丁 珂 錢長炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

模型建構(gòu)和科學(xué)論證是近年來國外科學(xué)教育相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者的關(guān)注熱題.而隨著我國新一輪高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布,提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)也將模型建構(gòu)和科學(xué)論證納入了科學(xué)思維方面.毫無疑問這將對我國高中物理課堂教學(xué)的實(shí)施產(chǎn)生巨大的影響.[1]但現(xiàn)階段由于對模型建構(gòu)和科學(xué)論證教學(xué)缺少切實(shí)可行、行之有效的指導(dǎo)方案和評價方案使得物理教學(xué)在該方面的進(jìn)展緩慢.鑒于此,本文結(jié)合國外相關(guān)文獻(xiàn),提出將SNP(Science Negotiation Pedagogy)教學(xué)模式融入高中物理課堂教學(xué),并且以“庫侖定律”一節(jié)為例作更為深入和具體的討論,希望可以為廣大物理教學(xué)研究人員帶來一些啟示和幫助.

1 SNP教學(xué)模式及其融入高中物理課堂教學(xué)的思考

SNP教學(xué)模式是國外學(xué)者Chen等人在生物課堂中致力于將建?；顒蛹{入論證語境開發(fā)的教學(xué)模式.[2]該模式的理論框架如圖1所示,此框架以大概念為核心指導(dǎo),這里的大概念指的是組織整合某個學(xué)科內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵核心概念.[3]在大概念的指導(dǎo)下師生協(xié)商共同提出一個有代表性的問題以引領(lǐng)該核心概念的深入探究,在大概念和具體問題的引導(dǎo)下學(xué)生開始初步建構(gòu)模型,使該模型既能表征大概念又能解決所提出的問題.學(xué)生隨后根據(jù)各自建構(gòu)的模型開展論證,主要是通過對原始資料進(jìn)行推理加工使其成為證據(jù),支持自己對某一核心概念的主張,并能對上述提出的問題做出合理的解答.

圖1 SNP教學(xué)模式理論框架

SNP教學(xué)模式不僅能夠有效促進(jìn)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、邏輯推理能力和批判思維能力,而且還能培養(yǎng)學(xué)生的小組合作能力和語言表達(dá)能力,在很大程度上有助于學(xué)生綜合能力素質(zhì)的提高.令人慶幸的是,筆者發(fā)現(xiàn)該種模式在高中物理課堂教學(xué)中也能得到較好的適用.首先,物理學(xué)科有著豐富的模型與建模資源,其次該學(xué)科的發(fā)展本身就是經(jīng)過無數(shù)次的爭論演變而成.由此看來,這些條件為SNP教學(xué)模式的實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ).需要指出的是該模式的使用并非“拿來主義”,而是需結(jié)合相關(guān)課題的內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)情,如是否有模型資源、建模的必要或開展論證的知識儲備等問題.下面,筆者將以“庫侖定律”一節(jié)為例,詳細(xì)闡述SNP教學(xué)模式融入該課題教學(xué)的具體實(shí)施情況,希望對相關(guān)物理教學(xué)研究者帶來有益的啟示.

2 SNP教學(xué)模式融入“庫侖定律”課堂教學(xué)的實(shí)踐探索

根據(jù)上述有關(guān)模型與論證整合的理論框架,可制定SNP教學(xué)模式在課堂中的具體展開流程,如圖2所示.從中可以看出該種教學(xué)模式更加注重學(xué)生建構(gòu)知識的過程.對此,我們考慮將“庫侖定律”一節(jié)中有關(guān)“電荷間相互作用力大小影響因素的探究”和“庫侖定律歷史實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究”合理地融入其中.通過引導(dǎo)學(xué)生利用橡膠棒建立模型探究驅(qū)動問題、口頭論證主張合理性、查閱庫侖扭秤和電擺相關(guān)史學(xué)材料以及反思寫作來完成該節(jié)課的學(xué)習(xí).

圖2 SNP教學(xué)模式在課堂中的展開流程

2.1 設(shè)立驅(qū)動問題 引領(lǐng)探究活動

在理解自然現(xiàn)象時,識別問題是開展探究的第一步.在傳統(tǒng)的物理課堂中,教師往往通過設(shè)置一系列問題來引導(dǎo)學(xué)生思考,推動課堂教學(xué),但這種方式可能難以使學(xué)生聚焦一節(jié)課的重點(diǎn).因此,SNP教學(xué)模式提出使用單一、具體且明確的“驅(qū)動問題”作為探究活動開展的核心關(guān)鍵,既表征該單元的主題,又引領(lǐng)整節(jié)課的學(xué)習(xí).

