臧富華 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)的建構(gòu)意義

1.1 體現(xiàn)物理學(xué)科內(nèi)涵發(fā)展以學(xué)生為本的教育

物理學(xué)作為最先建立起來的一門自然科學(xué)，研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依靠模型建構(gòu)和數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系.物理學(xué)的這一學(xué)科特點(diǎn)，決定了物理課程在人才培養(yǎng)與素質(zhì)提升等方面不可或缺的作用.

面對(duì)如此重要的一門學(xué)科，開展真正體現(xiàn)物理學(xué)科內(nèi)涵的教育是物理教育工作者追求的目標(biāo)，而物理學(xué)科核心素養(yǎng)正是凸顯物理學(xué)科本質(zhì)的規(guī)范要求，與之前的三維課程目標(biāo)相比，物理核心素養(yǎng)更加強(qiáng)調(diào)從學(xué)科知識(shí)本位到以學(xué)生為本的教育觀念的滲透和轉(zhuǎn)變，更加凸顯物理課程的育人功能，這將促進(jìn)物理教師思考物理學(xué)究竟是什么，物理課程對(duì)學(xué)生的真正意義是什么，這就對(duì)物理教師不斷創(chuàng)新物理教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展提出了更高的要求[1].

1.2 順承核心素養(yǎng)總綱領(lǐng)促進(jìn)人的全面發(fā)展

中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，以全面發(fā)展的人為核心，分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3個(gè)方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新六大素養(yǎng).可以看出，物理學(xué)科素養(yǎng)所包含的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任都在彰顯學(xué)科本質(zhì)要求的基礎(chǔ)上又很好地順承了核心素養(yǎng)的總綱領(lǐng)，指向培養(yǎng)全面發(fā)展的人的總目標(biāo).物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀等基本物理觀念的形成，將幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)世界，為解決實(shí)際問題打下良好的基礎(chǔ)，主要服務(wù)于科學(xué)精神的培養(yǎng)；模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的培養(yǎng)，則幫助學(xué)生形成從物理學(xué)角度解釋客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的能力，主要服務(wù)于實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)；科學(xué)探究能力的培養(yǎng)讓學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題、根據(jù)特定情境制定解決問題的合理方案并親自落實(shí)到行動(dòng)中去的實(shí)踐創(chuàng)新能力，主要服務(wù)于科學(xué)精神和實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成則讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上，形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，主要服務(wù)于科學(xué)與社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)素養(yǎng)的培養(yǎng).需要強(qiáng)調(diào)的是，物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)要素對(duì)應(yīng)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)雖各有側(cè)重但并不是割裂開來的，而是相輔相成、互相促進(jìn)，共同服務(wù)于實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力的培養(yǎng).

2 原始物理問題教學(xué)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的適切性

2.1 原始物理問題的概念界定及特征

原始物理問題指的是在自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理現(xiàn)象和事實(shí)，其表述形式是采用文字?jǐn)⑹龅姆绞絹沓尸F(xiàn)物理現(xiàn)象[2].原始物理問題有別于傳統(tǒng)的物理習(xí)題，它是未經(jīng)抽象加工的在生活中存在的原汁原味的真實(shí)而有價(jià)值的問題，沒有明確的已知量和未知量，解決問題所需的條件需要學(xué)生自己提取或設(shè)定，比如：人在騎自行車轉(zhuǎn)彎時(shí)需要傾斜一定的角度，問角度多大時(shí)才能使人既能轉(zhuǎn)過彎又不摔倒？請(qǐng)推導(dǎo)出一個(gè)表達(dá)式進(jìn)行解釋.顯然，情境性、真實(shí)性、結(jié)構(gòu)不良、難度較大、應(yīng)用性、綜合性等是原始物理問題的特征，它和傳統(tǒng)習(xí)題的關(guān)系如圖1所示.楊振寧教授曾經(jīng)說過，物理學(xué)最重要的部分一定是與現(xiàn)象有關(guān)的，絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.而原始物理問題恰是一種與物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的具備可操作性的物理教育方式.

