趙 瑩

(江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué)，江蘇 無錫 214123)

1 真實(shí)問題與常見問題

目前對問題的定義比較認(rèn)可的是美國學(xué)者厄爾和西蒙所總結(jié)的定義,他們認(rèn)為問題是這樣一種情境:個(gè)體想做某件事,但不能馬上知道完成這件事所需采取的一系列行動．[1]無論問題簡單或復(fù)雜、抽象或具體、持續(xù)的時(shí)間長或短,每一個(gè)問題都包含3種成分(如圖1所示)．

圖1 問題的3種成分

按照問題的組織程度可以把問題分為結(jié)構(gòu)不良問題(具有不明確的目標(biāo)、條件和解答,又稱為開放性問題)和結(jié)構(gòu)良好問題(具有明確的目標(biāo)、條件和解答,又稱為封閉性問題)．真實(shí)問題則是指與生產(chǎn)生活實(shí)際直接相關(guān)聯(lián),往往屬于結(jié)構(gòu)不良問題．例如,“采取哪些措施,可以增加高速行駛汽車在緊急制動情形下的安全性”．單學(xué)科和跨學(xué)科結(jié)構(gòu)良好的問題常被合稱為常規(guī)問題,它也是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中最常遇到的問題．例如,“一輛以30 m/s勻速行駛的汽車,以2 m/s2加速度剎車,車能運(yùn)動多遠(yuǎn)”．本文主要探討,如何在解決真實(shí)問題和常規(guī)問題的過程中,提升學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維能力．

結(jié)構(gòu)不良問題的解決可分為7個(gè)階段(如圖2所示),結(jié)構(gòu)良好問題的解決可分為4個(gè)階段(如圖3所示)．[1]

圖2 結(jié)構(gòu)不良問題的解決步驟

圖3 結(jié)構(gòu)良好問題的解決步驟

2 借助問題解決提升學(xué)生科學(xué)思維能力的策略

2.1 借助真實(shí)問題解決,提升學(xué)生科學(xué)思維能力

2.1.1 借助真實(shí)問題解決,提升學(xué)生科學(xué)思維能力的案例

下面是筆者在課堂上的一個(gè)教學(xué)案例．原文為近500字的新聞報(bào)道,限于篇幅,筆者已剔除案例中部分與物理無關(guān)的信息．因?yàn)樘蕹畔⒌倪^程就是信息進(jìn)行甄別、提取、局部表征的過程,而這些都是整體表征問題的前提,所以老師在實(shí)際課堂呈現(xiàn)給學(xué)生的應(yīng)是案例的全文．

例1. ……發(fā)生一起惡性交通事故．一輛卡車急剎車,車上的水泥管卻因慣性沖破擋板壓扁了車頭,司機(jī)被壓在駕駛室中,當(dāng)場斃命……據(jù)目擊者介紹……車速并不快,行至滬閔公園門口的斑馬線時(shí),有幾個(gè)行人從馬路對面走來,卡車為避讓而緊急剎車……大卡車上滿載著6根長達(dá)十幾米的水泥管子,卻沒有任何捆綁措施．其中的兩根管子向前移動了近一米,整個(gè)車頭已被完全壓扁……為避免事故發(fā)生,請給駕駛員一個(gè)合理化的建議．

圖4 真實(shí)問題解決實(shí)例

這是一個(gè)典型的真實(shí)問題,其結(jié)果有一定的開放性,筆者按照圖4所示思路引導(dǎo)學(xué)生．學(xué)生經(jīng)過一段時(shí)間的問題表征(局部、整體)、科學(xué)推理、科學(xué)論證后,形成了不少論證結(jié)論,典型的結(jié)論可小結(jié)為:降低車速,避免緊急剎車;將水泥管捆扎牢,增大水泥管與駕駛室間的距離;提高駕駛室后側(cè)擋板的強(qiáng)度;注意觀察路上情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情;生命至上的安全意識．學(xué)生還有很多創(chuàng)意,比如設(shè)計(jì)防滑墊、為駕駛室后側(cè)擋板增加防撞緩沖裝置、開發(fā)報(bào)警系統(tǒng)等等,這些都體現(xiàn)了他們一定的創(chuàng)新能力潛質(zhì)．