為了在“庫侖定律”教學(xué)中生成一個良好的驅(qū)動問題,教師可以提前準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料,要求學(xué)生演示簡單的小實(shí)驗(yàn)如摩擦氣球使其隔空推動空易拉罐滾動,[4]或根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)表達(dá)他們對電荷間相互作用的初步認(rèn)識.教師在此基礎(chǔ)上通過提出“電荷間的相互作用力是否有大小之分”引導(dǎo)學(xué)生深入思考,并且激發(fā)探究興趣.最終,師生共同討論和商量確定該節(jié)課的驅(qū)動問題為“電荷間的相互作用力與哪些因素有關(guān),有什么關(guān)系”.

2.2 分組建構(gòu)模型 探究驅(qū)動問題

該階段的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生小組合作建構(gòu)一個可以探究驅(qū)動問題的物理模型.教師首先將學(xué)生分組,并且發(fā)給每小組一個資料包,該資料包中有此節(jié)課堂活動的指導(dǎo)講義與相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材,如表1所示.在指導(dǎo)講義里通過點(diǎn)明物理觀念、聲明驅(qū)動問題,指出學(xué)習(xí)目標(biāo)和強(qiáng)調(diào)安全注意事項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)對該模式教學(xué)的引導(dǎo).如此一來,學(xué)生既能在相互作用觀的引領(lǐng)下認(rèn)識宏觀主題內(nèi)容,又能通過模型建構(gòu)的方式基于微觀視角開展探究學(xué)習(xí).

表1 “庫侖定律”課堂指導(dǎo)講義

在此過程中由于學(xué)生首次建構(gòu)模型可能會發(fā)覺現(xiàn)象并不符合預(yù)期,甚至不符合科學(xué)解釋,此時教師需及時發(fā)揮引導(dǎo)作用,即通過對學(xué)生展現(xiàn)的模型表示疑問來促進(jìn)其模型的改善,如“我發(fā)現(xiàn)所有模型都利用了懸線將橡膠棒或玻璃棒懸起,雖然懸掛的方向不同,但這樣做的目的是什么呢?”待學(xué)生回答是為了“利用橡膠棒或玻璃棒的轉(zhuǎn)動表征力的作用大小”之后,教師進(jìn)一步引導(dǎo)“怎樣才能使力的大小更加明顯地體現(xiàn)出來呢”……通過類似的表述促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步修改和完善他們的模型.

2.3 完成書面論證 構(gòu)建初階論點(diǎn)

這一階段旨在讓學(xué)生利用各小組建構(gòu)的模型作為工具,開展由主張、資料和推理組成的書面論證.教師此時只需鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生利用他們所建構(gòu)的模型生成相應(yīng)的定性描述或推論并作出恰當(dāng)?shù)慕忉尲纯?表2是教師為學(xué)生提前準(zhǔn)備的書面論證指南,學(xué)生可根據(jù)論證指南中有關(guān)主張和證據(jù)的提示構(gòu)建初階論證觀點(diǎn).

表2 書面論證寫作指南

在此過程中,教師可通過詢問一些問題來探測學(xué)生的進(jìn)程,例如“你們的模型中哪些證據(jù)證明了電荷間相互作用力與距離、電荷量有關(guān)?且根據(jù)你們的證據(jù)能說出他們之間的(定量)關(guān)系么”.由于第二個問題有一定難度,教師此時需要引導(dǎo)學(xué)生將電荷之間的相互作用與行星之間的作用類比,強(qiáng)調(diào)“類比”的思維方法,促使學(xué)生根據(jù)萬有引力定律做出相關(guān)定量假設(shè).總之,在這一階段,教師的主要任務(wù)是確保學(xué)生建立的模型、證據(jù)與主張之間的統(tǒng)一性,以便能夠有效地在班級里開展口頭論證環(huán)節(jié).

2.4 展開口頭論證 彼此交互模型

論證是科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路.因此,教師需要營造一個論證環(huán)境,使學(xué)生在其中分享、辯論、說服與合作.各小組在此階段向全班學(xué)生展示自己的模型和論點(diǎn),經(jīng)過質(zhì)疑與批判,進(jìn)一步修正和完善各自的模型與論點(diǎn).與此同時,教師也是組成該論證活動的一部分,其引導(dǎo)水平與學(xué)生的論證水平共同決定著該種模式在課堂中的開展效果.對此,可通過表3所示的測評表對教師和學(xué)生的課堂論證水平進(jìn)行評價和監(jiān)控.

