課程教學觀視角下高中物理科學思維目標體系的建構及其有效性探究

楊 貴

(紅河哈尼族彝族自治州第一中學 云南 紅河 661100)

李燕瓊

(蒙自市第四中學 云南 紅河 661100)

為落實“立德樹人”教育根本任務，2016年中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布：“以人為本”從人的個體性、社會性和文化性出發(fā)，凝練了發(fā)展學生核心素養(yǎng)的18項綜合指標，其中關于思維方法、思維品質的指標為“理性思維、批判質疑”.為實踐落實各項“核心素養(yǎng)”指標，2017年以來各學科課程標準頒布，學校就作為核心素養(yǎng)有效實施的“主陣地”，學科課堂就成了核心素養(yǎng)落地生根的“前鋒營”.物理學科作為核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要學科，其核心素養(yǎng)包括 “物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任” 4個方面，“科學思維”是物理學科核心素養(yǎng)的關鍵性素養(yǎng)，是培養(yǎng)“理性思維、質疑創(chuàng)新”指標的核心要素.本文在課程教學觀視角下對科學思維、模型建構、科學推理等內容進行拓展，構建了高中物理科學思維目標體系，有助于增強“思維素養(yǎng)”培養(yǎng)的整體銜接性，有助于“科學思維”教學實施及評價.

1 “科學思維”目標體系的構建

1.1 追問：課程教學觀視角

教育目標的實踐需考慮以下問題：(1)教育目標是什么？(2)為實現(xiàn)教育目標課程標準、教材怎么編寫？(3)為落實課程標準，教師怎樣把課程標準精神和教材知識高效精準地傳授給學生？(4)學生怎樣高效的學習、自主發(fā)展，提升自身的文化基礎？從怎樣有效地編寫課程標準、教材的視角審視教育實踐活動，稱之為課程觀視角；從學生怎么樣高效學習、自主發(fā)展，提升自己文化基礎的視角審視教育實踐活動，稱之為學生觀視角.從教師怎樣高效地使課程標準精神和教材內容，依據(jù)學生認知、身心發(fā)展規(guī)律，開展有效教學設計、實施高效課堂和精準評價的視角審視教育實踐活動，稱之為課程教學觀視角.因此，有效落實“核心素養(yǎng)”，可以走課程觀路徑、學生觀路徑和課程教學觀路徑，課程專家已經(jīng)編寫出物理課程標準和與課程標準保持高度一致性的教材，是走課程觀路徑，本文從課程教學觀視角進行探究.

1.2 追問：科學思維

2017年版普通高中物理課程標準中“科學思維”是指：“從物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式; 是基于經(jīng)驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用; 是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素”[1].要依據(jù)此進行“科學思維”素養(yǎng)的教學設計、教學實施及評價，需要追問以下問題：(1)課程教學觀視角下，科學思維到底是什么？(2)高中物理科學思維要素，除了“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新”4個外，還有哪些其他要素？(3)高中物理模型有哪些？科學推理的特定形式有哪些？

為了回答(1)、(2)兩個問題，需要先明確“思維、科學思維、思維方法”的概念.《辭?！分袑λ季S的描述：“思維”指理性認識(思想)或指理性認識的過程(思考)，是人腦對客觀事物間接的和概括的反映[2]；科學思維強調以實證為判斷的依據(jù)、以邏輯作論證的手段、以質疑作評價的起點[3]；思維方法就是思維主體為達到思維目的，把相關概念和動作因素組合排列成為靜態(tài)的或動態(tài)的具有先后次序、步驟、程序和可以運行的操作過程的總和[4].從課程教學觀視角，“科學思維”是指物理理論體系的建構或應用的思維方法和思維品質.

查閱書籍和文獻資料，關于“思維方法”的框架結構及內容沒有統(tǒng)一的認識：第一種觀點認為，思維的方法是抽象、歸納、演繹、分析與綜合等[5]，包括邏輯思維方法和非邏輯思維方法(直覺、靈感、想象等)[6]；第二種觀點認為，科學思維方式是基于經(jīng)驗事實建構理想模型的抽象概括，是基于科學理性的分析綜合與推理論證，是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑與批判等[7].綜合觀之，科學思維方法包含“抽象、推理、論證、概括、分析、綜合、批判、質疑、創(chuàng)新”等內容.

