基于批判性思維的高中物理論證式習(xí)題教學(xué)

陳新華，陶兆寶

常州市第一中學(xué)，江蘇 常州 213003

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)中的重要部分，也是提升學(xué)生解決問(wèn)題能力的重要方式和手段。“雙減”政策下，如何既減輕學(xué)生過(guò)重的作業(yè)負(fù)擔(dān)，又有效落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，是一線教師面臨的重大挑戰(zhàn)?；谂行运季S的論證式習(xí)題教學(xué)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了有效的方案和途徑。

1 批判性思維與論證式教學(xué)

批判性思維是一種理性的、反思性的思維，其目的在于決定我們相信什么和做什么［1］。它有兩個(gè)主要特征：第一，如何質(zhì)疑，即“會(huì)提問(wèn)”，這是批判性思維的起點(diǎn)；第二，如何判斷，即“會(huì)解答”，這是批判性思維的目標(biāo)。批判性思維作為高階思維能力，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。

培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，一般來(lái)講是指培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的能力，如分析、解釋、推理、評(píng)價(jià)、論證等，這是解決問(wèn)題的方法。從更深層次看，批判性思維也是一種思維傾向，如求真、開(kāi)放、反思、理性等特質(zhì)，這是思考問(wèn)題的方式。批判性思維技能是可教、可測(cè)的。批判性思維傾向?qū)儆谛闹悄Ｊ胶蛢r(jià)值取向，很難直接進(jìn)行教學(xué)，只能在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)潛移默化的過(guò)程促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知結(jié)構(gòu)的變化來(lái)逐漸形成。

論證式教學(xué)是將論證活動(dòng)引入課堂的一種教學(xué)方式，需要學(xué)生和教師圍繞某一論題利用科學(xué)方法收集證據(jù)，并能解釋和評(píng)價(jià)證據(jù)與觀點(diǎn)之間的聯(lián)系，最終達(dá)成共識(shí)［2］。論證式教學(xué)鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)某一研究問(wèn)題的解釋進(jìn)行論證或者辯護(hù)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)通過(guò)討論學(xué)習(xí)怎樣提出、支持、評(píng)價(jià)或者修改自己的觀點(diǎn)［3］，這樣的過(guò)程與批判性思維的質(zhì)疑、論證、評(píng)估、完善等思維過(guò)程高度重合。

論證式教學(xué)與批判性思維是密不可分的：一方面，論證式教學(xué)需要學(xué)生具備一定的批判性思維的能力；另一方面，論證式教學(xué)又能促進(jìn)學(xué)生批判性思維的生長(zhǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力。

2 基于批判性思維的論證式習(xí)題教學(xué)

本輪課程改革的目標(biāo)是指向?qū)W生核心素養(yǎng)的發(fā)展，即培養(yǎng)學(xué)生在未來(lái)真實(shí)生活中解決問(wèn)題的必備品格和關(guān)鍵能力。但教學(xué)中我們常常會(huì)有這樣的困惑：當(dāng)原始問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候，學(xué)生往往不具備迅速準(zhǔn)確解決問(wèn)題的能力。究其原因，還是學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解不夠深入，思維缺乏深刻性和批判性，一遇到新情境，要么套用公式，要么束手無(wú)策。折射到我們的教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程缺乏理性批判和論證的過(guò)程，獲得結(jié)論的主要途徑本質(zhì)上主要是“傳授”和“接受”，缺乏體驗(yàn)和反思，沒(méi)有在解決問(wèn)題的過(guò)程中形成專家思維［4］。