2.1.2 借助真實(shí)問題解決,培育科學(xué)思維能力的范式

每一個(gè)真實(shí)問題解決的過程幾乎都包含了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的各個(gè)方面．怎樣借助真實(shí)問題的解決,更有效的培育學(xué)生的科學(xué)思維,筆者概括出了一個(gè)教學(xué)的范式(如圖5所示)．這只是范式,并非一個(gè)嚴(yán)格的固定模式．

圖5 借助真實(shí)問題培育科學(xué)思維能力的范式

2.2 借助常規(guī)問題解決培育科學(xué)思維的幾點(diǎn)建議

常規(guī)問題是教學(xué)中最常見的問題,其在培育科學(xué)思維能力方面的作用不言而喻．關(guān)于此類的研究和文獻(xiàn)也不少,筆者在此不再全面展開,僅提幾點(diǎn)建議,供參考．

2.2.1 問題呈現(xiàn)適度“情境化”,提高學(xué)生表征問題的能力

學(xué)生今后的學(xué)習(xí)與生活中將會面對很多前所未有的、復(fù)雜的、不確定的問題場景,創(chuàng)造力是21世紀(jì)的必備品格．近年的高考考題與生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系的趨勢非常明顯,考題也經(jīng)常以情境化的方式呈現(xiàn)．情景化的問題里面蘊(yùn)含著大量潛在的信息,什么有用,什么沒用,都是不明確的,學(xué)生能夠進(jìn)行甄別,并把它提煉出來、組織起來,也是素養(yǎng)的表現(xiàn)．問題的答案可以存在一定的開放性,長期封閉性問題的練習(xí),易使學(xué)生的思維形成一定的局限性,會影響對他們質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．

2.2.2 循序漸進(jìn)建構(gòu)模型,鋪設(shè)解決問題的底層支架

模型建構(gòu)是根據(jù)研究問題和情境,在對客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上,構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實(shí)驗(yàn)和物理概念的過程．在面對問題時(shí),學(xué)生要能從復(fù)雜的情境中正確的表征問題,學(xué)會用聯(lián)系的眼光看待事物,學(xué)會正確歸因,選用合適的物理模型解決問題．建構(gòu)模型有助于學(xué)生學(xué)會抓住事物的關(guān)鍵要素,加深他們對概念、過程和系統(tǒng)的理解,形成系統(tǒng)思維．

例2.斜面—滑塊模型是高中物理中最常見的模型之一．通過此類問題的解決,可以提高學(xué)生靈活應(yīng)用隔離法、整體法解決問題的能力．圖6甲所示,當(dāng)斜面靜止時(shí),滑塊分別處于:靜止→勻速下滑→勻加速下滑等三種狀態(tài),討論斜面和地面之間的摩擦力問題．在此基礎(chǔ)上,再討論圖6乙所示,當(dāng)小球與車廂相對靜止時(shí),按照斜面光滑和不光滑兩種情況,分別討論繩子與豎直方向夾角α和斜面傾角θ之間的關(guān)系．解析從略．

學(xué)生在解決新場景問題時(shí),總會自覺或不自覺的應(yīng)用已有的認(rèn)知去表征問題、歸類問題、尋找解決問題的圖式,而模型建構(gòu)教學(xué)則為此做好了最基礎(chǔ)的思維準(zhǔn)備．模型是轉(zhuǎn)變、遷移的前提,是萬變不離其宗的思維錨點(diǎn),教師應(yīng)該為轉(zhuǎn)變而教、為遷移而教．經(jīng)過梳理,筆者列出高中物理關(guān)于模型建構(gòu)教學(xué)的部分實(shí)例,供參考．

2.2.3 借助函數(shù)思維的培育,提高學(xué)生科學(xué)論證的能力

以函數(shù)思維來審視物理中變量之間的關(guān)系,往往能夠化難為易、化繁為簡,起到事半功倍的作用,不但能提高學(xué)生的知識遷移能力,而且可以開闊學(xué)生的視野,加強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的深度,激發(fā)學(xué)生的興趣．若在函數(shù)思維培養(yǎng)過程中常用一些函數(shù)術(shù)語進(jìn)行教學(xué),對教學(xué)過程進(jìn)行的“顯性化”處理,則學(xué)生遇到類似問題應(yīng)用函數(shù)思維的“敏感度”會提高．常用的術(shù)語如:“自變量”、“應(yīng)變量”、“表達(dá)式”、“定義域”、“值域”、“分段函數(shù)”及“函數(shù)的單調(diào)性”等．[3]

例3.人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動,其軌道半徑為r,線速度為v,周期為T,要使衛(wèi)星的周期變?yōu)?T,可以采取的辦法是

(B)v不變,使軌道半徑變?yōu)?r.