圖1 原始物理問題與傳統(tǒng)物理習(xí)題的關(guān)系

2.2 原始物理問題教學(xué)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的適切性

2.2.1 原始物理問題教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展

物理核心素養(yǎng)的維度之一是科學(xué)思維，原始物理問題作為一種真實(shí)情境下的問題，其解決過程需要邏輯思維和非邏輯思維的共同參與，而習(xí)題的解決只有邏輯思維的參與，因此，我們認(rèn)為，原始物理問題教學(xué)能更好地訓(xùn)煉學(xué)生的科學(xué)思維.愛因斯坦在科學(xué)思維過程理論中，對(duì)邏輯思維和非邏輯思維在科學(xué)創(chuàng)造中的作用作了明確的闡述，如圖2所示.

圖2 邏輯思維和非邏輯思維在科學(xué)創(chuàng)造中的作用

愛因斯坦對(duì)圖2作了如下說明：

(1)ε(直接經(jīng)驗(yàn))是已知的.

(2)A是假設(shè)或者公理.由A推出一定的結(jié)論來.從心理狀態(tài)方面來說，A是以ε為基礎(chǔ)的.但是在A同ε之間是不存在必然邏輯聯(lián)系的，而只有一個(gè)非必然的直覺的(心理的)聯(lián)系.

(3)由A通過一些邏輯道路推導(dǎo)出各個(gè)個(gè)別的結(jié)論S.

(4)S可以同ε聯(lián)系起來(用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證).這一步驟實(shí)際上也是非邏輯的(直覺的)，因?yàn)镾中出現(xiàn)的概念同直接經(jīng)驗(yàn)ε之間并不存在必然的邏輯聯(lián)系[3].

從愛因斯坦的科學(xué)思維過程理論可以看出，科學(xué)思維的開始和終結(jié)都是超邏輯思維，只有中間過程是邏輯思維.愛因斯坦曾經(jīng)說過，單純的邏輯思維不能給我們?nèi)魏侮P(guān)于經(jīng)驗(yàn)世界的知識(shí)；一切關(guān)于實(shí)在的知識(shí)，都是從經(jīng)驗(yàn)開始又終結(jié)于經(jīng)驗(yàn)的，這足以看出超邏輯思維的重要性.值得注意的是，傳統(tǒng)的習(xí)題教學(xué)是一種“掐頭去尾燒中段”的模式，只側(cè)重中間環(huán)節(jié)(演算、推導(dǎo))，這就導(dǎo)致許多學(xué)生只會(huì)用已知條件去解題，在實(shí)際問題面前卻無從下手.由于原始問題是對(duì)現(xiàn)象的描述，當(dāng)學(xué)生面臨原始問題的“頭”時(shí)，只能調(diào)動(dòng)自己頭腦中的經(jīng)驗(yàn)和已知理論，運(yùn)用相似、類比、外推、猜測(cè)、不連續(xù)、不完整和非邏輯的方法對(duì)原始問題的本質(zhì)形成適應(yīng)性、啟發(fā)性的領(lǐng)悟，這種科學(xué)抽象思維就帶有大幅度跳躍式提取和加工信息的特點(diǎn)，這種跳過個(gè)別證明細(xì)節(jié)，戰(zhàn)略式地認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的方式，是人類認(rèn)識(shí)事物的重要方式.而當(dāng)學(xué)生面臨原始問題的“尾”時(shí)，同樣需要借助于物理直覺和經(jīng)驗(yàn)，來判斷結(jié)論的正確性與合理性.顯然，這樣的思維訓(xùn)練比傳統(tǒng)習(xí)題更有助于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維.

通過在教學(xué)中逐漸融入原始物理問題，給學(xué)生提供真實(shí)的物理情境，久而久之，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)問題的敏感性，學(xué)生的邏輯思維和非邏輯思維也在解決問題的過程中得到了訓(xùn)練，由此促進(jìn)了他們創(chuàng)造性思維的發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.2.2 原始物理問題教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的轉(zhuǎn)變

