科學(xué)思維落地需要“整體視野”
——談美國高中主流物理教材的首章編排

印曉明 陳 坤

(江蘇省南菁高級中學(xué),江蘇 江陰 214437)

科學(xué)思維是普通高中物理學(xué)科4大核心素養(yǎng)之一．從2015年國家層面提出核心素養(yǎng)概念至今,通過對周邊地區(qū)高中物理聽課調(diào)研等活動,筆者發(fā)現(xiàn),在課堂教學(xué)實踐中,追求教學(xué)進度、追求信息量最大化的“灌輸式課堂”現(xiàn)象已有所改變,教師們已經(jīng)能比較好地選擇合適的教學(xué)方式、關(guān)注課堂的節(jié)奏并根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)作及時的調(diào)整,但很多課堂最終的教學(xué)目標(biāo)實際上還停留在讓學(xué)生“學(xué)會知識”的層面,未能真正上升到“學(xué)會學(xué)習(xí)”．究其原因,筆者認(rèn)為,在教學(xué)中對物理學(xué)真正意義上的“科學(xué)思維”關(guān)注不足(很多時候教師對科學(xué)思維的強調(diào)是體現(xiàn)在習(xí)題教學(xué)中),可能是引發(fā)很多物理課堂未能發(fā)生實質(zhì)性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素．如何立足于“整體”,將提升學(xué)生科學(xué)思維的目標(biāo)落到實處?美國高中主流物理教材《Physics:Principles and Problems》(以下簡稱《PPP》)的首章編排在這方面可能會給我們帶來一些有益的啟發(fā)與思考．

1 給予思維的工具

《PPP》教材第一章的標(biāo)題為“物理學(xué)工具箱”,具體內(nèi)容編排見圖1．《PPP》在其開篇并沒有直接切入具體的高中物理知識體系的內(nèi)容,而是以顯化的方式,系統(tǒng)介紹了學(xué)習(xí)和研究物理問題時所要用到的科學(xué)方法:從“數(shù)學(xué)和物理學(xué)”到“測量”再到“作數(shù)據(jù)圖”,各部分內(nèi)容詳盡,邏輯性強,并且通過融入大量的實例、插圖使整個章節(jié)的敘述更符合學(xué)生的認(rèn)知特點,擺脫了這個主題極有可能出現(xiàn)的嚴(yán)肅枯燥的內(nèi)容傾向,增加了閱讀的趣味性．

圖1

始于整體,目的是為了觸及核心．《PPP》首章為學(xué)生提供整體化的“思維工具箱”,有利于幫助學(xué)生建立一條科學(xué)的物理思維鏈,使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)過程中,不是被各種事實、知識塞滿頭腦,而是能逐漸領(lǐng)會用普適的思維方式統(tǒng)領(lǐng)不同物理知識的方法,增強學(xué)生的“自我生長能力”．我國教材對科學(xué)思維方法的處理是將其隱含在各個物理概念與規(guī)律的教學(xué)中,很少用較大的篇幅、以顯化的方式直接講解,學(xué)生經(jīng)過長期的學(xué)習(xí)探索、實踐總結(jié),可能會掌握一些適合自己的物理思維方法與研究策略,但這樣的經(jīng)驗往往是零散無序的,呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)．以怎樣的方式搭建起學(xué)生的物理思維框架、為實現(xiàn)“轉(zhuǎn)識成智、知行合一”的目標(biāo)作好準(zhǔn)備,是我們在學(xué)生進入高中、開始物理學(xué)習(xí)之初需認(rèn)真考量的關(guān)鍵問題之一．

我國人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理》(簡稱《人教版》)必修1目錄之前的第一篇文章,是趙凱華先生的《走進物理課堂之前》,與《PPP》的首章編排有著異曲同工之妙．如何讓趙先生文章中蘊含的思想方法在整個高中物理教學(xué)中以顯性化的方式得到很好的體現(xiàn),值得我們仔細考慮與推敲．