(C) 使衛(wèi)星的高度增加r.

答案選(D),詳解從略．解決該問題的關(guān)鍵是,關(guān)系式中分子上的物理量與分母上的物理量是獨(dú)立量(一個(gè)物理量的變化不會引起其他量的連鎖反應(yīng)),還是關(guān)聯(lián)量(與獨(dú)立量相對)．在說一個(gè)物理量(應(yīng)變量)與其他物理量(自變量)間是什么關(guān)系時(shí),要保證一個(gè)自變量變化時(shí),其他自變量能保持不變,即符合控制變量法的要求．由于知識水平和看問題的角度所限,學(xué)生容易犯上述錯(cuò)誤,教師在教學(xué)中時(shí)常指導(dǎo)學(xué)生檢驗(yàn)表達(dá)式中各自變量的獨(dú)立性．

2.2.4 指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會估算,提高學(xué)生科學(xué)推理的能力

圖7

在討論定量問題時(shí),未必所有問題都是越精確越好,有時(shí)是沒有必要,有時(shí)是不可能,也有時(shí)是既沒必要也不可能．在研究某些問題時(shí),甚至我們只要知道數(shù)量級即可以,如用油膜法估測分子的大小,應(yīng)用萬有引力定律估算天體間的距離等．矛盾論的哲學(xué)原理告訴我們,只有忽略次要矛盾,突出主要矛盾,抓住矛盾的主要方面,才能利于對問題的整體把握．

例4.一個(gè)小石子從離地某一高度處由靜止自由落下,某攝影愛好者恰好拍到了它下落的一段軌跡AB.該愛好者用直尺量出軌跡的長度,如圖7所示.已知曝光時(shí)間為10-3s,則小石子出發(fā)點(diǎn)離A點(diǎn)約為

(A) 6.5 m. (B) 10 m.

(C) 20 m. (D) 45 m.

雖然絕大部分學(xué)生選擇了正確答案(C),但筆者在講評的過程中,仍組織學(xué)生對這個(gè)問題進(jìn)行了深入的探討．首先,筆者在黑板上呈現(xiàn)了學(xué)生中幾種常見的解法(略),其共同缺點(diǎn)是步驟較繁、運(yùn)算量大;然后,筆者直接用AB段的平均速度代替A的速度,去求OA的間距;最后,筆者再問學(xué)生這種解法“靠譜”嗎?不少學(xué)生第一感覺這樣的做法有“瑕疵”,但就結(jié)果而言,好像還是可以接受的．[4]

2.2.5 借助物理學(xué)史中重大的“破與立”實(shí)例,培育學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的精神

物理學(xué)不少規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都經(jīng)歷了漫長而曲折的過程．通過此類問題的討論,可以幫助學(xué)生豎立敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新、不迷信權(quán)威的科學(xué)精神．

例5.人類在天體運(yùn)動規(guī)律方面的認(rèn)識,經(jīng)歷了“地心說→日心說→第谷的天文觀測→開普勒三定律→萬有引力定律”等階段,其中布魯諾為了日心說甚至付出了生命的代價(jià);人類對電與磁關(guān)系的認(rèn)識,經(jīng)歷了“電和磁各自獨(dú)立發(fā)展階段→奧斯特對電流磁效應(yīng)的研究→安培對安培力的研究→法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象→麥克斯韋方程組的建立”等階段;人們關(guān)于光的本性認(rèn)識,經(jīng)歷了“光的粒子說→光的波動說→粒子說與波動說的爭論階段→光子說→光的波粒二象性”等階段,其過程也是一波三折．[5]

3 結(jié)語

學(xué)生是社會主義事業(yè)的建設(shè)者和接班人,今后會面對各式各樣的“問題”,而科學(xué)思維則是順利解決這些“問題”的核心素養(yǎng)之一,其中的質(zhì)疑創(chuàng)新精神對民族復(fù)興更是至關(guān)重要,值得大家共同努力!