“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略的價(jià)值意蘊(yùn)與設(shè)計(jì)路徑

摘要：“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略以概念進(jìn)階為主線，在進(jìn)階環(huán)節(jié)基于實(shí)時(shí)反饋整合聯(lián)系核心素養(yǎng)各維度，以此厘清概念邏輯主線，明確思維方法應(yīng)用，從而為科學(xué)思維的形成和深化提供一條實(shí)施路徑。本文以“動(dòng)量定理”的教學(xué)為例，對(duì)“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略的價(jià)值意蘊(yùn)與設(shè)計(jì)路徑展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；學(xué)習(xí)進(jìn)階；科學(xué)思維；實(shí)時(shí)反饋

1提出問(wèn)題

在課堂教學(xué)中形成和深化科學(xué)思維是提升核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。科學(xué)思維的形成和深化不能一蹴而就，需要經(jīng)歷一個(gè)符合認(rèn)知水平、遵循物理學(xué)科邏輯的發(fā)展過(guò)程。學(xué)習(xí)進(jìn)階以核心概念和關(guān)鍵能力的發(fā)展歷程為對(duì)象，描述學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程并提供針對(duì)性的教學(xué)改進(jìn)方案。現(xiàn)有研究表明，“建模＋證實(shí)”模式已逐漸成為教育研究的主流范式之一。因此，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理念的“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略實(shí)踐研究，圍繞核心概念的發(fā)展進(jìn)程，為學(xué)生搭建思維臺(tái)階，井然有序地深化科學(xué)思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“動(dòng)量定理”的教學(xué)為例，對(duì)其價(jià)值意蘊(yùn)與設(shè)計(jì)路徑展開(kāi)探討。

2“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略的價(jià)值意蘊(yùn)

2.1厘清概念發(fā)展邏輯，挖掘教材使用能力

動(dòng)量定理的教學(xué)有三個(gè)核心環(huán)節(jié)：建立沖量概念、推導(dǎo)動(dòng)量定理和應(yīng)用動(dòng)量定理。

“建立沖量概念”環(huán)節(jié)圍繞動(dòng)量、沖量和動(dòng)量定理三個(gè)關(guān)鍵概念逐次展開(kāi)。從物理概念體系分析，三個(gè)概念存在這樣的層級(jí)關(guān)系：在建立沖量概念前，需要先理解動(dòng)量的概念；有了沖量概念后，才能進(jìn)一步建立動(dòng)量定理的概念。動(dòng)量、沖量、動(dòng)量定理與“變化”這個(gè)共通概念相關(guān)聯(lián)，并且三個(gè)關(guān)鍵概念都具有矢量性。

據(jù)此，筆者設(shè)計(jì)了“建立沖量概念”學(xué)習(xí)進(jìn)階示意圖（見(jiàn)圖1）。實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)有助于厘清概念進(jìn)階的邏輯主線，使學(xué)生形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)知識(shí)的遷移。

2.2預(yù)設(shè)中間認(rèn)知狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋，及時(shí)調(diào)整教學(xué)

筆者參考了“動(dòng)量定理”已有的進(jìn)階研究的學(xué)情診斷分析，調(diào)查了學(xué)生對(duì)碰撞的迷思認(rèn)知，確定了“動(dòng)量”“動(dòng)量變化”兩個(gè)前概念，以此建構(gòu)了“動(dòng)量定理”概念學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)（見(jiàn)表1）。

“經(jīng)驗(yàn)”層級(jí)至“整合”層級(jí)，體現(xiàn)了“動(dòng)量定理”概念逐步建構(gòu)的過(guò)程。隨著層級(jí)的遞進(jìn)，一方面學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)知持續(xù)加深，從開(kāi)始的現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)到定量推導(dǎo)建立動(dòng)量與沖量的聯(lián)系；另一方面學(xué)生不斷整合內(nèi)化關(guān)鍵概念、共通概念、科學(xué)思維以及其他核心素養(yǎng)元素。隱藏情境復(fù)雜度也在不斷提升，如從恒力定量推導(dǎo)表達(dá)式，發(fā)展為一般情境下的變力推導(dǎo)。矢量運(yùn)算的認(rèn)知也不是一步到位的，從一維方向發(fā)展到多維方向，需要學(xué)生不斷提升認(rèn)知。

至于定位學(xué)生處于哪個(gè)層級(jí)的第幾序列，則依賴于進(jìn)階測(cè)評(píng)?，F(xiàn)階段的研究較多基于項(xiàng)目反應(yīng)理論（如Rasch模型）開(kāi)發(fā)“動(dòng)量定理”知識(shí)點(diǎn)測(cè)試題作為診斷工具進(jìn)行測(cè)評(píng)，以此診斷進(jìn)階難點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整、改進(jìn)教學(xué)。