表3 基于SNP教學(xué)模式的課堂論證水平評價標(biāo)準(zhǔn)

圖3 “庫侖定律”一節(jié)模型演化示意圖

2.5 咨詢請教“專家” 了解“庫侖定律”

庫侖定律相關(guān)實(shí)驗(yàn)及建立過程蘊(yùn)藏著豐富的模型、方法以及科學(xué)精神,對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)、科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識都能起到促進(jìn)作用.教師首先展示庫侖扭稱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖4(a)所示,[6]介紹其精密的儀器構(gòu)造和巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)想,隨后展示其核心組件構(gòu)成的模型,如圖4(b)所示,在學(xué)生將自己的模型與庫侖扭秤對比,發(fā)現(xiàn)庫侖是利用金屬小球做的實(shí)驗(yàn)之后,教師進(jìn)一步類比力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)”指出“點(diǎn)電荷”模型在探討電荷間相互作用時的重要意義,以此強(qiáng)化理想模型在物理學(xué)科中的應(yīng)用.此外,教師進(jìn)一步擴(kuò)展庫侖在當(dāng)時沒有電荷量單位的情況下如何利用“對稱”的方法探究電荷量對電荷間作用力的影響,使得在顯化方法的教學(xué)過程中,加強(qiáng)對學(xué)生的思維教育.

圖4 庫侖扭秤及其模型示意圖

圖5 庫侖電擺示意圖

2.6 反思寫作 總結(jié)經(jīng)驗(yàn) 提高認(rèn)識

最后通過寫作這一過程來幫助學(xué)生思考和總結(jié)“庫侖定律”一節(jié)內(nèi)容.在該階段學(xué)生可以通過回想建立模型和形成論點(diǎn)過程中思想產(chǎn)生的變化,并深入思考是什么經(jīng)歷和原因促使了這些變化的產(chǎn)生,以及他們對核心概念的理解又有了怎樣進(jìn)一步的認(rèn)識等.總的來說這個過程是學(xué)生通過對自己整節(jié)課的鞏固、反思以形成對知識的總結(jié)與升華.表4為寫作評價標(biāo)準(zhǔn),用于評判和提高學(xué)生在課堂中反思性寫作的水平.

表4 科學(xué)課程中的寫作評價標(biāo)準(zhǔn)

在“庫侖定律”一節(jié)課中,實(shí)施這一評價標(biāo)準(zhǔn)不僅可以幫助學(xué)生理解什么是具有良好結(jié)構(gòu)的主張,以及什么構(gòu)成了較高質(zhì)量的論證活動,而且教師可以通過學(xué)生的寫作了解其對該節(jié)知識的認(rèn)識水平和層次,從而有針對性的提供幫助以促進(jìn)學(xué)生對知識的深入理解.

3 小結(jié)與啟示

通過上述對SNP教學(xué)模式融入我國高中物理課堂教學(xué)的深入思考與實(shí)踐分析,筆者認(rèn)為該模式為我國高中物理教學(xué)提供了一種新的教學(xué)思路.學(xué)生通過在核心概念的引導(dǎo)下建構(gòu)模型、書面論證、口頭論證,“咨詢專家”驗(yàn)證自己的模型和論點(diǎn),并且進(jìn)行反思性寫作以實(shí)現(xiàn)對整節(jié)課堂的總結(jié).這種模式在很大程度上以思維的訓(xùn)練帶動了物理觀念、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng),對于物理學(xué)科核心素養(yǎng)整體目標(biāo)的落實(shí)起到了促進(jìn)作用.

在對SNP教學(xué)模式進(jìn)行理論分析和應(yīng)用摸索的過程中,筆者深深地感受到在我國基礎(chǔ)教育物理課程基本理念趨于轉(zhuǎn)型的重要時期,選擇合適恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式和方式方法落實(shí)課程目標(biāo)無疑是當(dāng)務(wù)之急.這既關(guān)乎學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,又涉及課程與教學(xué)改革的有效推進(jìn),既是物理課程與教學(xué)相關(guān)研究者的重要責(zé)任也是偉大使命.