物理教學過程中促進學生思維發(fā)展的路徑與方法*
——以第十屆全國大學生與研究生物理教學技能展示課為例

張 雪 張 靜

(長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所 湖北 荊州 434023)

1 引言

2017年《普通高中物理課程標準》將“三維課程目標”升華為“物理學科核心素養(yǎng)”，強調(diào)學生經(jīng)過物理學習后關(guān)鍵能力和必備品格的形成.科學思維作為物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容，是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).

2018年7月，第十屆全國大學生與研究生物理教學技能展示活動吸引了北師大、華東師大、東北師大、華中師大等高校的628名學生踴躍參加.該活動匯聚了全國113所師范高校師生的心血，選手從說課和講課兩方面展現(xiàn)教學理念和教學設(shè)計.每年主辦方將會在每組選手中選拔1位最有特色的選手進行最終展示，以讓更多的師生受益.作為物理學科核心素養(yǎng)提出后的首屆活動，從一定程度上反映了肩負著教師特色人才培養(yǎng)和教育研究重任的師范院校在核心素養(yǎng)實踐方面所開展的嘗試.筆者以此15套基于核心素養(yǎng)進行設(shè)計的教學作品為樣本，分析并總結(jié)促進學生思維發(fā)展的路徑與方法.

2 促進學生思維發(fā)展的基本路徑

在物理教學過程中思維的發(fā)展路徑大體經(jīng)歷從感性上升為理性的過程(圖1).學生發(fā)展的內(nèi)在動力是他們與生俱來的好奇心與求知欲，在引入階段為學生提供豐富有趣的感性材料，引導學生基于現(xiàn)象本質(zhì)進行分析、抽象、概括，建立物理模型，幫助學生根據(jù)實驗現(xiàn)象進行分析歸納，或運用已學知識完成演繹推理，在此基礎(chǔ)上，指導學生合理應(yīng)用和拓展知識，例如開展小組合作自制簡易的生活器材等活動，在知識應(yīng)用和科學實踐中活躍批判性思維和創(chuàng)新思維，逐步實現(xiàn)思維的發(fā)展.

圖1 思維發(fā)展的路徑與方法

3 促進學生思維發(fā)展的具體方法

3.1 提供感性材料為深層認知加工奠定基礎(chǔ)

物理學的特點在于“物”和“理”.“物”在于“事實依據(jù)”，必須以實驗為基礎(chǔ)，“理”在于理性思維，以思維為中心[1].基于物理實驗提供感性材料，創(chuàng)設(shè)問題情境，賦予學生表象認知，不僅可以激發(fā)學生的好奇心，也助于學生從情境中提出問題，并就此展開思維.

新課引入作為課堂教學的起始環(huán)節(jié)，是開拓學生思維的關(guān)鍵所在.根據(jù)對展示教學案例的統(tǒng)計分析， 86.7%(共13人)的展示者在引入環(huán)節(jié)通過親身實驗來設(shè)置懸念.例如，“通電導線在磁場中的受力”的展示者利用“聽話的秋千”(圖2)設(shè)疑激趣，“秋千”由銅棒、導線、支架、開關(guān)以及卡通紙片組成，在不接觸它的情況下，用一個神奇的“物塊”(磁鐵)可以隨心所欲使秋千向前或向后擺動；“平面鏡成像”的展示者通過魔術(shù)(圖3)創(chuàng)設(shè)情境：黑色的魔術(shù)箱內(nèi)只有一把白色靠椅，關(guān)上魔術(shù)箱側(cè)門并再次打開，在靠椅上變出了玩具娃娃；“全反射”的展示者演示“水流導光”現(xiàn)象，如圖4所示，在實驗中，光并非沿直線傳播，反而隨波逐流.13.3%(共2人)的展示者播放了精心挑選的視頻資料抓住學生眼球.例如“超重與失重”的展示者播放太空課堂視頻，展現(xiàn)宇航員的“空中飛行”和“大力神功”技能；“重力勢能”的展示者播放雪崩視頻，突顯雪崩的超強破壞力，給學生強烈的視覺沖擊.

