基于科學(xué)思維水平進(jìn)階的問題情境設(shè)計(jì)

鄧治國 董友軍

(1. 廣州市增城區(qū)中新中學(xué),廣東 廣州 511365; 2. 廣州市教育研究院東院,廣東 廣州 510700)

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一,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.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》根據(jù)問題情境的復(fù)雜程度、知識和技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式或價(jià)值觀念的綜合程度等,把科學(xué)思維劃分為5級水平,其中科學(xué)思維水平2是“學(xué)考”的命題依據(jù),科學(xué)思維水平4是“高考”的命題依據(jù).本文基于科學(xué)思維水平進(jìn)階理念來研究問題情境,以期為教師在設(shè)計(jì)與實(shí)施問題情境教學(xué)時(shí)提供思路,更好地培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 問題情境與科學(xué)思維進(jìn)階簡介

1.1 問題情境界定

問題情境是指蘊(yùn)含問題的情境,主要包括真實(shí)情境、實(shí)驗(yàn)情境、活動情境,其具有指向性、情境性、聯(lián)系性、交互性、預(yù)設(shè)與生成性等特點(diǎn).[1]問題情境中的“問題”,旨在引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,使學(xué)生的已有知識結(jié)構(gòu)不能解決這個(gè)問題,從而產(chǎn)生消除這種“沖突”與“不平衡”的愿望.問題情境中的“情境”,旨在讓“問題”具體化,并具有一定的復(fù)雜性和真實(shí)性.[2]

1.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級與科學(xué)思維水平的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,郭玉英教授團(tuán)隊(duì)把進(jìn)階水平劃分為5個(gè)發(fā)展層級:[3]經(jīng)驗(yàn)(Experience),即學(xué)生具有尚未關(guān)聯(lián)的零散事實(shí);映射(Mapping),即學(xué)生建立事實(shí)與術(shù)語之間關(guān)系;關(guān)聯(lián)(Relation),即學(xué)生建立術(shù)語與多個(gè)事實(shí)關(guān)系;系統(tǒng)(System),即學(xué)生從系統(tǒng)角度協(xié)調(diào)變量關(guān)系;整合(Integration),即學(xué)生有學(xué)科觀念與跨學(xué)科概念.從以上5個(gè)層級看出,學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平是從零散到系統(tǒng)、從具體到抽象、從簡單到復(fù)雜的過程.

學(xué)習(xí)進(jìn)階層級與科學(xué)思維水平,它們呈現(xiàn)的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,都是從低級到高級、從淺層到深層,因此它們存在一一對應(yīng)關(guān)系,如表1所示.以該表作為問題情境設(shè)計(jì)依據(jù)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可以明確培養(yǎng)科學(xué)思維的目標(biāo)與路徑,提升高中物理教學(xué)的針對性與有效性.

表1 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級與科學(xué)思維水平

2 科學(xué)思維水平進(jìn)階的問題情境設(shè)計(jì)與分析

2.1 基于經(jīng)驗(yàn)層級的問題情境

問題情境1:很久以前,人們根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為重物下落得快,輕物下落得慢.古希臘學(xué)者亞里士多德概括為“理論”:重的物體落地快,輕的物體落地慢.1589年,伽利略在比薩斜塔頂端,將一個(gè)重100 lb和一個(gè)重1 lb的鐵球同時(shí)靜止釋放,出乎所有人意料,兩個(gè)鐵球不是重的鐵球落地快,而是同時(shí)落到地上.

教師:從這則故事來看,亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn),其證據(jù)分別是什么?

學(xué)生:亞里士多德的觀點(diǎn)是源于日常經(jīng)驗(yàn),伽利略的觀點(diǎn)是源于科學(xué)實(shí)驗(yàn).

分析:此問題情境設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)思維中“能對常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡單分析;能區(qū)別觀點(diǎn)和證據(jù)”,屬于水平1.這個(gè)情境故事學(xué)生已有耳聞,問對錯(cuò),不如談觀點(diǎn)的證據(jù),也就是在問題的設(shè)計(jì)上求新角度.如再問兩種觀點(diǎn)的背景是什么?測量的工具是什么?引導(dǎo)學(xué)生理解日常經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值與意義,同時(shí)為學(xué)習(xí)物理做個(gè)理念鋪墊,即“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”.

