【摘要】科學(xué)家做物理學(xué)研究是有科研范式的。通過吸收其合理內(nèi)核，結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論，以批判性思維培養(yǎng)為基點，構(gòu)建課堂教學(xué)新范式，并以“追尋守恒量”教學(xué)為例，具體闡釋其操作方式和價值意義。

【關(guān)鍵詞】課堂改革;深度學(xué)習(xí);物理實驗;邏輯推理

【中圖分類號】G633.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2020）67-0074-06

【作者簡介】汪明，江蘇省常州高級中學(xué)（江蘇常州，213000）副校長，正高級教師，江蘇省特級教師，全國優(yōu)秀教師，“江蘇人民教育家培養(yǎng)工程”培養(yǎng)對象，首批江蘇省名師工作室主持人。

2020年1月，教育部著眼于國家對人才的戰(zhàn)略需要，為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才而實施“強基計劃”。國際上，美國已經(jīng)把其21世紀學(xué)習(xí)框架中人才培養(yǎng)的18個要素聚焦為“4C核心素養(yǎng)”，再聚焦“核心素養(yǎng)的心臟”謂為“反思”（the heart of key competencies）。反思的本質(zhì)就是對思維不斷批判、不斷重新認知的過程，因此，課堂教學(xué)應(yīng)該提供給學(xué)生真實的問題場景，讓學(xué)生在與情境的持續(xù)互動過程中開展觀察、實踐、評價與反思，從而發(fā)展學(xué)生分析、評估和創(chuàng)造等高階思維能力，努力讓學(xué)生學(xué)會“像科學(xué)家一樣思考”。

一、教學(xué)模型

物理學(xué)的研究范式離不開思維與實踐。課堂上理應(yīng)重視批判性思維的運用，踐行深度學(xué)習(xí)理論，教會學(xué)生像科學(xué)家一樣思考。具體到物理學(xué)科教學(xué)，教師需要對學(xué)生進行批判性思維訓(xùn)練，培育學(xué)生的理性精神和實踐能力，引導(dǎo)學(xué)生尊重事實和證據(jù)，有實證精神，有科學(xué)態(tài)度，邏輯清晰，求真務(wù)實，會應(yīng)用科學(xué)的思維方式認識事物和解決問題，并能規(guī)范自己的行為。其研究范式一般可總結(jié)為：提出命題→理論解釋→理論預(yù)言→實驗驗證→反思評價→完善理論→再次提出命題……可以看出，物理學(xué)的理論構(gòu)建最終都要以觀測或?qū)嶒炇聦崬闇蕜t，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或者被推翻，進而提出新的命題，進入下一個循環(huán)周期。

在此基礎(chǔ)上建構(gòu)出“像科學(xué)家一樣思考”的課堂教學(xué)模型，是基于批判性思維的深度學(xué)習(xí)模型，其教學(xué)模型如圖1所示：

圖1展示了本研究所構(gòu)建的“基于批判性思維的深度學(xué)習(xí)模型”。左側(cè)框圖呈現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的一般過程，右側(cè)框圖呈現(xiàn)的是相關(guān)的批判性思維能力諸要素，兩框之間的箭頭體現(xiàn)了批判性思維對深度學(xué)習(xí)活動的整合功能。

在學(xué)習(xí)伊始階段，通過“識別問題”和“明確目標”，學(xué)習(xí)者將知識與其產(chǎn)生的問題背景相聯(lián)系，明晰知識產(chǎn)生的目標價值取向。通過深度剖析知識產(chǎn)生的來龍去脈，有效避免了知識的孤立學(xué)習(xí)，為知識的抽象提煉提供更為豐富、深刻的經(jīng)驗背景。

在“回憶已知”（即激活原有知識）和“選擇性知覺”（即聯(lián)系新知）階段，學(xué)生通過批判性思維，感知、搜集與整理與當前所學(xué)內(nèi)容相關(guān)的有用信息，在“信息整合與知識建構(gòu)”階段，學(xué)習(xí)者通過評估、整合信息，在新舊知識間尋找相關(guān)聯(lián)因素，做出相關(guān)假設(shè)，形成合理判斷，即建立有關(guān)概念、原理、策略的理性認識。

“問題解決”與“遷移運用”最能體現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的基本特征。這兩類活動促使學(xué)生突破知識的簡單記憶，達成知識的深刻理解與靈活運用。遷移運用和問題解決均要求學(xué)生在新的問題情境中運用所學(xué)知識界定問題、分析問題、提出假設(shè)、行動反思，在這一階段，學(xué)生有可能并不是一次性地完成概念建構(gòu)，而是需要經(jīng)過反復(fù)實踐檢驗后多次建構(gòu)，這一過程恰恰蘊含著批判性思維能力的形成。正是經(jīng)歷這樣的理解、應(yīng)用和反思，學(xué)生才得以從多角度、深層次理解知識，實現(xiàn)知識的多維建構(gòu)。

鑒于批判性思維在深度學(xué)習(xí)能力結(jié)構(gòu)中的特殊地位，筆者以人教版高中物理必修2中“追尋守恒量”這節(jié)教學(xué)內(nèi)容為例，將該模型與具體學(xué)科教學(xué)相結(jié)合，以實驗研究驗證其學(xué)習(xí)效果，意圖通過思維課堂與深度學(xué)習(xí)相整合，提升學(xué)生的知識建構(gòu)、遷移與運用的水平，建構(gòu)學(xué)生的運用批判性思維和高階思維的能力與品質(zhì)。