在“三維目標”教學中：完整意義上的物理教育包括物理知識教育、物理方法教育、物理思想教育、物理觀念教育、物理精神教育.其中“物理思想”諸如：對稱思想、守恒思想、可逆思想、假說思想等[8]；物理科學方法蘊含在概念教材、規(guī)律教材和應用教材中，科學方法諸如：圖像法、比值定義法、整體法和隔離法等[9].此處的“物理方法、科學方法、物理思想”都是構建或者應用物理理論體系的研究方法集，屬于科學思維的范疇.這樣，科學思維就是“過程與方法”的綜合表現(xiàn)，“科學思維”教育與“過程與方法”的距離就近了一層，方便新舊教材的銜接.再次，物理學是一門基于“觀察和實驗”的學科，科學思維方法還應該包括“觀察法與實驗法”；“定性與定量”分析也是物理學應用中常用的思維方法.

綜上所述，物理學更多的是培養(yǎng)“理性思維、質疑批判”的學科，所以這里的科學思維方法指邏輯思維方法.從課程教學觀的視角，物理科學思維方法包括觀察與實驗、抽象與概括、綜合與分析、推理與論證、質疑與批判、創(chuàng)新與創(chuàng)造、定性與定量等.課程標準中“科學思維”的4要素，是科學思維方法中的核心思維方法，這也體現(xiàn)了高中物理核心素養(yǎng)的“核心性”，即“核心”包含了外延的最小化和對象的最大化雙重含義[10].課程教學觀視角下物理科學思維的內容結構如圖1所示.

圖1 課程教學觀視角下物理科學思維內容結構圖

1.3 追問：模型建構與物理模型

物理概念是科學抽象在物理學領域應用的重要成果，所以“物理模型”是指物理概念背后的現(xiàn)實原型或反映特定問題、特定事物本質特征的物理結構.“模型建構”體現(xiàn)的是物理模型的建構過程，是在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上，抓住其關鍵因素，構建能反映其本質特征的理想模型的科學抽象過程[11].理想化方法是模型建構的一種特定形式，比如“質點、點電荷”等模型的建構.

在物理學理論體系的建立和應用過程中，構建了諸多物理模型，比如“原子的核式結構模型、碰撞、輕桿模型”等.關于物理模型的分類，參照不同的分類標準，國內外有較大的差異，為了方便物理模型的教學實施及評價，借鑒國內的分類方法，將物理模型分為模擬式物理模型(電場線、磁場線)、理想模型、實驗模型(光電效應、理想斜面實驗)和知識應用教材中的物理模型(輕桿/細繩/彈簧模型、復合場模型)，理想模型又包括實體模型(點電荷、單擺、光源、理想變壓器)、條件模型(勻強電場/磁場、平行光)、過程模型(碰撞、平拋運動)[12].筆者梳理了2017年版課程標準、新教材及應用教材中的物理模型，為方便模型的教學實施及評價，這里不按照分類標準羅列物理模型，按照教材結構呈現(xiàn)高中物理中的模型，其分布如表1所示.

表1 按教材結構呈現(xiàn)的高中物理模型

1.4 追問：科學推理

科學推理是依據(jù)科學事實、運用邏輯思維，由一個或者幾個科學判斷，得出另外一個未知科學判斷的思維形式，是“核心思維方法”的“核心”，具體表現(xiàn)為：(1)科學推理是構建物理模型、科學論證、質疑和創(chuàng)新的手段和工具；(2)科學推理是學生認識事物、解決問題、指導行為的重要思維方式.

關于科學推理的特定形式，國內外都有研究：國內一線教師俞國富認為，高中物理教材中涉及科學推理的內容很豐富，這些內容主要體現(xiàn)為演繹推理、歸納推理和類比推理[13]；國內知名的課程與教學論專家廖伯琴認為，科學推理是科學思維的重要體現(xiàn)，不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，還包括控制變量、組合推理、概率推理、相關推理、因果推理等推理形式；美國俄亥俄州立大學羅森(Lawson)教授開發(fā)的LCTSR科學推理能力測量表中，推理的維度主要包括守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級控制變量推理、概率推理、相關性推理、假設演繹推理等[14].可以看出，科學推理內容的廣度有所不同，但能夠體現(xiàn)科學推理所包含的豐富內容.另外，物理學是一門“應用數(shù)學工具”的學科，包含了多種數(shù)學推理方法的應用.綜合上述，從課程教學觀視角，科學推理可分為數(shù)學推理方法和物理推理方法，其分類結構如圖2所示.

圖2 課程教學觀視角下高中科學推理的分類結構

1.5 課程教學觀視角下物理科學思維素養(yǎng)指標體系

2017年版高中物理課程標準中，科學思維直接對應“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新”等要素，從課程教學觀的視角審視：科學思維到四要素之間、四要素到教學實施、測評之間跨度較大，教師不易理解和教學實踐.依據(jù)上文對科學思維、科學思維方法、模型建構及科學推理的內容擴展，增加“一級指標(科學思維)、二級指標(思維方法)和細化指標”，構建了如表2所示的高中物理科學思維目標體系.從“指標一”到“細化指標”是逐漸解剖、細化的過程，這就彌補了它們之間的理解空隙和執(zhí)行難的問題.