2 建構(gòu)思維的品質(zhì)

思維工具的給予、思維方法的指導(dǎo),目的是為了在物理的“過程學(xué)習(xí)”中,建構(gòu)起學(xué)生優(yōu)秀的思維品質(zhì)．法國思想家帕斯卡爾曾說:人是一根能思想的葦草．作為會思維的生命體,人正是憑借著理性思維認(rèn)識自然,駕馭自然,達到與自然的和諧共處．因此,作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科,物理的教學(xué),不能停留在“博學(xué)”這個層面,還需關(guān)注“審問、慎思、明辨、篤行”等目標(biāo)的達成以及這些目標(biāo)背后蘊含的對學(xué)生思維品質(zhì)的要求．

2.1 重視科學(xué)思維的內(nèi)核:科學(xué)抽象

《PPP》在每一章起始都會安排一個“起步實驗”,內(nèi)容往往與該章的核心知識相關(guān)．“物理工具箱”的起步實驗是比較單枚硬幣與一卷硬幣同時下落后的運動情況,該實驗在這一章中多次被舉例提到,貫穿了整個章節(jié)的內(nèi)容．(值得注意的是,趙凱華先生的《走進物理課堂之前》也是圍繞一群小朋友觀察落體運動展開的．)在“物理學(xué)中的數(shù)學(xué)”這個概念中,《PPP》教材結(jié)合“起步實驗”作了如下闡述.

物理學(xué)家在研究問題時,為了對所觀察到的事物或現(xiàn)象做出解釋,總會先建立數(shù)學(xué)(數(shù)學(xué)方程)模型,然后做出預(yù)測,再依據(jù)以前的理論設(shè)計實驗,由實驗的結(jié)果證明先前的預(yù)測是否正確．回憶一下本章的“起步實驗”．你可以預(yù)測說如果扔下一枚硬幣,它就會往下掉．但是,它下落的速度有多快呢?在下落的過程中它的速度又是如何變化的呢?哪些因素會影響它下落的速度…對于上述問題,如果用不同的模型進行分析,就會得出不同的答案．為此,你需要具體測量一個物體是怎樣下落的,以及下落的速度與哪些因素有關(guān),由此得到一組由數(shù)據(jù)組成的實驗結(jié)果．將這些數(shù)據(jù)與利用不同模型所作出的預(yù)測進行比較,就能檢驗各個模型,幫助你找到最好的那個,或啟發(fā)你去開發(fā)新的模型．

《PPP》的這一段闡述體現(xiàn)了物理學(xué)科常規(guī)的研究方法,即:提出命題、觀測、實驗、推測答案、理論預(yù)言、實驗檢驗、修改理論、實踐應(yīng)用．正是以上步驟循環(huán)往復(fù),螺旋式上升,構(gòu)成了物理學(xué)發(fā)展的一般進程．“從實踐中來”再“到實踐中去”,在這樣的進程中,科學(xué)抽象起到了“聯(lián)系兩端”的重要的思維橋梁作用,因此是決定科學(xué)思維能力的核心因素．

我們的物理課堂也歷來“重視”科學(xué)抽象,但問題在于,我們有可能存在重視過度的傾向:課堂上傳授抽象的概念、定理,課后用大量“抽象”的習(xí)題進一步鞏固“抽象”的課堂成果．我們的教學(xué)在很多時候,往往不太關(guān)心知識整體進程的“來龍”和“去脈”,最重要的“抽象過程”環(huán)節(jié)被忽視了,僅截取了中間“抽象知識”的部分,注重的是“育分”而不是“育人”．這樣的課堂就本質(zhì)而言,可能更多關(guān)注到的是互相孤立的陳述性知識和脫離實際的程序性知識,缺乏物理味道的思維量,從長遠來看,不會帶給學(xué)生真正的成長．