心理學(xué)家西蒙提出了科學(xué)發(fā)現(xiàn)規(guī)范理論，其中提到科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一種創(chuàng)造性的問題解決，是受目標(biāo)指引的認(rèn)知操作序列，解決問題，實(shí)際上就是要找到一種能把初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)狀態(tài)的操作序列.西蒙歸結(jié)了兩類科學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑：一類是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，即科學(xué)家先要大量地收集數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出規(guī)律性的東西，再解釋這些規(guī)律，是一種表征水平相對(duì)較低的認(rèn)知操作模式；另一類是理論驅(qū)動(dòng)，即科學(xué)家先要提出假設(shè)性理論，然后做出預(yù)測(cè)，并根據(jù)事實(shí)來檢驗(yàn)理論，這是一種相對(duì)較高的認(rèn)知操作模式.習(xí)題往往在形式上與物理現(xiàn)象相聯(lián)系，其實(shí)對(duì)現(xiàn)象作了高度的抽象，且提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)，學(xué)生在長(zhǎng)期、大量的習(xí)題訓(xùn)練中對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了很強(qiáng)的依賴，從而形成了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的認(rèn)知操作模式.與習(xí)題相比較，原始問題只有現(xiàn)象，沒有“抽象”，只有描述，沒有“數(shù)據(jù)”.學(xué)生要依據(jù)現(xiàn)象，通過假設(shè)、抽象等方法自己定義，因此，原始物理問題的解決模式就成為一個(gè)理論驅(qū)動(dòng)模式，進(jìn)一步，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段理論，學(xué)生解決物理習(xí)題實(shí)際上主要對(duì)應(yīng)具體運(yùn)算水平，而解決原始物理問題對(duì)應(yīng)形式運(yùn)算水平，所以實(shí)現(xiàn)從習(xí)題教學(xué)到原始物理問題教學(xué)的轉(zhuǎn)變，不僅能促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知方式從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)加工到理論驅(qū)動(dòng)加工的轉(zhuǎn)化，而且也有利于學(xué)生物理認(rèn)知水平的提高.

2.2.3 原始物理問題教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生物理思維能力的發(fā)展

物理問題解決的表征理論，經(jīng)歷了麥克德莫特(McDermott)、拉金(Larkin)和鄧鑄等人的探索，邢紅軍教授以協(xié)同學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用生態(tài)心理學(xué)的研究取向，將原始物理問題作為研究對(duì)象，提出了一種具有更高生態(tài)解釋效度的理論——原始物理問題解決的自組織表征理論.這一理論認(rèn)為：?jiǎn)栴}解決是一個(gè)連續(xù)與突變相結(jié)合、獨(dú)立與關(guān)聯(lián)相結(jié)合、控制與自發(fā)相結(jié)合、協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)相結(jié)合、必然與偶然相結(jié)合的過程[4].并進(jìn)一步給出了原始物理問題的表征層次，分別為抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征，如圖3所示.

圖3 原始問題的表征層次

這一理論使得物理問題解決從信息加工心理學(xué)進(jìn)入了生態(tài)心理學(xué)的新階段，使問題解決更符合其本源意義.研究表明，原始物理問題每一個(gè)表征的背后都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的思維形式，如表1所示.

表1 表征層次與思維形式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表1可知，原始物理問題的解決過程即學(xué)生思維活動(dòng)的過程，如此，運(yùn)用原始物理問題教學(xué)不僅可以使學(xué)生學(xué)會(huì)如何進(jìn)行抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征，而且還能夠訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用抽象、形象、假設(shè)、判斷、分析和推理等思維形式去解決問題.這就表明，原始物理問題不僅能促進(jìn)學(xué)生物理問題表征能力的發(fā)展，而且能促進(jìn)物理思維能力的發(fā)展，從而能更好地發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).

3 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)建議

3.1 在課堂教學(xué)中滲透原始物理問題

早在 1983 年，北京大學(xué)的趙凱華先生就建議將原始物理問題引入教學(xué)[5]，這可以認(rèn)為是原始物理問題走入物理教學(xué)的發(fā)端.近年來，物理教育界逐漸形成共識(shí)，認(rèn)為教育從“知識(shí)核心時(shí)代”走向“核心素養(yǎng)時(shí)代”的變革已經(jīng)到來.開展原始物理問題教學(xué)，正是順應(yīng)這一偉大變革的應(yīng)然之舉[6].課堂作為物理教學(xué)的主陣地，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，就要在課堂教學(xué)中逐漸滲透原始物理問題.由于原始物理問題具有生態(tài)性的特點(diǎn)，所以學(xué)生解決問題過程中的思維活躍，這就要求教師在進(jìn)行原始物理問題教學(xué)前，要做好充分的準(zhǔn)備，具有明確的教學(xué)思路，并對(duì)突發(fā)情況做好預(yù)設(shè).滲透原始物理問題的教學(xué)步驟大致可以分為給出原始物理問題情境、激發(fā)學(xué)生的解題動(dòng)機(jī)、學(xué)生思考并分組討論、學(xué)生陳述解題思路、師生共同還原問題情境、分析講解原始物理問題、問題變式鞏固練習(xí)、布置原始物理問題作業(yè).要注意的是，由于課堂教學(xué)時(shí)間有限，原始物理問題教學(xué)要耗費(fèi)一定的時(shí)間和精力成本，所以教師要合理制定教學(xué)計(jì)劃，把握好原始物理問題滲透的度.

