基于逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的科學(xué)思維能力培養(yǎng)研究
——以“靜電場”中部分概念教學(xué)為例

楊錦悅 任新成

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

中華人民共和國教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)明確指出:物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.科學(xué)思維主要包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.科學(xué)思維即通過物理學(xué)的視角觀察生活中的客觀事物以及各種現(xiàn)象;能根據(jù)理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究得出物理概念和物理規(guī)律,在此過程中應(yīng)用到分析、綜合、分析與綜合辯證統(tǒng)一等方法;最后,對得出的結(jié)論懷有批判性態(tài)度并能提出創(chuàng)新性的觀點(diǎn).[1]

1 逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路遵循從教材分析、學(xué)情分析到教學(xué)環(huán)節(jié),而逆向教學(xué)設(shè)計(jì)則需要先考慮教學(xué)要達(dá)到的目標(biāo)什么,我們有什么證據(jù)可以證明學(xué)生達(dá)到這一目標(biāo),最后再設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié).[2]簡單來說,逆向教學(xué)設(shè)計(jì)就是從“終點(diǎn)”(學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果)出發(fā),逆推教學(xué)活動,一直逆推到學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn).逆向教學(xué)設(shè)計(jì)大致分為以下3個(gè)階段: (1) 確定預(yù)期的教學(xué)結(jié)果; (2) 確定合適的評估證據(jù); (3) 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)能幫助教師緊扣物理核心素養(yǎng)目標(biāo)和物理學(xué)科課程目標(biāo)內(nèi)容,同時(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)、科學(xué)推理等思維能力.[3]

2 科學(xué)思維能力培養(yǎng)的重要性

科學(xué)發(fā)現(xiàn)認(rèn)識論認(rèn)為:科學(xué)現(xiàn)象是根源,在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中,科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)理論知識兩者之間并不存在直接關(guān)系,科學(xué)理論知識的形成需要科學(xué)現(xiàn)象與科學(xué)思維方法相互作用.同樣,科學(xué)理論知識的拓展應(yīng)用也需要科學(xué)思維方法的參與才能成功解決問題,科學(xué)教育同樣也是如此.因此建構(gòu)了基于“科學(xué)方法中心”的知識-方法結(jié)構(gòu)圖.[4]

圖1 知識-方法結(jié)構(gòu)圖

圖1表明在科學(xué)教育中,從科學(xué)現(xiàn)象出發(fā)必須經(jīng)過科學(xué)思維方法的加工整理才能獲得科學(xué)理論知識;科學(xué)思維方法是科學(xué)理論知識應(yīng)用的重要手段,是實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識智力價(jià)值的橋梁.而在我國的教材中,對科學(xué)知識采用顯性處理,對科學(xué)知識的內(nèi)在關(guān)系和科學(xué)思維方法采用隱形處理.這兩種處理方法的出發(fā)點(diǎn)是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自己感悟,但實(shí)際上由于科學(xué)思維方法的隱藏性特點(diǎn),一些科學(xué)思維方法教育的基本理論問題沒能得到深入探討,隱形教育方式在物理教學(xué)實(shí)踐中并沒有取得理想的效果.因此教師在教學(xué)過程中應(yīng)該對物理科學(xué)思維方法采用顯性處理:訓(xùn)練思維方法,培養(yǎng)思維能力;傳授物理方法,發(fā)展物理能力;積淀科學(xué)觀念,形成科學(xué)素養(yǎng).

3 基于逆向教學(xué)設(shè)計(jì)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

靜電場的內(nèi)容存在很多概念及規(guī)律,這部分知識具有基礎(chǔ)性、抽象性和綜合性等特點(diǎn),基礎(chǔ)性表現(xiàn)在它是“電與磁”整個(gè)專題的基礎(chǔ)內(nèi)容;抽象性表現(xiàn)在它含有很多抽象的物理概念和物理規(guī)律,使學(xué)生難以理解;綜合性表現(xiàn)在靜電場的知識不僅物理概念繁多,物理規(guī)律復(fù)雜,同時(shí)需要遷移應(yīng)用力學(xué)以及能量的知識和方法,對學(xué)生科學(xué)思維能力的綜合性要求較高.所以靜電場中的部分概念教學(xué)有助于提高學(xué)生的科學(xué)思維能力、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