基于批判性思維的論證式習(xí)題教學(xué)指向?qū)W生解決問(wèn)題能力的提升，通過(guò)初步理解—思考提問(wèn)—探索求證—提升創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，發(fā)展學(xué)生的分析理解、建構(gòu)模型、質(zhì)疑探究、推理論證、反思評(píng)估等能力素養(yǎng)，從而形成解決問(wèn)題的專家思維，達(dá)到舉一反三、以一當(dāng)百的習(xí)題教學(xué)效果。這樣的教學(xué)過(guò)程凸顯了批判性思維“審辯”的特質(zhì)，強(qiáng)調(diào)質(zhì)疑和論證，讓學(xué)生經(jīng)歷“直覺(jué)—評(píng)估—質(zhì)疑—論證—評(píng)估—完善”的思維環(huán)節(jié)中的全部或部分，在螺旋遞進(jìn)的思維過(guò)程中解決問(wèn)題，教學(xué)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維從低階向高階的突破，培養(yǎng)真實(shí)情境中解決問(wèn)題的一般能力。具體模式如圖1所示。

圖1 論證式習(xí)題教學(xué)模式圖

2.1 指向“模型建構(gòu)合理性”的論證式習(xí)題教學(xué)

物理是建構(gòu)模型解決問(wèn)題的一門學(xué)科，其目標(biāo)指向解決問(wèn)題，而主要方式是“建構(gòu)模型”。模型作為一種重要的科學(xué)方法，具有解釋科學(xué)現(xiàn)象、作出科學(xué)預(yù)見(jiàn)、形成科學(xué)發(fā)現(xiàn)、啟發(fā)科學(xué)思維等功能［5］。而理想化模型則是聯(lián)系現(xiàn)實(shí)和理想的橋梁和紐帶，突出主要問(wèn)題，忽略次要問(wèn)題，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，是高中學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的主要方法之一。理想化模型的條件是什么？建模過(guò)程中如何界定主要問(wèn)題和次要問(wèn)題？如果都是憑直覺(jué)和記憶，學(xué)生就不具有解決新問(wèn)題的能力。只有讓學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑論證的過(guò)程，在比較的過(guò)程中區(qū)分主要因素和次要因素，才能讓學(xué)生習(xí)得理想化模型建構(gòu)的一般方法，獲得解決問(wèn)題的普遍聯(lián)系和普遍規(guī)律。

2020年高考物理全國(guó)卷Ⅰ第3題就是一個(gè)很好的例子。這道題難度不大，總體得分率較高，但是這道題提供了真實(shí)且典型的問(wèn)題情境，學(xué)生在建模和解決問(wèn)題的過(guò)程中有很多不確定性，這樣的不確定性需要學(xué)生不斷地質(zhì)疑推理和求證，這樣的過(guò)程也就是批判性思維及問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)過(guò)程。筆者選取此題進(jìn)行習(xí)題講評(píng)，現(xiàn)筆錄如下：

如圖2所示，一同學(xué)表演蕩秋千。已知秋千的兩根繩長(zhǎng)均為10 m，該同學(xué)和秋千踏板的總質(zhì)量約為50 kg。繩的質(zhì)量忽略不計(jì)，當(dāng)該同學(xué)蕩到秋千支架的正下方時(shí)，速度大小為8 m/s，此時(shí)每根繩子平均承受的拉力約為（ ）

圖2 全國(guó)卷第3題圖

A.200 N B.400 N

C.600 N D.800 N

【直覺(jué)】把人看作質(zhì)點(diǎn)，且重心集中于繩末端，等效為單擺模型。在最低點(diǎn)由，知T=410 N。即每根繩子拉力約為410 N，故選B選項(xiàng)。

【質(zhì)疑】同學(xué)身高1.6米左右，繩長(zhǎng)10米，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中真的可以把人當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)研究嗎？

【論證】最低點(diǎn)的時(shí)候，人受到的合外力應(yīng)該等于各點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。因?yàn)殡x轉(zhuǎn)軸的距離不一樣，各點(diǎn)的向心加速度是不一樣的，所以用微元和積分。設(shè)人的身高為l0，繩長(zhǎng)為l，假設(shè)人的質(zhì)量是均勻分布的，單位長(zhǎng)度質(zhì)量為取人為研究對(duì)象（圖3），受力分析得：

