建構(gòu)思考框架 發(fā)展高階思維 ①
——以“萬有引力與航天”的習(xí)題教學(xué)為例

黃 皓

(江蘇省無錫市第一女子中學(xué),江蘇 無錫 214002)

1 問題的提出

“萬有引力與航天”一章歷來是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生往往是一聽就懂、一做就錯(cuò),即便教師反復(fù)講解,情況也無多大改觀。教師的困惑是:解答“萬有引力與航天”的習(xí)題,無非是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和圓周運(yùn)動(dòng)公式的應(yīng)用,可學(xué)生解題如此困難,原因何在?

“萬有引力與航天”一章的教學(xué)困難起源于學(xué)生不能直達(dá)問題的核心,進(jìn)而在遇到復(fù)雜問題時(shí),無法調(diào)用高階思維,會(huì)一籌莫展。那么,破解之策又在何處?

2 高階思維沉睡的根源

高階思維沉睡的原因主要在于現(xiàn)行教學(xué)模式耗費(fèi)了學(xué)生的大量精力去學(xué)習(xí)各種知識(shí)、技能,卻忽視了高階思維能力的培養(yǎng),只學(xué)習(xí)知識(shí)而不深究方法，最終很可能導(dǎo)致思維窄化。

從雙基的角度來看,“萬有引力與航天”一章涉及的知識(shí)點(diǎn)并不復(fù)雜,問題是學(xué)生沒有真正理解知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系。

當(dāng)學(xué)生自己面對問題時(shí),大多數(shù)人的第一反應(yīng)是自問“以前是怎么做的？老師怎么做的？如果上述反應(yīng)都得不到結(jié)果的話,基本上內(nèi)心深處是在重復(fù)：怎么辦？怎么辦？學(xué)生無一例外在雙基上下了功夫,然而他們沒有或缺少足夠的機(jī)會(huì)去獨(dú)立分析、冷靜思考,從而放棄了與生俱來的強(qiáng)大思考能力?？偟膩碚f,教師磨練多年,見多識(shí)廣,所以面對各種常見問題時(shí),確實(shí)可以“游刃有余”;然而一旦面對全新的情景,沒有可供模仿、借鑒的經(jīng)驗(yàn),往往也會(huì)不知所措。從這個(gè)角度看,學(xué)生其實(shí)是教師的“鏡像”,筆者認(rèn)為這就是“萬有引力與航天”習(xí)題教學(xué)困境的核心。那么,我們是否能夠喚醒、調(diào)用并發(fā)展沉睡的高階思維?答案是肯定的。

3 建構(gòu)高效的思考框架

教師應(yīng)該順應(yīng)人腦的運(yùn)作模式,建構(gòu)高效的思考框架,幫助學(xué)生將需要解決的問題抽象、轉(zhuǎn)化成一種可以快速調(diào)用已有知識(shí)、技能的清晰指令,這套思考框架由以下三個(gè)步驟構(gòu)成。

3.1 從問題表象中鎖定本質(zhì)目標(biāo)

例1：宇宙中存在由質(zhì)量相等的四顆星組成的四星系統(tǒng),四星系統(tǒng)離其他恒星較遠(yuǎn),通常可忽略其他星體對四星系統(tǒng)的引力作用。已觀測到穩(wěn)定的四星系統(tǒng)存在兩種基本的構(gòu)成形式:一種是四顆星穩(wěn)定地分布在邊長為a的正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上,均圍繞正方形對角線的交點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)周期為T1;另一種形式是有三顆星位于邊長為a的等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上,并沿外接于等邊三角形的圓形軌道運(yùn)行,其運(yùn)動(dòng)周期為T2,而第四顆星剛好位于三角形的中心不動(dòng)。試求兩種形式下,星體運(yùn)動(dòng)的周期之比T1/T2。

分析：在習(xí)題教學(xué)中,不必急著給出解答的方法或正確的答案,而是先“鎖定本質(zhì)目標(biāo)”。對于例1,很多學(xué)生反饋說:題目太長,沒耐心看(問題表象)。針對這個(gè)問題,教學(xué)需要達(dá)成的目標(biāo)是什么?縮短題目長度?很難做到也沒有實(shí)際意義。但如果教師回歸到學(xué)生的視角,順藤摸瓜分析下去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)清晰的線索:學(xué)生看不下去是因?yàn)闆]興趣,沒興趣可能是因?yàn)榱?xí)題內(nèi)容與學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)相關(guān)度小,教師授課時(shí)一般不會(huì)涉及四星系統(tǒng);也可能是因?yàn)榱?xí)題主題結(jié)構(gòu)紊亂,原題沒有配圖、可讀性不足。

由此,教師應(yīng)先找到真正需要解決的“目標(biāo)”,理解學(xué)生的急切需求，改變切入方向，提升習(xí)題教學(xué)的邏輯性和實(shí)效。

3.2 用精準(zhǔn)的語言傳達(dá)目標(biāo)指令

筆者之所以強(qiáng)調(diào)“精準(zhǔn)”，是因?yàn)閺哪X科學(xué)的角度來看,大腦是基于實(shí)體環(huán)境進(jìn)化過來的,這導(dǎo)致大腦并不擅長處理模糊性問題,模糊、泛化的語言使人很難調(diào)用高階思維。為了調(diào)用高階思維,一定要用簡潔、清晰、無歧義的語言給大腦下達(dá)指令,當(dāng)遇到的問題比較復(fù)雜時(shí),最好能寫出來。