3.1 符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的電場強(qiáng)度教學(xué)

長期以來,高中教材中以及課堂上教師在引入電場強(qiáng)度時(shí),大多數(shù)都只講電場強(qiáng)度是試探電荷在電場中某點(diǎn)受到的電場力與電荷量的比值,是一個(gè)常數(shù),這與試探電荷無關(guān),只與電場本身的屬性有關(guān),所以定義這個(gè)比值叫這一點(diǎn)的電場強(qiáng)度.學(xué)生存在思維障礙電場真實(shí)存在嗎?為什么要用電場力與電荷量的比值來定義電場強(qiáng)度,這與學(xué)生學(xué)習(xí)物理的認(rèn)知規(guī)律不符,造成學(xué)生在方法認(rèn)識上沒有主動性,屬于元認(rèn)知困難,基于逆向教學(xué)設(shè)計(jì)理論筆者認(rèn)為可以這樣引出電場強(qiáng)度.[5]

3.1.1 確定預(yù)期結(jié)果

教學(xué)目標(biāo)由物理核心素養(yǎng)目標(biāo)和物理學(xué)科課程目標(biāo)融合而成,融合后的教學(xué)目標(biāo)是: (1) 學(xué)生知道電場是一種物質(zhì)(物理觀念層面培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀念,從物理學(xué)視角形成物質(zhì)的基本認(rèn)識,是解釋自然現(xiàn)象解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)).(2) 了解電場強(qiáng)度,體會用物理量之比定義新物理量的方法(科學(xué)思維層面從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關(guān)系的認(rèn)識方式).(3) 重視發(fā)揮物理學(xué)史的教育功能,讓學(xué)生分析電場的真實(shí)存在(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任層面讓學(xué)生形成探索自然的內(nèi)在動力,謹(jǐn)慎認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度).

3.1.2 確定合適的評估證據(jù)

物理觀念層面,讓學(xué)生回答如何理解電場是一種物質(zhì)?通過回答判斷學(xué)生掌握情況;科學(xué)思維層面,讓學(xué)生舉例說明哪些物理量也是用比值定義法得出的,它們的物理性質(zhì)有什么相同點(diǎn);科學(xué)態(tài)度與責(zé)任層面,讓學(xué)生課后查找關(guān)于超距作用的資料并探討,培養(yǎng)科學(xué)興趣.

3.1.3 學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動

圖2 教學(xué)流程圖

中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的一般認(rèn)知規(guī)律,概括為以下幾點(diǎn): (1) 獲得必要的感性認(rèn)識(教學(xué)支架風(fēng)速的測量能引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生濃厚興趣,是形成概念、掌握規(guī)律的內(nèi)部直接動機(jī))；(2) 進(jìn)行科學(xué)抽象(有了感性認(rèn)識后,學(xué)生需要參與科學(xué)抽象,將感性知識升華到理性認(rèn)識上,電場強(qiáng)度的引入從定性分析到定量計(jì)算,培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納的科學(xué)思維能力)；(3) 明確物理意義并進(jìn)行具體運(yùn)用(學(xué)生自主建構(gòu)形成物理概念,明白為什么引入這一概念,根據(jù)比值定義法的特點(diǎn)理解電場強(qiáng)度的性質(zhì),提高學(xué)生應(yīng)用知識的能力)；(4) 最后要把握物理概念的內(nèi)涵和外延.

