(1. 華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200241; 2. 廣東省深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校中學(xué)部,廣東 深圳 518028)

“基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)”的科學(xué)推理能力培養(yǎng)探討——以“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的教學(xué)為例

肖展望1劉碧君2

(1. 華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200241; 2. 廣東省深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校中學(xué)部,廣東 深圳 518028)

科學(xué)推理作為科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)與方法,在物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色。當(dāng)下的中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中普遍缺乏對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng),物理知識(shí)的習(xí)得過(guò)程多為接受性的,沒(méi)有充分利用學(xué)生的原有認(rèn)知通過(guò)科學(xué)推理生成新知識(shí)。針對(duì)以上現(xiàn)狀,本文以“基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)”(PBL)教學(xué)法為基礎(chǔ),以高中“動(dòng)能和動(dòng)能定理”的教學(xué)為例，探討如何以問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)。

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí);科學(xué)推理;動(dòng)能;動(dòng)能定理

1 引言

科學(xué)推理(Scientific Reasoning)的概念最早由皮亞杰在其認(rèn)知發(fā)展理論中提出,是科學(xué)思維的一種高級(jí)形式,在個(gè)體獲取新知識(shí)、認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。按照推理的材料,科學(xué)推理可分為假設(shè)演繹推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關(guān)推理;按照推理的形式,又可分為歸納推理、演繹推理以及類比推理等。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”維度中與科學(xué)推理相關(guān)的描述有：“能從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)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(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力”,凸顯了科學(xué)推理在物理教學(xué)中的重要性?！盎趩?wèn)題的學(xué)習(xí)”(Problem-Based Learning,簡(jiǎn)稱PBL)是在建構(gòu)主義思潮影響下發(fā)展起來(lái)的一種以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方法。利用PBL教學(xué)法,將物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為推理案例,通過(guò)預(yù)設(shè)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理活動(dòng),可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的同時(shí)提升學(xué)生的科學(xué)推理能力。

2 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的必要性分析

2009年在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于科學(xué)知識(shí)與科學(xué)推理能力的比較研究論文,該研究對(duì)比了中美兩國(guó)近6000名大學(xué)新生的物理測(cè)試成績(jī)和科學(xué)推理能力測(cè)試成績(jī),發(fā)現(xiàn)中國(guó)學(xué)生的科學(xué)知識(shí)與科學(xué)推理能力并不成正相關(guān)。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),中國(guó)學(xué)生易采用直覺(jué)思維進(jìn)行推理,常會(huì)出現(xiàn)結(jié)論正確而理由錯(cuò)誤的情形。事實(shí)上,在當(dāng)前的中學(xué)物理教學(xué)中,教師很少有意識(shí)地讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)歷一個(gè)完整的科學(xué)推理過(guò)程,往往重點(diǎn)關(guān)注陳述性知識(shí)的學(xué)習(xí),而忽略了程序性知識(shí)的學(xué)習(xí),導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)推理的意識(shí)較差。在一些探究實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)都非常熟悉,但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹g的邏輯關(guān)系卻并不清晰。一旦改變實(shí)驗(yàn)方案或面對(duì)一些開放性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn),學(xué)生便會(huì)感到無(wú)從下手。

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論,中學(xué)階段的學(xué)生處于形式運(yùn)算階段,其思維發(fā)展到抽象邏輯推理水平,對(duì)命題能作出富有創(chuàng)造性的反映,能夠根據(jù)歸納或演繹等推理方式來(lái)解決問(wèn)題。在中學(xué)物理教學(xué)中,應(yīng)該充分抓住這一認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵期,結(jié)合物理學(xué)科邏輯性、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn),對(duì)學(xué)生的科學(xué)推理能力進(jìn)行有效培養(yǎng),這對(duì)其核心素養(yǎng)的提高有著重要的意義。

3 PBL培養(yǎng)科學(xué)推理能力的操作模式

PBL是一種以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)以教師的預(yù)設(shè)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng),學(xué)生通過(guò)小組合作討論、實(shí)驗(yàn)探究等進(jìn)行知識(shí)建構(gòu),將學(xué)習(xí)任務(wù)與有意義的問(wèn)題情景進(jìn)行整合,最后在解決問(wèn)題的過(guò)程中獲得知識(shí),學(xué)習(xí)問(wèn)題解決的思維方法。