在物理教學(xué)過程中,如何做到讓“科學(xué)抽象”真正在場?我們認(rèn)為,一個重要的思路可能是要由“抽象知識”轉(zhuǎn)向“具體情境”,建立起“具體”和“抽象”之間的聯(lián)系,將教學(xué)內(nèi)容放到整個物理進程的背景中去考慮．只有通過具體情境和物理本質(zhì)的不斷相互轉(zhuǎn)化并經(jīng)由長期的訓(xùn)練,學(xué)生用物理的眼光打量客觀世界、用科學(xué)的思維解決實際問題的能力才會逐漸形成,科學(xué)抽象思維的品質(zhì)才能得到提升．

2.2 關(guān)注科學(xué)思維的新形式：層次思維

現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展,使得人們對客觀世界的認(rèn)識正經(jīng)歷由淺入深、由簡單到復(fù)雜的過程．在這樣的大背景下研究學(xué)生思維品質(zhì)的建構(gòu)與提升,我們還需關(guān)注到“層次思維”．層次思維指的是,在認(rèn)識、分析復(fù)雜問題或大系統(tǒng)時,將其層次化,形成一個逐階層次的模型;研究每個層次的特性,再把它和在系統(tǒng)中起作用的條件整合起來,達到認(rèn)識、分析、解決問題的目的．在《PPP》首章“物理學(xué)工具箱”最后,教材為學(xué)生安排了一個物理實驗:對運動中物體的探究．實驗的具體流程及內(nèi)容如圖2所示．

作為高中物理的第一個學(xué)生實驗,《PPP》根據(jù)本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容、這一階段學(xué)生的思維水平和心理特質(zhì),對本實驗作了細致合理的“分層”設(shè)計,很好地體現(xiàn)了“層次思維”的相關(guān)理念．“路面上行駛著的機動車”是日常生活中最普通、最常見的事物,但對于學(xué)生而言,由于應(yīng)對實際問題的層次思維能力往往不足,所以即便是最熟悉的場景也是屬于“復(fù)雜情境”,要就此建構(gòu)科學(xué)解釋或推導(dǎo)相關(guān)結(jié)論,還是會感覺有很大的挑戰(zhàn)性．如圖2所示，《PPP》的設(shè)計為學(xué)生研究實際問題提供了以下思維路徑:將問題分層,是探索“復(fù)雜情境”,達到“有效追問”的捷徑之一;我們對復(fù)雜問題的認(rèn)識,往往從定性認(rèn)識層次開始,進而漸進到定量認(rèn)識層次,或遵循由外在到本質(zhì)、由低層到高層的規(guī)律,這些是將問題合理分層的原則;每一層思維的展開要有明確的目的,思維展開的路徑與目標(biāo)間要有清晰的對應(yīng)關(guān)系．

圖2

縱觀《PPP》所有的章節(jié),我們發(fā)現(xiàn),教材中“學(xué)生實驗”欄目的編排都與實際生活密切相關(guān),提供的實驗器材也盡可能是生活中的常見物品,每個實驗會通過分層式的設(shè)計對學(xué)生作一定的思維導(dǎo)引,但很多實驗在具體做法、實驗結(jié)論的得出等環(huán)節(jié)的設(shè)計上是開放性的,完成實驗后,還會繼續(xù)通過“進一步探索”、“生活中的物理學(xué)” 等欄目引導(dǎo)學(xué)生對實驗作更為深入的思考與討論．《PPP》學(xué)生實驗的落腳點并不是為了得到正確的實驗結(jié)論,而是要對學(xué)生進行科學(xué)思維方法的訓(xùn)練．所以在對實驗分層架構(gòu)時,往往剛開始會較為具體、提供各種思維支架,再慢慢放手、逐漸增大思維的密度和空間．