3.2 類比法促進(jìn)知識正遷移的電勢能、電勢教學(xué)

電勢能與電勢在整個(gè)靜電場教學(xué)中起著承上啟下的作用,它上承電場強(qiáng)度下啟電勢差是本章的核心內(nèi)容.在實(shí)際的教學(xué)中本節(jié)課有4小部分內(nèi)容: (1) 靜電力做功的特點(diǎn); (2) 電勢能; (3) 電勢; (4) 等勢面,傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)通常采用類比法,但是類比法并不能始終貫穿于這4部分內(nèi)容.具體來說,靜電力做功、電勢能以及等勢面可以與重力做功、重力勢能以及等高線進(jìn)行類比,但是缺少了與電勢相類比的概念,使得類比法的教學(xué)出現(xiàn)邏輯上的斷層,不利于后續(xù)內(nèi)容電勢差的教學(xué).對于電勢如何采用類比法進(jìn)行教學(xué),筆者有以下的構(gòu)想.教學(xué)流程圖如圖3所示.

3.2.1 確定預(yù)期結(jié)果

教學(xué)目標(biāo)由物理核心素養(yǎng)目標(biāo)和物理學(xué)科課程目標(biāo)融合而成,融合后的教學(xué)目標(biāo)是: (1) 理解靜電力做功的特點(diǎn)、電勢能和電勢的概念(物理觀念層面即從物理學(xué)視角形成關(guān)于相互作用和能量等基本認(rèn)識,是解釋自然現(xiàn)象解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)).(2) 分析采用類比法引入電勢能的依據(jù),理解電勢能與電場力做功的關(guān)系(科學(xué)思維層面從物理學(xué)視角對物理量的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關(guān)系的認(rèn)識方式).(3) 利用知識類比和遷移激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識和對科學(xué)的求知欲(科學(xué)態(tài)度與責(zé)任層面是指讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì),形成探索自然的內(nèi)在動力和科學(xué)精神).

3.2.2 確定合適的評估證據(jù)

物理觀念層面:將問題有一定邏輯順序的提出,引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)電勢能、電勢兩個(gè)物理量,分析評價(jià)學(xué)生回答情況;科學(xué)思維層面:通過類比法的學(xué)習(xí)觀察學(xué)生的知識遷移能力和歸納總結(jié)能力;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任層面:讓學(xué)生回顧類比法和微元法在物理概念與規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用,培養(yǎng)物理興趣.

3.2.3 學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動

在學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)功的計(jì)算、重力做功以及重力勢能等知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算電場力做功得出結(jié)論電場力與重力做功類似與路徑無關(guān),達(dá)到第一個(gè)子目標(biāo):電場也是保守場.接著在電場與重力場都屬于保守場的基礎(chǔ)上,可以將重力做功、重力勢能以及重力勢的性質(zhì)正遷移到電場中對應(yīng)的物理量,達(dá)到第二個(gè)子目標(biāo):建立電勢能、電勢的概念,理解電場力做功與電勢能變化的關(guān)系.最后通過思考題,引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)試探電荷在電場中移動時(shí),電場力做功、電勢能變化以及電勢變化情況,與正負(fù)電荷是否有關(guān),培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)的思維能力.

在電勢能與電勢的教學(xué)過程中我們需要注意兩個(gè)問題,其一是類比法的應(yīng)用即正遷移發(fā)生的條件: (1) 對象的共同因素,共同因素越多遷移的可能性就越大,即觸類旁通; (2) 已有經(jīng)驗(yàn)的概括水平,經(jīng)驗(yàn)的概括水平越高越有利于遷移,即舉一反三; (3) 思維定勢的作用,當(dāng)學(xué)生把自己頭腦中已有的思維模式恰當(dāng)?shù)赜玫叫碌奈锢砬榫持?使物理學(xué)習(xí)表現(xiàn)出心理活動的穩(wěn)定性和前后一致性時(shí),這種思維定勢是積極的.其二是教學(xué)內(nèi)容的邏輯性,即每個(gè)物理概念的出現(xiàn)要有一定的邏輯順序,由易到難.綜上所述,學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念是知識遷移的發(fā)生,而知識技能通過正遷移可以轉(zhuǎn)化為學(xué)生的科學(xué)思維能力,學(xué)習(xí)過程中的正遷移量越大,有助于學(xué)生觀察物理現(xiàn)象,解決物理問題、邏輯推理、歸納總結(jié)等科學(xué)思維能力的培養(yǎng),學(xué)生分析問題、解決問題的能力越強(qiáng).[6]

圖3 教學(xué)流程圖