋”的激進錯誤思想，易造成課堂教學形式主義.這就是對科學解釋的引入模式固定化，造成過多、過范化地進行科學解釋.

2 科學解釋下PTDR框架的教學思路

對科學解釋的理解過程應是基于學生在個體生活及社會環境中遇到真實問題、現象時，需要通過科學探究解決遇到的真實問題、現象，在此過程中滲透科學解釋的內涵.科學解釋下PTDR框架的本質在于對需解釋現象廣泛查閱資料文獻，以理論支撐的方式進行推理論證，實現使科學探究內容的外顯化以達到教學目的，具體教學思路如圖1所示.

3 科學解釋下PTDR框架的教學設計

在“探究浮力大小的影響因素”時，筆者考慮到學生對浮力現象及其基本知識有初步了解，對生活中常見浮力現象有一定認知.為此，筆者在教學設計過程中始終以生活情境為載體，以科學解釋下PTDR框架為主線，在科學解釋的不斷滲透下歸納出浮力大小的影響因素.

3.1 探究實驗導入

情境：水中乒乓球在松手后會迅速上浮，如圖2所示是乒乓球浸沒在水中，從水中上浮到水面的過程中，如何衡量力大小變化？即浮力大小與哪些因素有關？

師：在實驗中當小木塊與大石塊浸沒水中時都受到浮力的作用，究竟是小木塊受到浮力大還是大石塊受到浮力大？

生1：小木塊上浮，受到浮力大.

生2：大石塊體積大，受到浮力大.

3.2 科學解釋中核心知識教學

需解釋現象.

師：要比較誰受到浮力大，在物理中需要用實驗進行驗證，即活動：“探究影響浮力大小的因素”.

師：誰能猜想浮力大小可能與哪些因素有關？

理論支撐.

生1：體積.

生2：大石塊沒有浸入水中時不受水的浮力作用，因此不是物體體積，是浸入水的體積.

生3：人在死海中漂浮，在淡水中會下沉，可能與液體密度有關.

生4：大石塊在水中下沉越來越快，可能與浸沒深度有關.

生5：可能與物體的質量、物體的形狀……有關.

以上學生猜想是學生已有認知與現行認知相互碰撞產生的智慧火花，是寶貴的理論支撐點.

資料文獻.

師：探究實驗中出現多個影響因素，需要用到的實驗方法是什么？

生：控制變量法.

師：統計出學生猜想較多的三個因素：排開液體的體積、液體的密度、浸沒深度，為此，需要準備哪些實驗器材？（如圖3所示是對物體排開液體體積的解釋.）

生：彈簧測力計、圓柱體A 、一杯水、一杯鹽水.

師：（活動）協助學生進行分組探究實驗并收集證據、發現規律、尋找影響浮力大小的因素.

生：學生進行分組實驗.

推理論證.

師：實驗過程及實驗數據分別請兩組代表來回答，如圖4所示是最終確定的實驗過程及實驗數據，請同學們根據實驗過程及實驗數據歸納出實驗結論.

生1：比較②③兩次實驗得出結論為：物體受到浮力大小與物體排開水的體積有關，如輪船越大，排開水體積越多，受到浮力就越大，即排水量越大.

生2：比較③④兩次實驗得出結論為：物體浸沒時所受浮力大小與浸沒深度無關，如浸沒水中的大石塊在下沉過程中受到浮力不變.

生3：比較④⑤兩次實驗得出結論為：物體受到浮力大小與液體密度有關，如人為什么能夠漂浮在死海海面上;再如當雞蛋在水中沉底后，向水中加適當鹽后，雞蛋會逐漸浮起來.

師：同學們總結得非常好，還有一些影響因素，如物體質量、物體形狀、下沉速度等，可以仿照剛才探究實驗的方法，課后自主探究浮力大小是否與這些因素有關，明天上課時和大家一起探討結論.

師：根據剛才探究實驗及實驗數據能否歸納出浮力大小的影響因素？

生1：浸在液體中的物體受到的浮力大小與物體排開液體體積和液體密度有關，與浸沒深度無關.

生2：物體排開液體體積越大、液體密度越大，物體受到的浮力越大.

師：同學們總結是對的，請將自主探究得到的結論寫入筆記，即浸在液體中的物體，所受浮力的大小與其排開液體體積和液體密度有關.

教師鞏固成果.

評價與應用：如圖5所示，請同學們分析哪條魚說的正確？為什么？

生：（小組討論交流）大魚說的對，大魚與小魚都在水中，水的密度相同，大魚排開水的體積大，所以大魚受到的浮力大.

設計意圖：探究實驗是提升學生核心素養的途徑之一，科學解釋是引領科學探究的基石，然而目前多數探究實驗的進行只追求課堂氣氛精彩紛呈，僅能培養學生盲目以知識為主的低階能力、低階探究、低階思維，忽視除知識以外更重要的主體性高階思維的發展、高層次認知水平以及綜合解決問題的能力.

文中以浸沒在水中的小木塊與大石塊為基礎，拋出“哪個受到浮力大？”“影響浮力大小的因素有哪些”等問題，最后分組探究影響浮力大小的因素，由學生自主探究實驗過程及實驗數據分析得出實驗結論.這需要學生在分組實驗過程中探究解決問題的方法，及時評價與完善.這樣的思維過程，既包含生成性思維，又體現批判性思維，科學解釋貫穿整個科學探究始終;在推理論證得出實驗結論后，為鞏固探究成果，筆者請同學們參與討論哪條魚說的正確？為什么？強化科學解釋在科學探究中的效果，進一步體現科學解釋的主體性，促進學生反思、批判、創新等高級思維的發展，提升學生核心素養.

4 結束與歸納

回顧科學解釋下PTDR框架的教學設計，主要存在以下三點心得體會：（1）要重視科學解釋在科學探究中的重要作用，沒有科學解釋的科學探究是不完整的，不能實現真正意義上的科學探究;（2）要重視科學解釋在科學探究中的存在形式、構成要素等基本信息，不能出現盲目地解釋一些探究內容，這樣只會導致科學探究偏離正軌，甚至背道而馳;（3）在進行科學探究教學中，千萬不可為了科學解釋而解釋，也就是將科學解釋模式固定化，并不是每一個科學探究中科學解釋的模式都一成不變.教師要增強靈活進行科學解釋的意識，而不是固化模式.

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（收稿日期：2021-08-13）