圖3 研究對(duì)象示意圖

假設(shè)人的身高是1.6米，秋千踏板和人的質(zhì)量均勻分布，代入數(shù)據(jù)，得T1=397.2 N。

假設(shè)把人看作是集中于秋千踏板上的一點(diǎn)，則l0=0，代入數(shù)據(jù)得T2=410 N。

【完善】相對(duì)誤差小于5%，應(yīng)該滿足的一般條件是什么呢？

相對(duì)誤差小于5%，即

代入數(shù)據(jù)可得：10l2+64l-608l0≥0

解得l≥5.23l0

若人的身高為1.6米，則繩的長(zhǎng)度l≥5.23l0=8.37米，本題中繩長(zhǎng)10米，符合要求。

【點(diǎn)評(píng)與小結(jié)】這道題難度中等，主要考查從蕩秋千的原始情境中提取“單擺模型”解決問(wèn)題的能力。學(xué)生的直覺(jué)就是解決問(wèn)題時(shí)把人當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)，把這個(gè)過(guò)程當(dāng)作單擺模型。但是有些學(xué)生就會(huì)提出：繩長(zhǎng)10米，人的身高1.6米左右，能不能把人當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)？這是一個(gè)很好的問(wèn)題，涉及理想化模型的建立條件。教師引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)、物理知識(shí)對(duì)這個(gè)質(zhì)疑進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的運(yùn)算和估算，誤差在5%以內(nèi)，可以忽略次要因素，當(dāng)作單擺模型。問(wèn)題已經(jīng)解決，可是具有批判性思維的學(xué)生會(huì)進(jìn)一步發(fā)問(wèn)、尋找可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)的一般條件。最后，再用一般條件來(lái)驗(yàn)證本題的特殊數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)10米的繩長(zhǎng)和人的身高搭配得非常巧妙，可以簡(jiǎn)化為單擺模型。至此，經(jīng)歷了“用已有知識(shí)方法去解決現(xiàn)有問(wèn)題”的直覺(jué)階段，到“為什么可以建立單擺模型”的質(zhì)疑階段，再到“尋求實(shí)證運(yùn)算”的評(píng)估階段。從知識(shí)到素養(yǎng)，從“會(huì)套用公式”到“會(huì)建立模型選擇公式”，運(yùn)用批判性思維不斷對(duì)得到的結(jié)論進(jìn)行反思與評(píng)估，并以此作為論證和完善的出發(fā)點(diǎn)，在解決問(wèn)題的過(guò)程中收獲思維的成長(zhǎng)，真正實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一道題解決一類題，通過(guò)一類題解決所有題，這也是我們物理教學(xué)最根本的目標(biāo)。

2.2 指向“物理結(jié)論準(zhǔn)確性”的論證式習(xí)題教學(xué)

批判性思維的一個(gè)重要特征就是質(zhì)疑與論證，這也是創(chuàng)造性思維的起點(diǎn)，要求學(xué)生“不唯書、不唯師”，有自己獨(dú)立的判斷與思考。學(xué)生對(duì)物理結(jié)論的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑的時(shí)候，教師要鼓勵(lì)和指導(dǎo)他們進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估和論證，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和論證求索的過(guò)程中提升思維能力，增強(qiáng)自信，完善元認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

2019年的揚(yáng)州中考卷第29題，A同學(xué)在初中時(shí)就存在困惑，覺(jué)得題目解答太特殊，不能包含所有情況。但因?yàn)槭侵锌碱}，不敢隨便質(zhì)疑，她便一直把這個(gè)困惑帶到了高中，在和同學(xué)多次討論都沒(méi)有結(jié)果后，便把這個(gè)問(wèn)題提交給了筆者。筆者沒(méi)有直接給她解答，而是不斷鼓勵(lì)和指導(dǎo)她，從多角度尋找證據(jù)，來(lái)證明或證偽自己的想法。實(shí)錄如下：

（揚(yáng)州2019年中考卷）如圖4所示是路邊交通指示牌，通過(guò)橫桿A、B與立柱相連，圖中指示牌的總質(zhì)量是300 kg，長(zhǎng)為4 m，高為2.5 m，A、B間距離為1 m。（忽略指示牌與立柱之間的距離，g取10 N/kg），立柱對(duì)橫桿B的作用力的方向是__________，大小是________。（本題答案為水平向左，6×103N）

圖4 揚(yáng)州中考卷第29題圖

從題意和答案推測(cè)，其期望的解答為：立柱對(duì)橫桿B的力的方向是水平向左，以A處為支點(diǎn)（圖 5），由力矩平衡，G·AM=FB·AB，可得FB=6×103N。

圖5 指示牌受力分析圖

【質(zhì)疑】橫桿中的力一定沿橫桿方向嗎？如果A、B處都沿桿的方向，那么從力平衡的角度，誰(shuí)在豎直方向上和重力G平衡呢？如果A處有豎直向上的分力，那么B處為什么就不能有豎直分力呢？

【評(píng)估】可以假設(shè)A處和B處都既有水平分力，也有豎直分力，進(jìn)行嚴(yán)格運(yùn)算論證。

【理論論證】以指示牌為研究對(duì)象，假設(shè)A處受力的水平分量為FAx、豎直分量為FAy，B處受力的水平分量為FBx、豎直分量為FBy。

由受力平衡關(guān)系可得

FAy+FBy=G，F(xiàn)Ax=FBx

以A為支點(diǎn)，由力矩平衡關(guān)系可得

G·AM=FBx·AB

解得FBx=6×103N

【評(píng)估】水平方向A、B處的分力大小相等，F(xiàn)Ax=FBx=6×103N。豎直方向 FAy+FBy=G=3 000 N，F(xiàn)Ay和FBy的具體數(shù)值不確定，應(yīng)該跟安裝時(shí)的初始條件有關(guān)。

【質(zhì)疑】是真的嗎？豎直分量不確定？

【評(píng)估】可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

【實(shí)驗(yàn)論證】找一塊均勻木板，在A、B處接入力傳感器，改變A、B處固定螺絲的松緊，看A、B處的力是否會(huì)發(fā)生變化（圖6）。

圖6 傳感器實(shí)驗(yàn)圖

【評(píng)估】實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，根據(jù)A、B處固定情況的不一樣，兩處的受力情況的確會(huì)有變化。所以，原始題目雖然是中考題，但是設(shè)問(wèn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，這個(gè)題的結(jié)果具有不確定性。FBy=0時(shí)，可以得到試題答案，但這是所有情況中極為特殊的一個(gè)例子，不能作為必然結(jié)論。

【點(diǎn)評(píng)與小結(jié)】“大膽質(zhì)疑,謹(jǐn)慎斷言”，說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難，特別是一個(gè)初中生想要質(zhì)疑一道大市中考卷上的題目。學(xué)生在思考的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，層層遞進(jìn)提出了系列問(wèn)題：如果B處的受力方向是水平的，誰(shuí)來(lái)平衡豎直方向的重力？發(fā)現(xiàn)A處要有豎直分力。進(jìn)一步提出：A處有豎直分力，為什么B處不能有豎直方向的分力？從而想到要用最一般的方法分別設(shè)兩個(gè)方向的分力來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。理論推導(dǎo)得到的力的大小居然不是一個(gè)確定的值，學(xué)生自然是困惑的，這個(gè)值到底跟什么有關(guān)呢，學(xué)生猜想可能跟安裝條件（即安裝時(shí)螺絲擰的松緊）有關(guān)，然后運(yùn)用數(shù)字化傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了猜想。這是一個(gè)基于批判性思維的論證式學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程如科學(xué)家探究過(guò)程一樣，基于完全真實(shí)的情境，不知道真正的答案是什么，但是會(huì)用科學(xué)的方法去猜想、推理、論證并完善，最終得出了令人信服的答案。

3 反思與總結(jié)

3.1 基于批判性思維的論證式習(xí)題教學(xué)是新高考下素養(yǎng)教學(xué)的必然選擇

物理教學(xué)應(yīng)該為培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)而教，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程在本質(zhì)上都只是達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的方式，在知識(shí)和方法的建構(gòu)過(guò)程中，形成學(xué)生對(duì)解決問(wèn)題基本過(guò)程和方法的一般認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，才是教學(xué)最根本的目標(biāo)。批判性思維是創(chuàng)造性思維的前提，而論證（理論論證和實(shí)驗(yàn)論證）則是理性精神的開(kāi)端，基于批判性思維開(kāi)展論證式習(xí)題教學(xué)，是在高考指揮棒下對(duì)素養(yǎng)教學(xué)的積極響應(yīng)。用論證式的學(xué)習(xí)過(guò)程促發(fā)高階思維的發(fā)生和生長(zhǎng)，不僅能擺脫題海戰(zhàn)術(shù)，發(fā)展素養(yǎng)，還能從容應(yīng)對(duì)高考，是教學(xué)從現(xiàn)實(shí)通向未來(lái)的有效途徑。

3.2 基于批判性思維的論證式習(xí)題教學(xué)的實(shí)施要點(diǎn)

習(xí)題教學(xué)是高層次的思維教學(xué)。如果說(shuō)新課教學(xué)是學(xué)生追隨科學(xué)家的腳步，亦步亦趨的探究過(guò)程［6］，那么習(xí)題教學(xué)就是學(xué)生在不確定的新情境中，調(diào)用已有知識(shí)和方法，批判性解決問(wèn)題的遷移論證過(guò)程，兼具批判性和創(chuàng)造性的特點(diǎn)。實(shí)施論證式習(xí)題教學(xué)，首先要選擇適合并值得開(kāi)展論證式教學(xué)的話題。比如，對(duì)理想化模型建立條件的論證式討論、對(duì)已有結(jié)果成立條件的論證式研究、對(duì)解決問(wèn)題方式合理性與全面的論證性……論證的話題除了試卷上的典型問(wèn)題，還可以是生活中的一些問(wèn)題，或者是學(xué)生遇到的困惑等。典型的、需要論證的話題一般都是極具探討性的，能夠指向高階思維，能夠最大程度地激發(fā)學(xué)生思維的能動(dòng)性。其次，自由和質(zhì)疑的學(xué)習(xí)氛圍也是必不可少的。寬松自由的環(huán)境，學(xué)生才會(huì)有質(zhì)疑和論證的勇氣和激情，才能在思維碰撞中提高思維的成熟度［7］。寬松鼓勵(lì)的環(huán)境，也會(huì)使學(xué)生愿意去嘗試，即使嘗試錯(cuò)了，也不會(huì)有太多的負(fù)擔(dān)，才能激發(fā)學(xué)生深層次的創(chuàng)造力。最后，要重視學(xué)生的主體思考過(guò)程。論證式教學(xué)過(guò)程中的質(zhì)疑和論證都需要學(xué)生經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考和積淀，是一個(gè)“慢”的過(guò)程，不可能一蹴而就，需要教師有足夠的耐心去共同探討和靜待花開(kāi)。這樣的教學(xué)是圍繞問(wèn)題展開(kāi)，問(wèn)題的解決不一定局限于一個(gè)課時(shí)內(nèi)，“直覺(jué)—質(zhì)疑—論證—評(píng)估—完善”的過(guò)程可能需要多次反復(fù)，最后達(dá)成問(wèn)題解決，教師要有耐心，在多次反復(fù)的引導(dǎo)、探討和等待中促進(jìn)學(xué)生思維的生長(zhǎng)和素養(yǎng)的養(yǎng)成。