在習(xí)題教學(xué)中,教師都規(guī)范板演,對學(xué)生提出要求:明確物理情景,畫出草圖,選好研究對象,根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇物理規(guī)律列方程。筆者在教學(xué)實(shí)踐中,在細(xì)化要求的基礎(chǔ)上再強(qiáng)調(diào)了一點(diǎn):初學(xué)時(shí)必須在草稿紙上把它們寫出來,待熟練掌握后可口頭說明。操作次序如下:(1) 畫草圖。(2) 標(biāo)出研究對象。(3) 明確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：是否為勻速圓周運(yùn)動(dòng)？軌道是圓還是橢圓?(4) 求出合力。(5) 根據(jù)已知條件選擇加速度的表達(dá)式。(6) 根據(jù)牛頓第二定律求解。(7) 檢查結(jié)果中各物理量是否已知。有了這些細(xì)化后的簡潔、清晰、無歧義的指令后，只需要從頭腦知識(shí)庫中調(diào)用最適合的技能、經(jīng)驗(yàn)(規(guī)律、公式等),即可有條不紊地完成任務(wù)。

有了上述流程,學(xué)生解題就有了抓手,不再盲目地等待教師給予,方向性錯(cuò)誤得以減少。學(xué)生開始主動(dòng)探索未知,能夠圍繞問題思考、推演,最終得出結(jié)論。較高的正確率給他們帶來了成功的體驗(yàn),會(huì)激發(fā)他們對物理的學(xué)習(xí)興趣。

3.3 推導(dǎo)關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)

對于實(shí)際問題,解讀出目標(biāo)之后,緊接著要做的是:在資源、信息和時(shí)間受限的情況下,如何找到關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)?對此,腦神經(jīng)機(jī)制的研究者給出了回答。不妨回溯史前社會(huì)中的原始人捕獵的方式，鎖定獵物(目標(biāo))后,獵人會(huì)先識(shí)別目標(biāo)參與者并進(jìn)行分析。分析內(nèi)容的有：野鹿(目標(biāo))、獵人自身、外族獵人、猛獸、其他非相關(guān)獵物(比如兔子、小鳥,可能會(huì)提前預(yù)警、影響狩獵)。緊接著,獵人從最終目標(biāo)逆向推導(dǎo),綜合分析出捕獲獵物需要克服的主要障礙:(1) 野鹿的行為可否預(yù)測?(2) 弓箭的力量可否一擊致命?(3) 在有效射程范圍內(nèi)是否會(huì)被察覺?(4) 周邊有無會(huì)搶奪獵物的威脅者(如外族獵人、猛獸)？

分析至此,結(jié)合當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況,就不難判斷出達(dá)成目標(biāo)的關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)。假設(shè)獵人對野鹿的行為特性很清楚,對弓箭的力量也有把握,那么關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)就是判斷有無搶奪獵物的威脅者。但如果獵人確認(rèn)周邊沒有威脅者,但對弓箭的力量信心不足,那么,關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)就是盡量靠近野鹿而不被其察覺。

由此可見,對于同樣的目標(biāo),主體不同或者環(huán)境不同,關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)很可能完全不同。因此,如果需要調(diào)用高階思維,就必須順勢而為。

例2：一衛(wèi)星繞某行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng),已知行星表面的重力加速度為g0,行星的質(zhì)量M與衛(wèi)星的質(zhì)量m之比M/m=81,行星的半徑R0與衛(wèi)星的半徑R之比R0/R=3.6,行星與衛(wèi)星間的距離r與行星的半徑R0之比r/R0=60。設(shè)衛(wèi)星表面的重力加速度為g,求衛(wèi)星表面的重力加速度與行星表面的重力加速度的比值。

在解題過程中，首先鎖定目標(biāo)：行星和衛(wèi)星表面的重力加速度g的比值;其次識(shí)別目標(biāo)參與者：星球表面的重力加速度g(目標(biāo))、行星和衛(wèi)星的質(zhì)量、行星和衛(wèi)星的半徑R、衛(wèi)星的軌道半徑r;再從最終目標(biāo)逆向推導(dǎo),綜合分析出與衛(wèi)星的軌道半徑r相關(guān)的是衛(wèi)星在軌道上的向心加速度an,它與目標(biāo)無關(guān);最后關(guān)鍵執(zhí)行項(xiàng)自然就是應(yīng)用“在星球表面附近,重力近似等于萬有引力”的結(jié)論,問題迎刃而解。

這樣的教學(xué)過程,能夠圍繞特定目標(biāo),思維維持在較高的認(rèn)知水平上,需要有意識(shí)地付出持續(xù)的心理努力;解題不再是超量重復(fù)后的“條件反射”,保障了學(xué)生有所為、有所思、有所得,高階思維的發(fā)展也就落到了實(shí)處。

總之,當(dāng)遇到復(fù)雜問題時(shí),通常無法直接套用已往的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、技能。但按照上述思考框架,即可喚醒高階思維,大腦得以直接調(diào)用知識(shí)、技能來解決問題,知識(shí)和技能隨之上升到經(jīng)驗(yàn)和思想層面,高階思維得以發(fā)展。

4 結(jié)語

當(dāng)下爭論了多年的知識(shí)碎片、知識(shí)體系的問題,其爭論焦點(diǎn)從一開始就有待商榷。所謂“創(chuàng)新”就是在打破常規(guī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出具有現(xiàn)實(shí)意義的東西,當(dāng)真實(shí)問題出現(xiàn)時(shí),它絕不會(huì)在你耳邊說:“只要用昨天學(xué)的知識(shí)甲和前天學(xué)的知識(shí)乙就能解決”。學(xué)生最欠缺的不是知識(shí)、技能,而是學(xué)會(huì)思考,學(xué)會(huì)調(diào)用高階思維、發(fā)展高階思維，這樣才能指導(dǎo)、保障、促進(jìn)和改善我們的物理教育實(shí)踐。