2.2 基于映射層級的問題情境

問題情境2:如圖1所示,兩只彈簧秤,A彈簧秤固定在鐵架臺上,B彈簧秤沿水平方向緩慢用力拉A.請學(xué)生觀察兩只彈簧被拉長的先后順序.

圖1 相互作用力同時(shí)產(chǎn)生

學(xué)生:統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,近2/3學(xué)生認(rèn)為是A彈簧先被拉長,然后B彈簧才被拉長.部分學(xué)生無法確定,少數(shù)學(xué)生認(rèn)為是同時(shí)伸長.

教師:為什么A彈簧會被拉長?

學(xué)生:因?yàn)锽彈簧給A拉力.

教師:你承認(rèn)了B產(chǎn)生向右的力了,根據(jù)什么做出的判斷?

學(xué)生:因?yàn)锽彈簧伸長了.

教師:B彈簧為什么會伸長?

學(xué)生:因?yàn)锳彈簧也拉B了.

教師:你也承認(rèn)了A彈簧有向左的力了.究竟哪一個(gè)彈簧先被拉伸?

學(xué)生:……

分析:此問題情境設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)思維中“能對比較簡單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理,獲得結(jié)論;能使用簡單和直接的證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)”,屬于水平2.情境的設(shè)計(jì)緊貼學(xué)生前概念,讓學(xué)生產(chǎn)生思維沖突,學(xué)著用現(xiàn)象歸納原理.學(xué)生意識到“只有兩個(gè)彈簧之間同時(shí)產(chǎn)生方向相反的作用力”才能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.這一討論過程收到了“以子之矛攻子之盾”的效果,是一種思維映射.

2.3基于關(guān)聯(lián)層級的問題情境

問題情境3:在“超重和失重”的教學(xué)過程中,用圖2所示的器材(粗糙的橫桿上擱放兩塊異名極相對的環(huán)形磁鐵)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),可以加深對所學(xué)知識的理解.

圖2 橫桿上擱放兩塊異名極相對的環(huán)形磁鐵

教師:由靜止釋放橫桿,會觀察到什么現(xiàn)象?

學(xué)生:磁鐵對橫桿的壓力減小,因此磁力大于靜摩擦力,兩磁鐵因?yàn)橄嗷ノハ嗫拷?

教師演示實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了學(xué)生猜想.然后要求學(xué)生對磁鐵進(jìn)行受力分析.通過受力分析,學(xué)生知道磁鐵在下落的過程中處于失重狀態(tài).

教師:若整體豎直向上拋出,磁鐵會靠近嗎?

學(xué)生:磁鐵不會靠攏.

教師讓磁鐵豎直向上拋出,仍見磁鐵吸攏.學(xué)生大感意外,教師順勢啟發(fā)學(xué)生分析并解釋所見的“反?！爆F(xiàn)象.

分析:此問題情境設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)思維中“能對常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理,獲得結(jié)論并作出解釋;能對已有觀點(diǎn)質(zhì)疑,從不同角度思考物理問題”,屬于水平3.此過程呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法是“預(yù)測—實(shí)驗(yàn)—解釋”,相對于“實(shí)驗(yàn)—解釋”而言更抓學(xué)生的心.讓學(xué)生在不同的過程中分析物理現(xiàn)象,進(jìn)一步明確概念的定義.學(xué)生的沒想到往往埋伏著一個(gè)深刻的記憶點(diǎn)與開闊思維的機(jī)會,分析物體加速與減速過程變成了應(yīng)用,過程一波三折思維反復(fù)激蕩,最終能對已有觀點(diǎn)質(zhì)疑,從不同角度思考物理問題.

2.4 基于系統(tǒng)層級的問題情境

圖3 密立根油滴實(shí)驗(yàn)

本情境以2022年高考物理廣東卷第14題為藍(lán)本,設(shè)計(jì)(1) 比例系數(shù)k;(2) 油滴A、B的帶電荷量和電性;B上升距離h電勢能的變化量;(3) 新油滴勻速運(yùn)動速度的大小和方向3個(gè)問題.

