通過合理設(shè)問培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

蔣汶洋

摘? ?要：科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要的組成部分，對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)應(yīng)當體現(xiàn)在教育教學(xué)的實踐過程當中。教師可以通過科學(xué)、合理、有效地設(shè)問，為學(xué)生還原科學(xué)思維過程。文章以《電場強度》教學(xué)片段為例，介紹在教學(xué)過程中如何通過合理設(shè)問，引導(dǎo)、培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、科學(xué)推理能力、科學(xué)論證能力以及質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;合理設(shè)問;核心素養(yǎng);教育實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0066-4

1? ? 合理設(shè)問在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維中的作用

我國2017年頒布的普通高中課程方案及各學(xué)科課程標準將發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)作為此次修訂工作的重要理念，其包含的學(xué)科核心素養(yǎng)需要每一位教育教學(xué)工作者深入思考并認真實踐。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，這四個方面的內(nèi)容對于培養(yǎng)全面發(fā)展和具有終身學(xué)習(xí)能力的學(xué)生來說都發(fā)揮著不可替代的作用。其中，科學(xué)思維是一種內(nèi)隱的思維模式，其思考對象是關(guān)于所有與科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的主題、內(nèi)容或問題，思考者通過熟練地運用其自身思維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和知識本體，以達到提高自身思維品質(zhì)的目的。作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)應(yīng)當體現(xiàn)在教育教學(xué)的實踐過程當中。

科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。因此，對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)就應(yīng)當落實在對學(xué)生的模型建構(gòu)能力、科學(xué)推理能力、科學(xué)論證能力、質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高上。通過高中物理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該具有模型建構(gòu)的意識和能力;能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論;具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測;具有批判性思維的意識，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新。

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是一項科學(xué)教育當中的教育實踐活動，其本質(zhì)離不開教師與學(xué)生在一定教學(xué)設(shè)計前提下的以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的交流與互動。然而，許多中學(xué)生由于閱歷相對較淺，缺少解決問題的經(jīng)驗，缺乏運用科學(xué)思維解決問題、掌握知識的動機等，他們尚且不能自發(fā)調(diào)動自己各方面的科學(xué)思維能力，更不必說在已有素養(yǎng)的基礎(chǔ)上進一步提高其科學(xué)思維。此時，作為課堂主導(dǎo)者的教師就應(yīng)該積極發(fā)揮自己的輔助角色，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)合適的問題情境，幫助學(xué)生明確當前要解決的目標和任務(wù)，并在學(xué)生感到困惑時及時給予點撥和鼓勵，做好學(xué)生的“助產(chǎn)士”，使學(xué)生學(xué)會運用科學(xué)思維提出問題、解決問題、積累經(jīng)驗、掌握知識，同時使其科學(xué)思維能力循序漸進地得到提高。

在高中物理課堂中，對于某些物理概念的學(xué)習(xí)，教師若采用單刀直入的方式直接提出，雖然可以在最短時間內(nèi)為學(xué)生呈現(xiàn)相關(guān)概念，提高了教學(xué)效率。但如此“填鴨式”的教學(xué)并不利于學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成，不能充分施展教學(xué)的有效性，與新課標的教育理念不符。筆者認為，設(shè)問作為教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，可以起到創(chuàng)設(shè)問題情境、明確目標和任務(wù)、啟發(fā)鼓勵思考等作用。因此，教師可以通過科學(xué)、合理、有效地設(shè)問，為學(xué)生還原科學(xué)思維過程。本文以《電場強度》的教學(xué)片段為例，嘗試通過合理設(shè)問的方法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2? ? 《電場強度》教學(xué)案例

2.1? ? 通過合理設(shè)問促進學(xué)生模型建構(gòu)思維養(yǎng)成

片段1 “試探電荷”概念的提出

在《電場強度》一節(jié)中，有一個看似不起眼，但卻十分重要的概念——試探電荷。這一概念的教學(xué)可以這樣設(shè)計：

老師先用起電機為一個金屬球帶上電，拿起金屬球，說：“通過起電機，金屬球帶上了電，它的周圍就形成了電場，金屬球上的電荷是電場的來源，所以我們將金屬球所帶電荷稱為場源電荷。電場看不見也摸不著，那如何來研究它呢？”

學(xué)生思考片刻。

師：“就好比前方有一片黑暗的森林，我們不知道里邊的情況，此時可以派一頭野豬進去試探一下，如果它出來的時候口吐白沫，說明森林對其身體起了某些不良作用。同樣，要研究看不見的電場，也得派一個東西進去試探一下，派什么呢？”