表2 課程教學觀視角下高中物理科學思維素養(yǎng)目標體系

2 “科學思維”素養(yǎng)目標體系的有效性

2.1 暢通“思維素養(yǎng)”目標培養(yǎng)的物理學徑向 增強科學思維培養(yǎng)的整體銜接性

“思維素養(yǎng)”目標的物理學科徑向為：立德樹人-核心思維素養(yǎng)：理性思維、批判質疑-學科思維素養(yǎng)群(數(shù)學、生物、化學等思維素養(yǎng)集)-物理科學思維方法-物理核心思維方法(模型構建、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新)-物理單元思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標-物理課堂思維目標-思維素養(yǎng)達標檢測.課程教學觀視角下物理科學思維目標體系，增加了“一級指標”體現(xiàn)了思維的物理特性，“二級指標”中的思維方法在數(shù)學、生物、化學等學科中也在培養(yǎng)，與其他學科思維素養(yǎng)構成思維方法群，形成思維方法交集，這樣物理科學思維與核心思維素養(yǎng)就形成有效的銜接；另外，“細化指標”下接“物理單元思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標、課堂思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標及測評”，就打通了物理科學思維從課程標準到實施評價的通道.總之，構建的物理科學思維目標體系，暢通了思維素養(yǎng)物理學徑向的培養(yǎng)之路，使思維素養(yǎng)的培養(yǎng)具有整體銜接性.

2.2 “可視化”科學思維 增強科學思維目標的可操作性

課程教學觀視角下的高中物理科學思維目標體系中：“一級指標”回答了物理科學思維是什么的問題；“二級指標(思維方法)”回答了科學思維方法有哪些內容的問題；“細化指標”回答了“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新”四大核心思維方法的具體內容和要素是什么的問題.這些問題的回答，使科學思維的物理本質特性凸顯，使抽象的科學思維看得見、摸得著、接地氣，“可視化”了物理科學思維.另外，物理科學思維“可視化”，使得“科學思維”的教學設計、課堂實施及測評有據(jù)可查、有理可依，增強了科學思維目標教育的“可操作性”.

2.3 提高“科學思維”學業(yè)質量的精準度 發(fā)揮目標引領作用

課程教學觀視角下高中物理科學思維方法指標體系中“細化目標”，解決了核心思維方法教什么的問題，比如：(1)模型建構維度教的是“模擬式物理模型、理想模型、實驗模型、應用教材中的模型”的建構及應用模型解決問題；(2)科學推理維度教的是應用“數(shù)學推理、物理推理”方法建構物理理論體系，用“數(shù)學推理、物理推理”方法作為工具應用物理理論體系解決問題.但是，“怎么教、教到什么程度？”就需要繼續(xù)追尋：“怎么教？”就是教學設計層面的問題；“教到什么程度？”是學業(yè)質量水平的問題.2017年版普通高中物理課程標準中明確了科學思維的學業(yè)質量水平：情景從簡單到復雜分為5個等級，其中“水平2”是學業(yè)水平合格性考試的命題依據(jù)，對應教材體系中的“必修課程”內容，“水平3”比“水平2”情景更復雜；“水平4”是高考要求，“水平5”面對的是較復雜實際問題情境科學思維的應用，“水平4、水平5”都對應教材體系中“必修課程和選擇性必修課程”的內容.應用目標體系中“細化指標”和“水平”所對應的課程內容，可細化學業(yè)質量水平，以“模型建構”為例，課程標準中關于“模型建構”的學業(yè)質量水平如下.

水平1：能說出一些所學的簡單物理模型；

水平2：能在熟悉的問題情境中應用所學的常見的物理模型；

水平3：能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用所學的恰當?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題；

水平4：能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型；

水平5：能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型；

細化的模型素養(yǎng)學業(yè)水平質量如下.

水平1：能說出質點、點電荷、檢驗電荷、勻速圓周運動等簡單物理模型；

水平2：能在熟悉的問題情境中應用勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、行星的運動、電場線、等勢面等常見的物理模型；

水平3：能在熟悉的問題情境中，根據(jù)情境的類型特點，選用勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、電場線、等勢面等模型解決問題；

水平4：能在實際問題情境中，根據(jù)情境的類型特點，將對象和過程轉化成表1中所學的一個或者多個物理模型解決問題；

水平5：能在較復雜的實際問題情境中，根據(jù)情境的類型特征，將對象和過程轉化建構成表1中的一個或者是多個物理模型解決問題.

通過對比分析，細化后的學業(yè)質量水平更精準，能夠有效地引導教師的教學設計、教學實施及評價，發(fā)揮目標引領作用.