2.3關(guān)注整合聯(lián)系，注重素養(yǎng)形成

“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”不只是要解決學(xué)生認(rèn)知發(fā)展路徑問(wèn)題，更重要的是為認(rèn)知發(fā)展路徑尋求具體臺(tái)階，搭建支架。在學(xué)前進(jìn)階分析環(huán)節(jié)，為幫助學(xué)生建構(gòu)核心素養(yǎng)各元素間的整合聯(lián)系，并在概念進(jìn)階的過(guò)程中加強(qiáng)相應(yīng)知識(shí)和能力的交互整合，筆者設(shè)計(jì)了“應(yīng)用動(dòng)量定理”環(huán)節(jié)整合聯(lián)系框架（見(jiàn)圖2）。

在進(jìn)階過(guò)程中，學(xué)生逐步提升質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)論證的能力。進(jìn)階主線不僅重視進(jìn)階層級(jí)與物理學(xué)科核心素養(yǎng)維度的整合聯(lián)系，還關(guān)注學(xué)科核心素養(yǎng)各維度之間的整合聯(lián)系。［1］

3“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略的設(shè)計(jì)路徑

3.1經(jīng)驗(yàn)——情境創(chuàng)設(shè)

情境1：教師播放飛鳥(niǎo)撞擊飛機(jī)擋風(fēng)玻璃的視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察碰撞效果。

情境2：教師組織學(xué)生往毛毯上扔生雞蛋，比一比誰(shuí)能砸碎雞蛋。

【問(wèn)題驅(qū)動(dòng)】

問(wèn)題：飛鳥(niǎo)撞擊飛機(jī)造成了巨大的破壞，而用力扔生雞蛋卻砸不碎，兩次碰撞效果為何大相徑庭？

設(shè)計(jì)意圖：基于對(duì)碰撞的迷思認(rèn)知，激發(fā)疑問(wèn)，引起思維沖突作為進(jìn)階起點(diǎn)，引入課題。

3.2映射——沖量概念的建構(gòu)

【問(wèn)題驅(qū)動(dòng)】

問(wèn)題1：什么是動(dòng)量？動(dòng)量有哪些特點(diǎn)？

問(wèn)題2：什么是動(dòng)量變化量？動(dòng)量變化量有哪些特點(diǎn)？

問(wèn)題3：哪個(gè)物理量引起了動(dòng)量的變化？

任務(wù)一：理論探究，建構(gòu)沖量概念。

在學(xué)生猜想的基礎(chǔ)上，搭建簡(jiǎn)化建模情境，設(shè)計(jì)錨基任務(wù)。

如圖所示，在光滑水平面上，質(zhì)量為m的物體，在恒定力F作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，速度由v1變成v2，探究恒力與動(dòng)量變化量有什么關(guān)系，即F與mv2－mv1有什么關(guān)系。

解析：由F＝ma，a＝v2－v1t，F(xiàn)＝mv2－v1t，得出Ft＝mv2－mv1。

【問(wèn)題驅(qū)動(dòng)】

問(wèn)題1：Ft＝mv2－mv1等式兩邊分別代表什么？

問(wèn)題2：Ft有什么物理意義？從哪些角度分析其特點(diǎn)？

問(wèn)題3：哪個(gè)物理量引起了動(dòng)量的變化？

教師組織討論，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)新物理量Ft的概念。

設(shè)計(jì)意圖：將課題內(nèi)容轉(zhuǎn)化為問(wèn)題，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為情境，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，在問(wèn)題情境中圍繞設(shè)計(jì)的錨基任務(wù)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)解決問(wèn)題達(dá)到思維能力的提升。

首先，依據(jù)猜想，運(yùn)用抽象和概括的方法搭建物理過(guò)程情境。在搭建過(guò)程中運(yùn)用了抓住主要因素，舍棄非本質(zhì)因素摩擦力的典型思維方法。

其次，在回顧動(dòng)量、動(dòng)量變化量的知識(shí)基礎(chǔ)上建構(gòu)新概念，運(yùn)用類比遷移思維方法即從定義式、單位、矢標(biāo)性、是狀態(tài)量還是過(guò)程量的角度建構(gòu)沖量概念模型。

最后，通過(guò)動(dòng)量概念的進(jìn)階建構(gòu)沖量概念，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理的能力，促進(jìn)物理觀念與科學(xué)思維的整合聯(lián)系，建構(gòu)沖量概念可能是中間認(rèn)知狀態(tài)的關(guān)鍵進(jìn)階難點(diǎn)。

3.3關(guān)聯(lián)——?jiǎng)恿慷ɡ砀拍畹慕?gòu)

任務(wù)二：演繹推理，建構(gòu)動(dòng)量定理概念。

設(shè)置F為變力，引導(dǎo)學(xué)生再次推導(dǎo)表達(dá)式。結(jié)合Ft圖像面積的物理意義，采用微元法分段列出動(dòng)量定理表達(dá)式，再將分段表達(dá)式等號(hào)左右部分累加推導(dǎo)出Ft＝mv2－mv1表達(dá)式，即動(dòng)量定理。

【問(wèn)題驅(qū)動(dòng)】

問(wèn)題1：如何表述Ft＝mv2－mv1表達(dá)式？

問(wèn)題2：從哪些角度分析其特點(diǎn)？

教師組織討論，最終建構(gòu)動(dòng)量定理概念。

設(shè)計(jì)意圖：新課教學(xué)更關(guān)注的是規(guī)律的生成過(guò)程，在過(guò)程中逐步深化發(fā)展思維能力。

學(xué)生經(jīng)歷了從特殊到一般的持續(xù)推理演繹歸納思維過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)思維的邏輯性和嚴(yán)密性。