解答問題的本質(zhì)上是對勻速直線運(yùn)動模型的反復(fù)確認(rèn).第(1)問是兩個(gè)油滴均做勻速直線運(yùn)動,模型顯性,通過模型特點(diǎn)計(jì)算受力情況.第(2)問是加進(jìn)電場后,油滴B因?yàn)槭茈妶隽Χ黄胶?后來又反方向勻速運(yùn)動,進(jìn)而可以用新的勻速模型來分析受力.第(3)問是油滴A和油滴B碰撞合并成新油滴AB,合并后從失衡到平衡,最終在兩極板間勻速直線運(yùn)動.對新油滴AB構(gòu)建勻速模型,需要判斷系統(tǒng)是否滿足受力平衡的條件,如圖4所示.若F電>2mg時(shí),新油滴向上運(yùn)動,空氣阻力向下,如圖4(a)所示,對新油滴AB由平衡條件F電=2mg+f可求得運(yùn)動速度大小;若F電<2mg時(shí),新油滴向下運(yùn)動,空氣阻力向上,如圖4(b)所示,對新油滴AB由平衡條件F電+f=2mg可求得運(yùn)動速度大小.

圖4 油滴受力

分析:此問題情境設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)思維中“能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型;能對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理,獲得結(jié)論并作出解釋”,屬于水平4.情境考查隱性模型,也就是不能從現(xiàn)象中直接得出結(jié)論,要根據(jù)信息分析,抓住主要問題,忽略次要因素,必要時(shí)要轉(zhuǎn)化視角,通過運(yùn)動分析、受力分析等將隱性的復(fù)雜問題向顯性轉(zhuǎn)化.教學(xué)的重點(diǎn)是模型形成過程的分析,只有掌握建模的一般方法與思維才能在陌生的情境中敏感地發(fā)現(xiàn)建模的要素與條件.

2.5 基于整合層級的問題情境

問題情境5:請看圖片5,這是國慶節(jié)筆者的一位朋友高速路上車禍照片.本來是快快樂樂去旅游,卻遇到令人沮喪的交通事故,所以他拍了個(gè)照片發(fā)到了朋友圈.

圖5 車禍照片

問題1:假如你是警察來辦案,能找出汽車追尾的原因嗎?通過觀察現(xiàn)場現(xiàn)象,提取相關(guān)物理信息,填寫表2.

表2

問題2:要判定兩車是否有違反限速行為,需要提取哪些證據(jù)?

師生建構(gòu)模型:經(jīng)詢問確定,前車司機(jī)在超車道上勻速行駛時(shí),當(dāng)看到前方因修路需改道右側(cè),但發(fā)現(xiàn)右側(cè)車流較大不能換道,立即采取全力剎車,車剛停下來時(shí)被后車追尾,警察測量得到前車剎車痕跡長度s1=52 m(該路段超車道限速120 km/h).

師生建構(gòu)模型:根據(jù)輪胎花紋與路面情況,查資料確定剎車過程的加速度約為a=6 m/s2.

生:將汽車剎車過程理想化為勻減速直線運(yùn)動,由v12-v02=2as1,解得v1=25 m/s=90 km/h,則判斷前車未超速行駛.

師生建構(gòu)模型:后車在看到前車剎車尾燈亮后,立即采取全力剎車,警察測量得到后車的剎車痕跡長度s2=100 m,根據(jù)兩車損壞程度及后車司機(jī)的回憶,警察確認(rèn)后車以v2=36 km/h撞上前車.

師:能計(jì)算后車剎車前的速度嗎?

生:由v32-v22=2as2,解得v3=36 m/s=130 km/h,則后車超速行駛.

問題3:交警進(jìn)一步判斷,后車是否未按要求保持安全距離?要判定兩車的距離,需要進(jìn)一步獲得什么證據(jù)?

師生建構(gòu)模型:經(jīng)詢問,前車司機(jī)為了早點(diǎn)回到家,已經(jīng)連續(xù)駕駛5 h,后車司機(jī)駕駛時(shí)長約0.5 h,警察現(xiàn)場做了反應(yīng)測試并調(diào)取行車數(shù)據(jù)確認(rèn)兩司機(jī)供述真實(shí)可信.一般健康成年人反應(yīng)時(shí)間與連續(xù)駕駛時(shí)長關(guān)系如圖6所示,則前車剎車瞬間,兩車的距離為多少?

圖6 成年人反應(yīng)時(shí)間

生:根據(jù)“反應(yīng)時(shí)間-連續(xù)駕駛時(shí)長”關(guān)系坐標(biāo)圖,我們知道前車司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間約為2.7 s,后車司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間約為0.5 s.

前車發(fā)現(xiàn)狀況到踩剎車的時(shí)間間隔較長,從這一點(diǎn)來看對這起事故是有責(zé)任的.但計(jì)算兩車距離應(yīng)該從前車剎車燈亮,后車看到燈亮準(zhǔn)備剎車開始計(jì)算.兩車距離應(yīng)該加上反應(yīng)時(shí)間內(nèi)后車勻速行駛的距離,有s3=v3t3=18 m.則兩車的距離為s=s2+s3=118 m.

從這一部分的教學(xué)過程來看,延續(xù)拓展了情境背后的知識,“知其然,還能知其所以然”.如一個(gè)公式適用的條件,“全力剎車”可以看成摩擦力不變,符合勻變速運(yùn)動模型的條件;一個(gè)公式計(jì)算需要哪些物理量,此過程中可以測量剎車距離,可以查閱獲取加速度的大約數(shù)值與反應(yīng)時(shí)間的坐標(biāo)圖,從而發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)汽車是勻速直線運(yùn)動模型.

問題4:如果前車司機(jī)沒有疲勞駕駛(公安交通管理部門依據(jù)《道路交通安全法實(shí)施條例》第六十二條第七款之規(guī)定:駕駛機(jī)動車不得有連續(xù)駕駛機(jī)動車超過4 h未停車休息或者停車休息時(shí)間少于20 min的行為,對違反法律規(guī)定的,公安交管部門可依法處罰),通過計(jì)算判斷追尾事故能否避免?

生:通過“反應(yīng)時(shí)間-連續(xù)駕駛時(shí)長”分析,若前車沒有疲勞駕駛,則可以提前2.2 s剎車示意后車,并在這2.2 s里向前行駛s4=v1t4=55 m.也就是兩車最大的距離可以為s總=s+s4=173 m.則根據(jù)v32-v42=2as總.計(jì)算碰撞前后車的碰撞速度v4為負(fù),即在碰撞前已經(jīng)停下來,故能避免追尾.

生:此過程還有其他解法,先算出后車剎車后停下來行駛的距離為s4=108 m

通過物理過程的分析,我們發(fā)現(xiàn)只要按照規(guī)定正確駕駛可以避免一場交通事故.通過客觀的數(shù)據(jù)了解到超速、疲勞駕駛的危害性和保持安全距離的必要性.從這次追尾事故中我們還能學(xué)到什么呢?

師生:從這個(gè)事故中,我們能感到疲勞駕駛與超速駕駛都有自己可以理解的原因,例如前車趕著回家而長時(shí)間開車,車前方突發(fā)意外事件沒有提前觀察到;后車在超車道上超速行駛,對前車保持的距離也不是足夠的.生活中,我們也會遇到類似的事情,由于趕時(shí)間而闖紅燈,由于急著趕路而沒看清路上的環(huán)境……,這些都是欲速而不達(dá)的表現(xiàn),但歸根究底就是不按交通規(guī)則開車,缺乏理性的邏輯思考.

分析:此問題情境設(shè)計(jì)體現(xiàn)科學(xué)思維中“能將較復(fù)雜的實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型;能在新的情境中對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并作出解釋;能考慮證據(jù)的可靠性,合理使用證據(jù);能從多個(gè)視角審視檢驗(yàn)結(jié)論,解決物理問題具有一定的新穎性”,屬于水平5.這節(jié)課緊緊圍繞生活情境“運(yùn)動與力”的主題復(fù)習(xí),學(xué)生要在不同狀態(tài)下受力分析、多次建模、考慮現(xiàn)實(shí)因素等等,在應(yīng)用中形成知識結(jié)構(gòu)體驗(yàn),問題步步遞進(jìn)直指各個(gè)思維層級.另一方面是站在第三方(警察)的角度反復(fù)挖掘情境背后的知識,處理題外的信息(成年人反應(yīng)時(shí)間、剎車時(shí)的加速度),不斷覺知規(guī)律形成的條件與應(yīng)用技巧,感受物理服務(wù)生活.在面對復(fù)雜陌生的情境時(shí),學(xué)生會沿著學(xué)科特定角度去科學(xué)地分析解釋,能符合邏輯地進(jìn)行推理判斷,能提出解決問題的有效策略,也就是學(xué)生具有了科學(xué)的程序性經(jīng)驗(yàn)和圖式,而程序性經(jīng)驗(yàn)和圖式就是思維路徑.[4]

3 用問題情境培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)建議

3.1情境要形象具體

高中生依然處于從形象思維到抽象思維養(yǎng)成的過渡時(shí)期,遇到真實(shí)問題會存在閱讀理解的障礙,加上物理概念、規(guī)律本身比較抽象.杜威認(rèn)為,思維不是自然發(fā)生的,思維的過程是由問題、困惑等引發(fā)、維持和驅(qū)動的.所以教師要觀察學(xué)生的心理發(fā)展變化,選取學(xué)生感興趣、容易理解、與舊的認(rèn)知相關(guān)的問題情境進(jìn)行教學(xué).從熟悉的真實(shí)的生活、生產(chǎn)等場景中尋找適合的情境素材,用指向明確的問題觸及學(xué)生的迷思處,反映出學(xué)生思維上的問題,教師針對問題引導(dǎo),以達(dá)到學(xué)生思維方式的優(yōu)化.

3.2 問題要循序漸進(jìn)

郭玉英教授團(tuán)隊(duì)把學(xué)習(xí)進(jìn)階水平劃分為5個(gè)發(fā)展層級.布魯姆依據(jù)思維的復(fù)雜程度,從認(rèn)知目標(biāo)分類角度將思維過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價(jià)6個(gè)層次.教師要以知識的動態(tài)生成為線索,以思維為中心,全方位、多角度訓(xùn)練學(xué)生的思維,循序漸進(jìn)引領(lǐng)學(xué)生從感性到理性認(rèn)識事物,引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)物理、理論物理的探尋過程中應(yīng)用物理,從記憶到理解、從理解到應(yīng)用、從應(yīng)用到分析、從分析到綜合、從綜合到評價(jià).

3.3 教學(xué)要以學(xué)生為主體

學(xué)生是教學(xué)主體,教師是教學(xué)主導(dǎo),教師的一切教學(xué)行為,都是為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué).教育心理學(xué)家奧蘇貝爾說過,影響學(xué)習(xí)的唯一最重要因素,就是學(xué)生已經(jīng)知道了什么,教師應(yīng)據(jù)此進(jìn)行教學(xué).[5]因此教師要真正換位思考,把自己當(dāng)成學(xué)生,而不是把學(xué)生當(dāng)成自己.在情境中解決問題,學(xué)生要經(jīng)歷好奇、疑問、探索、解答的過程,而這個(gè)過程就是學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法的過程;教師則需要圍繞教學(xué)目標(biāo)在學(xué)生體驗(yàn)與展示的基礎(chǔ)上適時(shí)地點(diǎn)撥分析,圍繞思維水平的進(jìn)階挖掘情境的科學(xué)思維要素,拓展問題情境的內(nèi)容以開闊學(xué)生認(rèn)知的邊界.

4 結(jié)束語

教育的一個(gè)重要目的是要教會學(xué)生如何正確地去思考問題,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.科學(xué)思維能力的培養(yǎng)有助于學(xué)生建構(gòu)個(gè)人的思維體系,形成一套解決問題的方法和策略.在面對復(fù)雜的科學(xué)問題時(shí)能有效地提取關(guān)鍵信息,對不同的觀點(diǎn)能質(zhì)疑和提出創(chuàng)造性的見解.利用問題情境展開教學(xué)能提升學(xué)生的科學(xué)思維水平.