生：“派電荷?！?/p>

師：“為什么派的是電荷呢？”

生：“因為電場對電荷有作用。”

師：“很好，那我們給這個電荷取個名字吧，就叫試探電荷?！?/p>

模型建構(gòu)作為一種認識手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問題和情境，在對客觀事物抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程。建構(gòu)模型有助于幫助學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維。本教學(xué)片段中，教師在帶電金屬小球試探電場情況的基礎(chǔ)上，巧妙地構(gòu)建出一個野豬被派進黑暗森林試探情況的故事模型，引發(fā)學(xué)生思考，幫助學(xué)生提出和理解“試探電荷”這一概念。

2.2? ? 通過合理設(shè)問促進學(xué)生科學(xué)推理思維養(yǎng)成

科學(xué)教育研究和實踐中所提出的科學(xué)推理，不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量、組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式。

片段2 定性推理——對“試探電荷”的要求

緊接著，老師拿起金屬球，邊比劃邊說：“為了能夠確切地研究電場中某個點的情況，對試探電荷有沒有什么要求？”（重讀“某個點”）

生：“試探電荷體積不能太大了。”

師：“對，太大了就無法準確到某個點的研究。還有嗎？”

學(xué)生思考。

師：“通過學(xué)習(xí)前面的知識，我們知道電荷之間存在相互作用，要研究場源電荷形成的電場，試探電荷就不能影響場源電荷的分布，所以，還應(yīng)該對試探電荷有何要求？”

生：“試探電荷的電量不能太大了?！?/p>

在該教學(xué)片段中，教師通過合理、有效的問題，結(jié)合對先前學(xué)科知識的回顧，以及適當?shù)恼n堂提示，引導(dǎo)學(xué)生通過已有經(jīng)驗抽象、概括出對于“試探電荷”的要求。在師生啟發(fā)式的一問一答過程中，學(xué)生嘗試著進行定性的科學(xué)推理，獲取研究問題的基本思路和方法。

片段3 定量推理——用比值法定義電場強度

人教版教材上對于為什么用比值法定義電場強度有一定的描述，教師應(yīng)該充分利用教材，結(jié)合學(xué)生情況，設(shè)計具體教學(xué)過程：

在學(xué)生學(xué)案上有一張簡單的表格，讓學(xué)生完成（見表1）。

在O位置放置一正的點電荷Q=+2×10-8 C，在其產(chǎn)生的電場中的A位置和B位置分別放入不同電量的試探電荷q，OA=0.3 m，OB=0.6 m，計算試探電荷所受靜電力的大?。▎挝唬篘），填入表1。（k=9.0×109 N·m2/C2）

等學(xué)生完成表格后，展示學(xué)生的數(shù)據(jù)。

問：“有的同學(xué)在完成這個表格時，速度特別快，有什么快速計算的方法嗎？”

生：“當試探電荷電量成倍數(shù)關(guān)系時，由庫侖定律可知它所受的力也成倍數(shù)關(guān)系?！?/p>

師：“很好，那請大家對比表格中的數(shù)據(jù)，采用控制變量的方法分析數(shù)據(jù)，能得出哪些結(jié)論？”

生：“當把同一個電荷放在不同位置時，試探電荷所受到的力是不同的?！?/p>

師：“那說明什么？”

生：“說明在電場中不同位置的電場強弱不同。”

師：“如果在同一個位置放入不同的試探電荷，又能得到什么結(jié)論呢？”

生：“說明試探電荷電量不同，在同一位置所受的力不同，并且力的大小與試探電荷的電量成正比?！?/p>

上述教學(xué)過程中，教師沒有直接指出用比值法定義電場強度，而是先通過一個表格為學(xué)生提供問題情境。在學(xué)生計算的過程中，對于數(shù)據(jù)有更深刻的體會之后，讓學(xué)生從數(shù)據(jù)入手，定量地對表格進行相關(guān)問題的科學(xué)推理，通過問題讓學(xué)生找出規(guī)律，形成結(jié)論。再用結(jié)論去重新分析、評估表格中的數(shù)據(jù)，對之前的問題進行解釋。在該過程中，運用了非常重要的科學(xué)推理方法——控制變量法，讓學(xué)生理解用比值法定義物理量的意義，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.3? ? 通過合理設(shè)問促進學(xué)生科學(xué)論證思維養(yǎng)成

片段4 討論比值法來定義電場強度的科學(xué)性

師：“那可不可以用試探電荷所受到的力來表示某點的電場的強弱呢？”

學(xué)生思考。

師：“我們研究的對象是場源電荷產(chǎn)生的電場，那么該電場的分布、強弱應(yīng)該是由場源電荷自身決定的，會不會隨著引入的試探電荷的變化而變化呢？”

生：“不會，所以不應(yīng)該用力來表示電場強弱?！?/p>

師：“那在計算的過程中，同學(xué)們認為可以用什么量來表示某點電場的強度呢？”

生：“用力與試探電荷電量的比值，因為比值是不變的。”

師：“很好，在某一個確定的點，力與電量的比值是不變的，所以我們可以用它來定義某點的電場強度。那A點和B點比值是不一樣的，說明什么？”

生：“說明A、B兩點電場強度是不一樣的。”

師：“所以將相同的試探電荷放入不同的點所受到的力是不相同的，與前面的結(jié)論相符，也說明了用比值法來定義電場強度的科學(xué)性?！?/p>

科學(xué)論證是以科學(xué)知識為中介，積極面對問題，對所獲得的數(shù)據(jù)資料進行解釋說明，提出自己的論點，反思自己和別人論點的不足并提出反論點，同時能反駁他人的質(zhì)疑和批判的高階思維能力。在這一教學(xué)片段中，由于學(xué)生的個人知識儲備和經(jīng)驗不足，所以由教師幫助學(xué)生提出問題、指明論點——“用試探電荷所受到的力來表示某點的電場的強弱”。在學(xué)生聯(lián)系先前知識和經(jīng)驗來判斷論點、回答問題的過程之中，實際上就已經(jīng)在教師指導(dǎo)下進行科學(xué)論證的初步操練了。

2.4? ? 通過合理設(shè)問促進學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維養(yǎng)成

片段5 設(shè)計實驗檢驗電場強度的矢量性

在《電場強度》這一課中，關(guān)于場強的矢量性，一直以來都是由教師直接告訴學(xué)生電場強度是矢量，滿足平行四邊形定則。其實，教師可以在課堂上通過設(shè)問的方法，引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑，創(chuàng)新思考。

師：“電場強度是矢量還是標量呢？”

生：“是矢量，因為試探電荷在不同位置受力方向不同?！?/p>

師：“矢量還應(yīng)該遵循平行四邊形定則，電場強度是否是矢量，還需要用科學(xué)方法進行驗證，應(yīng)該怎么去驗證呢？”

學(xué)生思考。

師：“現(xiàn)代技術(shù)有一些方法可以測出某點場強的大小，比如傳感器可以測出磁場的場強大小。如果有一個傳感器可以測出電場強度的大小，那么我們可以怎樣設(shè)計實驗去驗證它的矢量性呢？留給同學(xué)們思考?！?/p>

質(zhì)疑創(chuàng)新的核心是科學(xué)創(chuàng)造力。科學(xué)創(chuàng)造力是在科學(xué)知識學(xué)習(xí)、科學(xué)問題解決和科學(xué)活動創(chuàng)造中，根據(jù)一定的目的，運用一切已知信息，在新穎、獨特且有價值地（或恰當?shù)兀┊a(chǎn)生某種產(chǎn)品的過程中表現(xiàn)出來的智能品質(zhì)或能力。上述教學(xué)片段中，教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到電場強度的矢量性，但并不直接告訴學(xué)生如何檢驗電場強度的矢量性，而是通過介紹傳感器這一工具，幫助學(xué)生思考。設(shè)計這一過程可以讓學(xué)生根據(jù)已有的知識經(jīng)驗引發(fā)思考，質(zhì)疑創(chuàng)新。

3? ? 小? ?結(jié)

在教學(xué)過程中，將知識直接灌輸給學(xué)生，雖然節(jié)省時間和精力，但這樣的教學(xué)過程對于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)是不利的。學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練和培養(yǎng)不僅僅在某一章節(jié)的學(xué)習(xí)中，而更在于長期的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，建立學(xué)習(xí)內(nèi)容前后的關(guān)聯(lián)意識和在物理概念、規(guī)律學(xué)習(xí)過程中對教材中隱性知識和思維的挖掘，然后將其形成一系列問題引導(dǎo)學(xué)生探索事物的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意識和能力。

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（欄目編輯? ? 張正嚴）