采用分析與綜合的方法突破思維的障礙。把變力Ft圖像分解為若干小段恒力Ft圖像（見(jiàn)圖3）加以“分析”，分別分析小段恒力過(guò)程。

分析每一小段恒力Ft圖像（見(jiàn)圖4），列出各個(gè)過(guò)程表達(dá)式

在分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將等式左右兩邊累計(jì)相加

最終得出 Ft＝mvn－mv0。

通過(guò)動(dòng)量、沖量概念的遞進(jìn)建構(gòu)動(dòng)量定理概念，采用多種科學(xué)思想方法培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理的能力，促進(jìn)物理觀念與科學(xué)思維的整合聯(lián)系。動(dòng)量定理的推導(dǎo)過(guò)程建構(gòu)也可能是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的中間認(rèn)知狀態(tài)的關(guān)鍵進(jìn)階節(jié)點(diǎn)。

3.4系統(tǒng)——驗(yàn)證動(dòng)量定理（實(shí)驗(yàn)探究）

任務(wù)三：質(zhì)疑創(chuàng)新，驗(yàn)證動(dòng)量定理。

【問(wèn)題驅(qū)動(dòng)】

問(wèn)題：如何采用常見(jiàn)器材驗(yàn)證動(dòng)量定理？

教師提供鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、重物等實(shí)驗(yàn)器材，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，分組討論實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)方案：按如圖5所示組裝實(shí)驗(yàn)器材，無(wú)初速度釋放紙帶，重物下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上留下一系列的點(diǎn)。選取紙帶中的一段，取Δt＝0.2s內(nèi)的位移（見(jiàn)圖6），測(cè)量并計(jì)算vF、vD，驗(yàn)證mgΔt＝mvF－mvD是否成立。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)記錄在表2中，通過(guò)計(jì)算對(duì)比，分析相對(duì)誤差，論證實(shí)驗(yàn)成效。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)有效學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷由情境到建模，由猜想到驗(yàn)證，最終得出結(jié)論的親身體驗(yàn)過(guò)程。

首先，教師以實(shí)驗(yàn)為抓手，引導(dǎo)學(xué)生探尋動(dòng)量定理物理模型的過(guò)程既驗(yàn)證了物理規(guī)律，又運(yùn)用了物理規(guī)律。學(xué)生通過(guò)合作交流討論出實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)自身實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

其次，學(xué)生的思維層次從基本層面逐步提升到高階思維層面，即從物理規(guī)律的可驗(yàn)證性、可操作性提出疑問(wèn)。學(xué)生根據(jù)提供的器材經(jīng)歷探討實(shí)驗(yàn)原理、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一系列的實(shí)驗(yàn)思維過(guò)程，在動(dòng)手動(dòng)腦的科學(xué)探究過(guò)程中，激發(fā)了科學(xué)思維，提升了科學(xué)推理、科學(xué)論證的高階思維能力。

再次，加強(qiáng)各知識(shí)點(diǎn)間的橫向聯(lián)系，滲透比較和分類的思維方法：相同的實(shí)驗(yàn)裝置既可以做探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)，又可以做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，還可以做驗(yàn)證動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)。

最后，科學(xué)思維驅(qū)動(dòng)著科學(xué)探究，科學(xué)探究也發(fā)展著科學(xué)思維，兩者相互促進(jìn)，相輔相成。立足于典型理科特色的模型建構(gòu)、科學(xué)推理等思維元素，加強(qiáng)科學(xué)思維與科學(xué)探究各環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，綜合運(yùn)用抽象與概括、類比遷移、比較分類、歸納與演繹等科學(xué)思維方法，形成運(yùn)用科學(xué)思維的主動(dòng)意識(shí)，最終形成科學(xué)思維的內(nèi)化，養(yǎng)成分析、解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力。

4結(jié)語(yǔ)

“漸進(jìn)式深化科學(xué)思維”教學(xué)策略有助于搭建思維臺(tái)階，讓學(xué)生親身經(jīng)歷思維演化、模型建構(gòu)、科學(xué)推理等過(guò)程，體驗(yàn)歸納與演繹、類比、分析與綜合等多種基本思維方法的綜合運(yùn)用。以理論推導(dǎo)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為載體積聚思維量變，突破思維瓶頸，進(jìn)階式地內(nèi)化批判性思維和創(chuàng)造性思維，從而達(dá)到形成和深化科學(xué)思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

［1］姚建欣，何春生.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的中學(xué)物理教學(xué)改進(jìn)研究：機(jī)械運(yùn)動(dòng)與力［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2020：28－33.

**基金項(xiàng)目：本文系2023年江蘇省教師發(fā)展研究“教師教育職前職后一體化”專項(xiàng)課題“教育大數(shù)據(jù)下基于掌握學(xué)習(xí)的中學(xué)物理教學(xué)案例研究”（課題編號(hào)：jsfz－e17）的階段性研究成果。