3.2 在課外活動(dòng)中滲透原始物理問題

由于原始物理問題本身具有生態(tài)性、趣味性和應(yīng)用性的特點(diǎn)，且課堂教學(xué)時(shí)間有限，故在課外活動(dòng)中滲透原始物理問題是一個(gè)重要途徑.在某些時(shí)候，課外活動(dòng)能提供更真實(shí)的物理情境，更易激發(fā)學(xué)生的興趣和積極性，能夠達(dá)到課堂教學(xué)達(dá)不到的教學(xué)效果.譬如，在科普活動(dòng)、知識(shí)競(jìng)賽、專題講座等課外活動(dòng)中滲透原始物理問題.科普活動(dòng)往往會(huì)提供一種輕松的環(huán)境，科普內(nèi)容與日常生活息息相關(guān).把抽象難懂的原理用簡(jiǎn)單明了的例子講解清楚，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和效率，拓寬學(xué)生的科學(xué)視野，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和社會(huì)責(zé)任意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生用科學(xué)解決問題的動(dòng)力；知識(shí)競(jìng)賽可以起到考查學(xué)生解決問題的能力和鍛煉學(xué)生心理素質(zhì)的雙重效果，提高學(xué)生的參與度，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情；專題講座滲透原始物理問題可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力.可以說，不同的滲透方式各有特點(diǎn)，重要的是，要充分了解學(xué)生的需求，在原始物理問題滲透的整個(gè)過程中，注意發(fā)散學(xué)生的思維，鍛煉學(xué)生思維的靈活性，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

3.3 在中高考命題中滲透原始物理問題

“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象在我國(guó)物理教育中根深蒂固，至今尚未得到很好的解決.其實(shí)，高考物理命題委員會(huì)對(duì)原始物理問題已經(jīng)有所認(rèn)識(shí).對(duì)于這類問題，高考物理命題委員會(huì)認(rèn)為：“這類試題可以測(cè)試出學(xué)生較高層次的能力水平，如想象能力、獨(dú)立分析和解決問題的能力、數(shù)學(xué)能力、語(yǔ)言表達(dá)能力等，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛質(zhì)有較好的預(yù)測(cè)作用，有利于選拔學(xué)生.但如果用的不恰當(dāng)，則會(huì)帶來一些困難.與這種試題類似的題目在高考中應(yīng)用要十分慎重.到底怎么做才恰當(dāng)？很值得進(jìn)一步探討和研究.”[7]

不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于如何利用原始物理問題，高考物理命題委員會(huì)一方面肯定原始物理問題可以測(cè)出學(xué)生較高層次的能力水平，有利于選拔學(xué)生，另一方面又擔(dān)心造成學(xué)生平均成績(jī)下降，對(duì)中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀造成沖擊.一項(xiàng)運(yùn)用原始物理問題考查中學(xué)生物理能力的研究發(fā)現(xiàn)，中學(xué)生對(duì)學(xué)到的物理知識(shí)能應(yīng)用于實(shí)際問題上表現(xiàn)出濃濃的喜悅和自豪之情[8].因此我們認(rèn)為，中高考物理命題改革的方向就是要逐漸在試題中滲透原始物理問題，這不僅能考查學(xué)生的真實(shí)能力，發(fā)揮中高考對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的引領(lǐng)作用，而且能促進(jìn)原始物理問題在日常教學(xué)中的滲透，從而真正轉(zhuǎn)變題海戰(zhàn)術(shù)現(xiàn)象，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng).