指向批判性思維能力培養(yǎng)的高中物理教學(xué)策略

【摘 要】批判性思維能力屬于高考評價體系中“關(guān)鍵能力”的重要組成部分，是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)之一。以“粒子的波動性”一節(jié)的教學(xué)為例，依據(jù)“感知—質(zhì)疑—假設(shè)—推理—判斷”課堂教學(xué)模型，探索指向批判性思維能力培養(yǎng)的高中物理課堂教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】批判性思維;課堂教學(xué)策略;高中物理

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2021）45-0012-04

【作者簡介】祁紅菊，江蘇省奔牛高級中學(xué)（江蘇常州，213131）教師，高級教師，常州市學(xué)科帶頭人。

《中國高考評價體系》指出，我國的高考評價體系主要由“一核”“四層”“四翼”三部分內(nèi)容組成。“四層”中的“關(guān)鍵能力”包含知識獲取能力、實踐操作能力和思維認(rèn)知能力，而思維認(rèn)知能力主要包括形象思維能力、抽象思維能力、歸納概括能力、演繹推理能力、辯證思維能力和批判性思維能力等六個方面。清華大學(xué)錢穎一教授認(rèn)為，批判性思維是人的思維發(fā)展的高級階段。如果按照層次或深度來劃分，可將科學(xué)思維分為淺層思維和深層思維，批判性思維是深層思維中的高階形式，也是創(chuàng)新思維的重要特征之一。

批判性思維主要包含以下三個特征：一是批判質(zhì)疑，即“會在深入思考的前提下提出質(zhì)疑”，這是批判性思維的起點;二是論證判斷，即“會通過證據(jù)推理作出有說服力的判斷”;三是實踐評價，即“會在實際應(yīng)用的過程中反饋和評價”。這里的“批判性”并不是否定意義上的“批判”，而是審辯和思辨式的、多具有建設(shè)性和創(chuàng)新性的評判。為此，在高中物理課堂教學(xué)中可依據(jù)“感知—質(zhì)疑—假設(shè)—推理—判斷”的模型來進行設(shè)計，如圖1所示。

本文以人教版高中物理選修3-5第17章第3節(jié)“粒子的波動性”為例，結(jié)合上述模型談?wù)勗诟咧形锢碚n堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力的策略。

一、主要教學(xué)過程

1.情境感知，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。

活動1：“光的雙縫干涉實驗”被評為“十大最美麗的物理實驗”之一，也被稱為是歷史上最“詭異”的物理實驗。請同學(xué)們觀看視頻“雙縫干涉實驗：一個顛覆人類世界觀的物理實驗”，然后小組討論，并提出自己的觀點、想法或疑問。

【設(shè)計意圖】在此前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)觀察過光的干涉現(xiàn)象，對光的粒子性也有一定的了解，該視頻不僅重溫了經(jīng)典的“光的雙縫干涉實驗”，而且指出了一個一個光子經(jīng)過雙縫前、后的“詭異”之處。學(xué)生觀看以后，很受震撼，討論非常熱烈，提出了很多在高中物理階段無法解決的想法、觀點和問題，教師順勢推薦《上帝擲骰子嗎？——量子物理史話》等課外科普書籍，建議有興趣的學(xué)生課后閱讀。創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的真實情境，能夠促進學(xué)生內(nèi)化知識，能夠以直觀的矛盾沖突激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激情，從而有效地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的心向和內(nèi)驅(qū)力。

2.重溫史實，培養(yǎng)學(xué)生反思質(zhì)疑能力。

活動2：有記者曾問物理學(xué)家布拉格：“光是波還是粒子？”布拉格幽默地回答道：“周一、三、五它是波，周二、四、六是粒子，周日物理學(xué)家休息。”那么光到底是什么？請同學(xué)們根據(jù)課前布置的任務(wù)，按時間的順序，遵循科學(xué)家的思維足跡，重溫人們對光本性認(rèn)識的發(fā)展歷史。

活動3：請根據(jù)你在課前查閱的資料說明，“光”這種“粒子”跟牛頓“粒子說”中的“粒子”，“光”這種“波”跟惠更斯“波動說”中的“波”有什么不同？

活動4：在現(xiàn)實生活中，我們很難想象一個物體既具有粒子性又具有波動性，也很難將看似矛盾的粒子性和波動性糅合在一個物體身上。請你根據(jù)所學(xué)過的知識，尋找將光的粒子性和波動性完美結(jié)合在一起的“橋梁”。

【設(shè)計意圖】依據(jù)“學(xué)習(xí)即研究”的觀點，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程就是研究的過程。通過物理學(xué)發(fā)展史，學(xué)生既要學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)家在千萬次嘗試中得到的正確的科學(xué)論斷，也要借鑒科學(xué)家從失敗中汲取經(jīng)驗和教訓(xùn)的思維過程。在人們對光的認(rèn)識的發(fā)展歷程中，充滿了質(zhì)疑后提出新觀點、搜集證據(jù)推理論證、作出判斷得出新結(jié)論，然后在實踐中評判和反思的批判性思維過程。借助物理學(xué)史組織教學(xué)，既可以有效地培養(yǎng)學(xué)生不盲從文本、不迷信權(quán)威的質(zhì)疑和批判能力，還可以被科學(xué)家執(zhí)著的科學(xué)精神和毅力所感染，樹立正確的價值觀和世界觀。

3.引導(dǎo)探究，培養(yǎng)學(xué)生提出新主張的能力。

活動5：在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)之前，很多科學(xué)家都認(rèn)為電與磁是沒有任何聯(lián)系的，庫侖就曾斷言：電與磁完全不同，它們不可能相互作用或轉(zhuǎn)化。同樣的道理，在20世紀(jì)之前，人們也都不會想到，波和粒子之間會有聯(lián)系。根據(jù)此前所學(xué)內(nèi)容我們已經(jīng)知道，光這種波也是具有粒子性的。受此啟發(fā)，請同學(xué)們發(fā)揮想象、大膽猜想，能否提出新的問題或觀點？小組討論，提出觀點，分享結(jié)論。

【設(shè)計意圖】在該部分教學(xué)中，教師先通過人們對電與磁關(guān)系認(rèn)識的發(fā)展過程啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生將光的波動性與粒子性之間的關(guān)系與之類比，然后引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象，類比分析，學(xué)生經(jīng)過討論以后，很容易就會提出新的觀點——電子等實物粒子也是具有波動性的，教師此時一定要大聲告訴學(xué)生：偉大的物理學(xué)家德布羅意也是這樣思考并提出著名的物質(zhì)波理論的。培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力的目的之一，是以反思和質(zhì)疑為起點，引導(dǎo)學(xué)生最終能提出新的觀點和主張。通過引導(dǎo)，設(shè)置探究，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要手段。

4.搜集證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的推理求證能力。

活動6：1924年，法國物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者德布羅意用類比的方法來分析問題，他跟剛才同學(xué)們的思路相同，非常大膽地把光的“波粒二象性”推廣到電子、質(zhì)子、中子等實物粒子，并提出假設(shè)：實物粒子也具有波動性，這種波稱為“物質(zhì)波”。若已知某一實物粒子的動量為p、能量為ε，請根據(jù)德布羅意的思路，推導(dǎo)出實物粒子物質(zhì)波的波長和頻率的表達式。小組討論，提出觀點，分享結(jié)論。

活動7：17世紀(jì)以來，牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”一直爭論不休，但誰也說服不了誰，直到19世紀(jì)初期托馬斯·楊完成了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，光的微粒說才暫時偃旗息鼓。請你設(shè)計一個實驗，來證明德布羅意“實物粒子也具有波動性”假說是否正確。小組討論，提出觀點，分享結(jié)論。

【設(shè)計意圖】提出新的觀點“實物粒子也具有波動性”以后，學(xué)生很自然地就想知道，這種物質(zhì)波的波長和頻率由哪些因素決定。此時，教師不是將結(jié)論直接告知學(xué)生，而是引導(dǎo)學(xué)生將類比進行到底：再將實物粒子的波動性與光的波動性相類比，讓學(xué)生通過自己的分析和研究推理出物質(zhì)波波長和頻率的表達式。假說是否成立，需要通過實驗的檢驗，教師再次啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生類比楊氏雙縫干涉實驗設(shè)計驗證實物粒子也具有波動性的實驗。搜集證據(jù)，然后類比推理，最后實驗求證，是非常重要的物理學(xué)科研究思路，在高中物理教學(xué)中應(yīng)用也非常廣泛。通過此種方法，可以快速理解新知識，掌握新規(guī)律。利用類比思想進行分析和研究，然后通過推理得出結(jié)論，是批判性思維的能力要求之一。

5.實踐應(yīng)用，提升學(xué)生的評判反饋能力。

活動8：除了電子以外，后來科學(xué)家還陸續(xù)通過實驗證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子等實物粒子的波動性。由此可以得出結(jié)論：一切微觀實物粒子都具有波動性。據(jù)此你能否可推理得出：一切宏觀物體也具有波粒二象性？如果能，請說明理由。小組討論，提出觀點，分享結(jié)論。

活動9：宏觀物體是具有波動性的，但在宏觀物體運動時，我們?yōu)槭裁从^察不到它們的波動性呢？請你設(shè)計一道實際問題，并通過數(shù)據(jù)計算，說明原因。

學(xué)生設(shè)計了不少情境并進行了計算，典型案例如下：

（1）假設(shè)有一顆質(zhì)量為m =10-2kg的子彈，當(dāng)它以v=500m/s的速度射出槍口時，對應(yīng)的德布羅意波長λ = [hp] = [hmv] = [6.63×10-3410-2·500] m = 1.3×10-34 m = 1.3×10-25 nm。波長太小，波動性太弱，無法測量，觀察不到。

（2）一只乒乓球的質(zhì)量m =2.7g，國際大賽中乒乓球的球速平均約為10m/s，對應(yīng)的德布羅意波長λ = [hp] = [hmv] = [6.63×10-342.7×10-3·10] m = 2.5×10-32m = 1.3×10-23 nm。波長太小，測量不出來。

活動10：已知電子的質(zhì)量m=9.1×10-31kg、電荷量e=1.6×10-19C，則電子從靜止開始經(jīng)過192V電壓的加速后，其德布羅意波的波長多大？

學(xué)生根據(jù)動能定理eU = [12] mv2-0，及λ = [hp] = [hmv]，聯(lián)立后代入數(shù)據(jù)可得λ=0.91nm。

針對此例，教師要向?qū)W生強調(diào)：在電磁波譜中，γ射線的波長最短，最小達10-5nm的數(shù)量級。上例中電子德布羅意波的波長大小處于電磁波家族中的x射線波段，故該電子的波動性較為明顯，可以被觀察到。但在學(xué)生設(shè)計的實例中，子彈和乒乓球的德布羅意波波長即便是跟γ射線相比，也小得太多。因此，對宏觀物體而言，其波動性可以忽略，只考慮其粒子性即可。

【設(shè)計意圖】從電子等微觀粒子具有波動性，推廣到一切宏觀物體都具有波動性，還是有一定的思維障礙的，所以教師在此處設(shè)計了問題，并讓小組討論。同時，電子等微觀實物粒子因摸不著看不見，距學(xué)生的生活實際比較遙遠，但宏觀物體則不然。學(xué)生心里肯定會有這樣的疑問：在現(xiàn)實生活中，一般的宏觀物體運動時對應(yīng)的物質(zhì)波波長有多大？我們能直接觀察到嗎？所以教師讓學(xué)生根據(jù)日常生活實際，設(shè)計計算宏觀物體德布羅意波波長大小的試題，并進行數(shù)據(jù)計算，然后再根據(jù)計算結(jié)果，進行分析、比較和評判。教師在課堂上教授的知識，只有跟工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或生活實際相結(jié)合，才能解答學(xué)生的疑惑，加深對概念或規(guī)律內(nèi)涵及外延的深刻理解。在應(yīng)用中評判所學(xué)知識，再從評判中得到反饋，這也是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力的重要目的之一——學(xué)會正確應(yīng)用新知，并反思驗證。

二、教學(xué)總結(jié)及反思

批判性思維是基于邏輯推理的合理的反思性思維，是一種從事思維活動的傾向或技能，是一種用懷疑的態(tài)度去關(guān)注決定相信什么或做什么的心智活動，是在查驗問題與證據(jù)基礎(chǔ)上對結(jié)論進行評價并提出初步解決方案的能力，故批判性思維是一種高階思維，其思維的起點在于質(zhì)疑與批判。因此，提升學(xué)生批判性思維能力的前提和首要任務(wù)，是要培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和批判精神。那么，如何才能有效地培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和批判精神呢？一是在介紹物理學(xué)史時，一定要將科學(xué)家在質(zhì)疑后嘗試、在失敗中奮起、在曲折中前進的過程重現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生從他們成功的經(jīng)驗中學(xué)到正確的質(zhì)疑和批判方式。二是有意識地去培養(yǎng)學(xué)生不迷信文本、質(zhì)疑文本的習(xí)慣。比如在學(xué)習(xí)“機械運動”概念時，問學(xué)生有沒有“非機械運動”;學(xué)習(xí)“靜電場”時，問學(xué)生有沒有“非靜電場”;學(xué)習(xí)“機械波”時，問學(xué)生有沒有“非機械波”;等等。三是通過“示錯”的方式培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑習(xí)題的習(xí)慣，比如質(zhì)疑習(xí)題的題設(shè)條件是否充分、能否自洽、有無歧義、習(xí)題答案是否全面、是否準(zhǔn)確、結(jié)論是否合理等?？傊挥薪處熥陨砭哂匈|(zhì)疑和批判精神，并能在教學(xué)中采取有效措施，才可以培養(yǎng)出符合時代要求的、具有良好科學(xué)素養(yǎng)和批判性思維的創(chuàng)新人才，從而服務(wù)于社會的發(fā)展與進步。

【參考文獻】

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