PBL教學(xué)法培養(yǎng)科學(xué)推理能力的操作模式如圖1所示，其中問(wèn)題是課程組織的核心,學(xué)生是致力于推理活動(dòng)的主體,教師是學(xué)生解決問(wèn)題時(shí)的指導(dǎo)者和伙伴。首先教師需要結(jié)合生活實(shí)例創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。在教師的問(wèn)題啟發(fā)下探明學(xué)生的原有認(rèn)知,明確學(xué)生已掌握的物理概念與規(guī)律;教師引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)問(wèn)題提出假設(shè),以問(wèn)題為線索,靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究、邏輯思維和數(shù)學(xué)推導(dǎo)等多種方法進(jìn)行推理,獲得證據(jù),學(xué)生對(duì)推理過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行自評(píng)。教師將學(xué)生收集的證據(jù)進(jìn)行匯總分析,并評(píng)價(jià)證據(jù)是否能有效驗(yàn)證假設(shè)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中需要師生、生生之間的互動(dòng),教師要對(duì)整個(gè)推理過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及引導(dǎo),最后將本節(jié)的知識(shí)系統(tǒng)化、條理化輸出,同時(shí)向?qū)W生顯化教學(xué)過(guò)程中所用的科學(xué)推理方法。

圖1

4 運(yùn)用PBL教學(xué)法的“動(dòng)能和動(dòng)能定理”教學(xué)案例分析

“動(dòng)能和動(dòng)能定理”是高中物理“功和能”板塊中的核心內(nèi)容,從初中對(duì)動(dòng)能的定性研究上升到定量研究,而動(dòng)能定理又將合力的功與物體動(dòng)能的變化形成了聯(lián)系,極大地方便了學(xué)生對(duì)多過(guò)程問(wèn)題的求解。學(xué)生在本節(jié)的學(xué)習(xí)中容易對(duì)動(dòng)能的表達(dá)式進(jìn)行機(jī)械記憶,對(duì)合力做功的過(guò)程和物體動(dòng)能變化之間的邏輯關(guān)系認(rèn)識(shí)模糊。筆者對(duì)人教版物理必修2中該部分的課程設(shè)計(jì)順序做了一些調(diào)整,同時(shí)將動(dòng)能、動(dòng)能定理及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程整合為一個(gè)包含科學(xué)推理的有機(jī)整體,運(yùn)用PBL教學(xué)法讓學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)的同時(shí)提升科學(xué)推理能力。

4.1 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

播放“子彈擊穿西瓜”“飛馳的高鐵列車”的視頻讓學(xué)生回憶動(dòng)能的定義，此前對(duì)重力勢(shì)能的認(rèn)識(shí)從定性走向了定量,高中階段對(duì)動(dòng)能的學(xué)習(xí)同樣如此。

問(wèn)題1:怎樣計(jì)算物體動(dòng)能的大小,動(dòng)能的表達(dá)式是什么?

播放“F1賽車啟動(dòng)”“神舟一號(hào)飛船發(fā)射”的視頻,賽車和飛船的狀態(tài)均從靜止到運(yùn)動(dòng),獲得了動(dòng)能。

問(wèn)題2:根據(jù)功能關(guān)系,做功導(dǎo)致物體具有的能量發(fā)生變化,那么是什么力做功使物體動(dòng)能發(fā)生了變化?

開門見(jiàn)山,直奔主題,這兩個(gè)問(wèn)題并非是讓學(xué)生立即進(jìn)行討論和回答,目的在于讓學(xué)生明確接下來(lái)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題,以此作為推理的導(dǎo)向。

4.2 探明原有認(rèn)知,尋找推理出發(fā)點(diǎn)

問(wèn)題3:請(qǐng)回顧初中學(xué)過(guò)的有關(guān)動(dòng)能的知識(shí),動(dòng)能的大小和什么因素有關(guān)呢?如何探究?

再現(xiàn)初中探究“動(dòng)能大小影響因素”的實(shí)驗(yàn)(如圖2)，本實(shí)驗(yàn)讓鋼球從斜面上滑下獲得動(dòng)能,通過(guò)比較鋼球撞擊木塊后木塊滑動(dòng)距離的大小定性比較鋼球動(dòng)能的大小。該實(shí)驗(yàn)采用控制變量法進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn),甲組實(shí)驗(yàn)中鋼球質(zhì)量相同，下滑高度不同,得到的結(jié)論為速度越大的鋼球動(dòng)能越大;乙組實(shí)驗(yàn)中鋼球質(zhì)量不同，從同一高度滑下,得到的結(jié)論為質(zhì)量越大的鋼球動(dòng)能越大,從而定性確定了影響動(dòng)能大小的兩個(gè)因素——速度、質(zhì)量。本環(huán)節(jié)以學(xué)生的原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為起點(diǎn),采用控制變量法，定性討論、推理,避免直接進(jìn)入定量討論,可以讓學(xué)生處于科學(xué)推理的心理準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖2

4.3 問(wèn)題引領(lǐng)推理過(guò)程,提出假設(shè)，尋找證據(jù)

知道了物體動(dòng)能的大小同時(shí)與物體的質(zhì)量、速度都呈正相關(guān),但定量關(guān)系依然不明確,學(xué)生會(huì)猜測(cè)動(dòng)能可能的表達(dá)式為Ek=kmv、Ek=kmv2、Ek=km2v……既然直接尋找動(dòng)能的表達(dá)式遇到困難,不妨轉(zhuǎn)換一下思路,從功能關(guān)系的角度入手,轉(zhuǎn)而關(guān)注物體動(dòng)能變化的這一過(guò)程。

問(wèn)題4:F1賽車啟動(dòng)和神舟一號(hào)發(fā)射的過(guò)程中,它們的動(dòng)能都發(fā)生了變化,物理情景有什么共同點(diǎn)?能通過(guò)歸納找出引起物體動(dòng)能變化的內(nèi)在原因嗎?