圖2 聽話的秋千

各位展示者在新課引入中提供了各式各樣的感性材料以創(chuàng)設(shè)真實物理情境，或神奇的現(xiàn)象，或有趣的魔術(shù)，或震撼的視頻等.這些感性材料給學生深刻的感性認識，成為認知形成的重要依據(jù)和思維的起點.但觀察“所見”無法直達客觀的概念與規(guī)律，需要引導學生對物理現(xiàn)象或過程進行深層認知加工，對學習材料進行深入思考、辨別和建立內(nèi)在聯(lián)系.

圖3 魔術(shù)娃娃

圖4 水流導光

3.2 聚焦思維發(fā)展 走向深度教學

科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，這些既是在探索自然和建構(gòu)理論體系過程中運用的典型思維方式，也是學生學習和運用物理知識和方法過程中必備的科學思維能力[2].深度教學是以發(fā)展學生的高階思維為目標，要求引導學生能自覺整合知識，將新知融入原有的認知結(jié)構(gòu)之中，建構(gòu)眾多思想之間的有效聯(lián)系，讓學生深度參與教學過程，引起學生深入思考，并能夠靈活遷移解決實際問題[3].不難看出，只有在物理教學中充分聚焦學生科學思維發(fā)展，才能真正走向深度教學.

3.2.1 注重模型建構(gòu)，深入物理本質(zhì)

物理建模是一種重要的科學思維，也逐漸成為基礎(chǔ)物理教育研究的熱點.模型建構(gòu)即從復雜的現(xiàn)象中，抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出它們之間的正確關(guān)系，建構(gòu)足以描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程[4].基于功能視角可以將模型分為8類：尺度模型、類比模型、圖像和符號模型、數(shù)學模型、不表示數(shù)學關(guān)系的圖表和表格、理論模型、概念-過程模型、系統(tǒng)模型[5].在本屆展示中，有40%(共6人)的展示者明確表示通過建構(gòu)模型來深化學生對相關(guān)概念和規(guī)律的理解.圖像和符號模型、概念-過程模型、數(shù)學模型是教學展示中建構(gòu)的主要模型.

例如“變壓器”的展示者首先讓學生初步認識生活中的變壓器， 之后引導學生觀察實驗室中簡易變壓器的結(jié)構(gòu)，待了解變壓器的主要元素及基本構(gòu)造后，帶領(lǐng)學生認識變壓器的示意圖和在電路中的符號，如圖5所示，從而保證學生正確地建構(gòu)“變壓器”的圖像和模型.“靜電屏蔽”的參展選手基于“強電壓下金屬籠中的人安然無恙”的現(xiàn)象分析電場中導體的特點，引導學生將復雜的問題抽象概括為物理模型，提煉出處在外電場E0中導體內(nèi)部電荷分布情況，如圖6所示，讓學生正確理解電荷排布的動態(tài)過程以建構(gòu)靜電屏蔽的概念-過程模型.“法拉第電磁感應(yīng)定律”的展示者讓學生自主探究，利用自制教具(圖7)完善數(shù)據(jù)表格(表1)，接下來與學生共同對數(shù)據(jù)表格(圖8)進行分析，并讓學生畫出感應(yīng)電動勢與磁通量變化率之間的關(guān)系圖像，綜合表格、函數(shù)圖等數(shù)學模型得出法拉第電磁感應(yīng)定律.

圖5 變壓器及模型

圖6 電荷分布

圖7 驗證法拉第電磁感應(yīng)定律的教具以及原理圖

圖8 感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的函數(shù)圖

表1 線圈匝數(shù)為400匝時磁通量變化率對應(yīng)的感應(yīng)電動勢

3.2.2 落實科學推理，發(fā)展深度思維

科學推理是科學思維的高級形式，更是學生在物理解題中必備的關(guān)鍵能力.據(jù)統(tǒng)計分析，86.7%(共13人)的展示者將發(fā)展學生科學推理能力作為本堂課的教學目標，在教學活動中通常采用實驗歸納和理論歸納兩種形式落實科學推理.

實驗歸納主要通過實驗觀察物理現(xiàn)象，歸納、總結(jié)出物理規(guī)律.學生參與到實驗活動中，在教師引導下去感知實驗，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，展開基于實驗現(xiàn)象或數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)果的歸納推理.例如“平面鏡成像”的展示者自制了平面鏡成像探究儀，如圖9所示.

圖9 平面鏡成像演示儀

圖中物是紅燈，綠燈用來代替紅燈的像，當紅燈的像和綠燈重合時，就會出現(xiàn)黃燈，以此來探究平面鏡成像特點.學生做出適當?shù)牟孪牒?，分小組合作，自主探究像與物的大小關(guān)系、像與物的位置關(guān)系以及平面鏡所成像的虛實情況，觀察分析實驗現(xiàn)象，師生互動得出實驗數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)出“等大”“等距”“垂直”和“虛像”的實驗結(jié)論.

展示課中另一推理過程屬于理論歸納，先基于已有認識進行理論分析，推導出新的物理規(guī)律后再開始實驗驗證，促進學生深度思維的發(fā)展.例如參展“自感和互感”的選手通過演示“隔空點亮小燈泡”引發(fā)學生思考，接著引導學生回顧法拉第電磁感應(yīng)定律，并讓學生自主討論引起磁通量變化的原因，推導得出電流的變化也會引起感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生.再利用自制教具(圖10)進行實驗驗證：一個線圈中的電流變化會產(chǎn)生變化的磁場，從而引起磁通量的變化，并在另一個不與之相連的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使燈泡發(fā)亮、蜂鳴器發(fā)聲，指導學生歸納出互感現(xiàn)象.

圖10 自感與互感演示教具

3.2.3 激勵質(zhì)疑論辯，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

創(chuàng)新能力就是人們運用已經(jīng)掌握的知識、經(jīng)驗產(chǎn)生出某種新穎、獨特的問題解決方案，從而有效解決實際問題的能力[6].20%(共3人)的展示者預(yù)留課外實驗，讓學生分小組合作，親歷制作過程，激勵他們在真實情境中發(fā)散思維，對不同觀點和方案提出質(zhì)疑猜想，進行科學論辯，提出有創(chuàng)造力的見解與想法，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.如在學習完“通電導線在磁場中的受力”后，督促學生利用電池、磁鐵和線圈等器材設(shè)計方案并完成簡易電動機的制作；在講解超重和失重的本質(zhì)特征后，指導學生查閱資料，制作超重失重演示儀裝置，學生在儀器制作過程中可充分發(fā)散思維，尋找解決思路；再如認識自感互感現(xiàn)象后，鼓勵學生利用線圈和手機等器材自制無線充電器，認識到物理的發(fā)展促進了科技的進步，從而能增強學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.

4 總結(jié)與啟示

各位展示者為中學物理教育奉獻了一場精彩絕倫的教學盛宴，盡顯教壇活力和創(chuàng)新亮點.科學思維發(fā)展的一般路徑需經(jīng)歷從感性到理性的過程，教學中可通過提供充足的感性材料，讓學生敢于質(zhì)疑、勤于思考，在此基礎(chǔ)上，引導他們運用分析、綜合、抽象和概括等邏輯思維方法，對感性材料進行思維加工，進而總結(jié)歸納出事物的本質(zhì)特征，使學生在形成概念，掌握規(guī)律的同時，讓學生能夠有機會利用直覺、靈感、想象等非邏輯思維方法，從而充分促進學生科學思維能力的發(fā)展.

通過對本屆教學技能展示活動分析，依然能反映一些問題.核心素養(yǎng)的教學理念尚未大面積普及；建模教學雖然已經(jīng)引起了物理教育學界的關(guān)注，但精髓卻并未為大家熟知.建模教學注重讓學生經(jīng)歷建模過程，逐步深入科學本質(zhì)，但從展示課來看，更多的是重視建構(gòu)模型本身，很少關(guān)注建模過程；在科學推理的過程中，由于時間限制，新概念和新規(guī)律的講解多數(shù)由教師完成推理，給學生思考和科學論辯的時間十分有限，且發(fā)展創(chuàng)新能力尚待重視.