關(guān)注問題、知識的整體視野,培養(yǎng)學(xué)生的層次思維品質(zhì),提升他們應(yīng)對復(fù)雜問題的能力,還有利于促進創(chuàng)新及創(chuàng)造理念的教育．根據(jù)德國心理學(xué)家韋特海默的理論,創(chuàng)造力往往不是零敲碎打,而是和整體特征密切相關(guān),隨著整體的特征而運轉(zhuǎn)．因此,高中物理教學(xué)中的層次思維可能不僅僅是對某個問題、某一節(jié)課作層次性的設(shè)計與思考;從更宏觀的層面上來說,還需要教師以學(xué)生的“學(xué)程”為單位,采用學(xué)習(xí)進階的理念,對教學(xué)內(nèi)容進行科學(xué)、合理的分層規(guī)劃與安排．

3 培育思維的溫度

科學(xué)的思維應(yīng)該擁有“人性”的溫度,在追求科學(xué)的“真”的過程中還需追求人性的“善”與“美”．一位二戰(zhàn)中納粹集中營的幸存者,在做了美國一所中學(xué)的校長后,對每一個來學(xué)校任教的新老師都有一個同樣的請求:請回到教育的根本,幫助學(xué)生成為具有人性的人．歷經(jīng)磨難的校長始終相信,只有在使孩子們更具有人性之后,讀書、寫字和算術(shù)的能力才具有價值．因此,學(xué)校中的任何教育和學(xué)習(xí)活動都不會是單純的智育過程,而是承載了培養(yǎng)“完整的生命個體”的使命,讓學(xué)生在不斷完整自我的同時,也完整對客觀事物的價值判斷、轉(zhuǎn)換,提升自身的價值需求和精神境界,這樣才能擁有在未來獲得幸福的能力．

如表1,《PPP》在每個章末測評中都安排了與本章相關(guān)的“科技寫作”題,內(nèi)容涉及物理學(xué)史、物理與技術(shù)、物理與社會等．就某個主題收集信息、閱讀研究、分析鑒別,嘗試提出自己的觀點并有條理地進行論述表達,這種以“實證和研究為本”的論文寫作訓(xùn)練,一方面可以鍛煉學(xué)生分析問題、推理論證和思考表達的能力,使孩子們具備學(xué)術(shù)和科學(xué)發(fā)展的基本技能;另一方面,對某些問題的思考、闡述還將促成科學(xué)知識與學(xué)生的情感和價值觀等方面的融合,塑造學(xué)生較為完整且具有個人特質(zhì)的人格品質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生思維的“溫度”．事實上,不光是科技寫作欄目,《PPP》教材的編寫在很多地方都注重體現(xiàn)人與人、人與社會、科學(xué)與社會之間的關(guān)系,充滿了生活氣息與人文關(guān)懷,通過長期的潛移默化,幫助學(xué)生擁有更豐富更開闊的可能性,養(yǎng)成更內(nèi)在的指向“人”本身的深入思考的習(xí)慣．科學(xué)的思維和完整的人格一體兩翼,才能使學(xué)生在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)獲得較為完整的發(fā)展,使培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的全面的高素質(zhì)人才”的教育目標(biāo)成為可能．

表1 《PPP》部分章末測評“科技寫作”欄題目

《人教版》必修1第1頁引用了我國古代著名哲學(xué)家莊子的話:判天地之美,析萬物之理．在高中物理教學(xué)中,我們?nèi)粢龑?dǎo)學(xué)生達到莊子所言的境界,最關(guān)鍵之處可能是嘗試改變物理教學(xué)的聚焦點:從關(guān)注學(xué)生擁有知識的數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)移到更關(guān)注提升學(xué)生思維的質(zhì)量．立足于“整體”,尋找物理教育與學(xué)生生命成長的契合點,注重教育中“慢”的藝術(shù),采用“浸潤式”的教育方法,給予思維的工具、建構(gòu)思維的品質(zhì)、培育思維的溫度,不斷喚醒學(xué)生的生命感、價值感和創(chuàng)造感,這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生才可能具備良好的科學(xué)思維能力,以后才可能從更高的層面、用更全面的視野去分析、處理問題,做到更高層次上的“知行合一”．