教師引導(dǎo)學(xué)生展開討論,此處將賽車和飛船的運(yùn)動(dòng)當(dāng)做直線運(yùn)動(dòng)的物理模型，并對(duì)它們進(jìn)行受力分析,分析其所受合力F。對(duì)于同一個(gè)質(zhì)量不變的物體,只要速度大小發(fā)生了變化,即存在加速度a,物體動(dòng)能則改變，即：合力F≠0→a≠0→速度大小變化→動(dòng)能變化，合力F=0→a=0→速度大小不變→動(dòng)能不變。

再?gòu)淖龉Φ慕嵌确治?物體動(dòng)能改變時(shí)合力做功WF≠0,反之WF=0。至此,教師引導(dǎo)學(xué)生將歸納推理的結(jié)果形成結(jié)論:動(dòng)能的變化不依賴于某一個(gè)力是否做功,而取決于合力是否對(duì)物體做了功。

此問(wèn)題為本節(jié)學(xué)習(xí)中的邏輯關(guān)鍵點(diǎn),從動(dòng)能變化的過(guò)程出發(fā),對(duì)物體進(jìn)行受力分析、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析以及功能關(guān)系的分析。通過(guò)歸納推理中的求同法和求異法,得出動(dòng)能變化的原因,將其作為定量討論的出發(fā)點(diǎn)。

問(wèn)題5:重力做功對(duì)應(yīng)重力勢(shì)能的變化,合力做功對(duì)應(yīng)動(dòng)能的變化,能否進(jìn)行類比推理，從而找到動(dòng)能的表達(dá)式?

重力做功和重力勢(shì)能的關(guān)系表示為WG=mgh1-mgh2,可以提醒學(xué)生大膽假設(shè):在動(dòng)能變化這一過(guò)程中,也應(yīng)出現(xiàn)類似形式的等式,等式左邊為合力的功,等式右邊為動(dòng)能的變化。簡(jiǎn)化模型如圖3所示，一個(gè)質(zhì)量為m的物體,在恒力F的作用下做直線運(yùn)動(dòng),速度由v1變到了v2,發(fā)生的位移為x。

圖3

圖4

在本環(huán)節(jié)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè),各個(gè)小組呈現(xiàn)各自的驗(yàn)證結(jié)果,通過(guò)小組內(nèi)和小組間的討論,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行自評(píng),教師將每個(gè)小組的結(jié)果進(jìn)行匯總。

4.4 評(píng)價(jià)推理結(jié)果,統(tǒng)一結(jié)論

圖5

4.5 知識(shí)系統(tǒng)化與方法顯化

上述教學(xué)過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生思維的發(fā)展,教師還需完善本節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu),比如動(dòng)能的標(biāo)矢性,動(dòng)能定理的應(yīng)用步驟以及在變力做功中的普適性,筆者將本節(jié)知識(shí)以清單的形式系統(tǒng)化輸出,使知識(shí)能在學(xué)生的大腦中條理化,并能舉例應(yīng)用。教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧整個(gè)科學(xué)推理過(guò)程,明確指出教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用的控制變量推理、歸納推理、類比推理等科學(xué)推理方法,梳理、顯化科學(xué)推理方法,方便學(xué)生理解并在相似的問(wèn)題情境中進(jìn)行遷移。

5 小結(jié)

整個(gè)教學(xué)過(guò)程沒(méi)有讓學(xué)生機(jī)械地記住動(dòng)能的表達(dá)式,而是進(jìn)行了主動(dòng)的、有意義的建構(gòu),動(dòng)能定理的推出也是水到渠成,通過(guò)層層深入的問(wèn)題,體會(huì)科學(xué)推理思維的連續(xù)性。本節(jié)內(nèi)容本身理論性較強(qiáng),但經(jīng)歷這樣一個(gè)以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的科學(xué)推理過(guò)程后,像是在經(jīng)歷一個(gè)“破案”的過(guò)程,讓學(xué)生體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的快樂(lè)。總之,利用PBL教學(xué)法,以問(wèn)題引領(lǐng)科學(xué)推理,關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程,構(gòu)建合作型、探究型、思維型課堂,能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,有效提升學(xué)生的科學(xué)推理能力,順應(yīng)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

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