二、教學(xué)實施

“追尋守恒量”這一章節(jié)，是物理新課程改革的新增內(nèi)容，文字內(nèi)容雖少，但地位極其重要。這節(jié)課的教學(xué)需要教師根據(jù)學(xué)情和自身研究特長進行有目的的擴展，具體說來有三方面：一是從生活現(xiàn)象中感悟守恒的思想種子，知道自然界中存在著多種守恒，守恒是自然界的重要規(guī)律，體會尋找守恒量是科學(xué)研究重要的思路，也是解決問題的途徑;二是從物理學(xué)角度挖掘相關(guān)物理量守恒的實驗，運用實驗觀察分析與數(shù)學(xué)推理分析，讓學(xué)生經(jīng)歷類似于科學(xué)家的研究過程，從實際情景中抽象概括出某種關(guān)鍵因素，運用已有的知識和方法，進發(fā)靈感，升華出新概念或新觀念;三是從物理學(xué)史角度介紹能量守恒的發(fā)現(xiàn)歷程，了解人類追尋“能量”這一守恒量的探究過程，體驗守恒思想的重要意義，增強學(xué)生的科學(xué)意識，提升科學(xué)探究能力并促進其科學(xué)思維的形成。

1.生活情境，體驗科學(xué)建模。

先引導(dǎo)學(xué)生精讀文本，接著筆者設(shè)計一個小實驗，故意讓玩具“魔方”掉落在地上，散落在講臺前各處，然后讓學(xué)生尋找遺失的部分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺少了一塊。提問：

師：在確保剛剛魔方是完整的情況下，如果給你足夠的時間，我們能不能找到？

生：能。

師：是什么堅定你可以找到的信念？

生：魔方塊是不可能無辜消失的，其總量是保持不變的。

調(diào)動出學(xué)生的興趣之后，接著筆者又給學(xué)生講了一個小故事，增加生活中案例的復(fù)雜性，聯(lián)系數(shù)學(xué)公式進行邏輯推理同時抽象出守恒的概念，讓學(xué)生體味生活中的守恒思想。

【小故事】淘氣的丹尼斯（Dennis）

有一個孩子叫丹尼斯（Dennis）孩子，他有一堆積木，這些積木是絕對不會損壞的，也不能分成更小的東西。每一塊都和其余的相同。讓我們假定他共有28塊積木。每天早上他的母親把他連同28塊積木一起留在一個房間里。到了晚上，母親出于好奇心很仔細地點了積木的數(shù)目，于是發(fā)現(xiàn)了一條關(guān)于現(xiàn)象的規(guī)律——無論丹尼斯怎樣玩積木，積木數(shù)日仍舊是28塊！這種情況繼續(xù)了好幾天。

直到有一次，她清點時發(fā)現(xiàn)只有25塊積木。然而，在房間里有一個玩具箱，母親走過去打開這個箱子，但是孩子大聲叫喊道：“不，別打開我的箱子?！边@時母親十分好奇，也比較機靈，她想出了一種辦法，她知道一塊積木重3英兩，有一次當她看到積木有28塊時曾經(jīng)稱過箱子的重量為16英兩，這一次她想核對一下，就重新稱一下箱子的重量，然后減去16英兩，再除以3，于是就發(fā)現(xiàn)了以下的式子：

接著，又好像出現(xiàn)了某種新的偏差，但是仔細的研究又指出，浴缸里的臟水的高度發(fā)生了變化，孩子正在把積木扔到水里去，只是她看不見這些積木，因為水很混濁。不過，在她的公式里再添上一項，她就可以查明在水中有幾塊積木。由于水的高度原來是6英寸，每一塊積木會使水升高1/4英寸，因而這個新的公式將是：

師：支撐母親積木數(shù)目28塊不變的信念是什么？

生：物質(zhì)不滅，積木數(shù)目總量守恒。

2.實驗探究，領(lǐng)悟科學(xué)方法。

物理離不開實驗，實踐是檢驗真理的唯一標準。為了使學(xué)生對守恒思想有所感悟，教學(xué)中設(shè)計了各類不同實驗，采用類似于科學(xué)家的研究范式，運用“實驗—歸納”思維，讓學(xué)生對科學(xué)研究過程有所體驗，從實際情景中抽象出能量、動能、勢能等概念，提升學(xué)生的認知能力。

【實驗1】“小球碰鼻子”：一位“勇敢”的學(xué)生將鐵球拉到鼻子位置從靜止釋放，觀察小球的運動情況以及在球再次擺回來時學(xué)生的反應(yīng)。

【實驗2】“彈簧振子”：彈簧振子是一個不考慮摩擦阻力，不考慮彈簧的質(zhì)量，不考慮振子的大小和形狀的理想化的物理模型。教學(xué)時可用氣墊式彈簧振子，把振子拉出平衡位置后，觀察其在振動時位置坐標變化的特征。

【實驗3】麥克斯韋滾擺：當捻動滾擺的軸，使?jié)L擺上升到頂點時，貯存勢能，然后松開滾擺，開始旋轉(zhuǎn)下降，觀察實驗現(xiàn)象。會發(fā)現(xiàn)滾擺下降時速度變大，到最低點后，它又開始纏繞懸線使?jié)L擺上升。如果沒有任何阻力，滾擺每次上升的高度都相同，上下滾動中最大高度幾乎不變，好像它“記得”原來上升的位置。

【實驗4】彈性碰撞球：拉起一個小球，讓其碰撞其他靜止的小球，結(jié)果原先被拉起的小球會突然靜止，而原先靜止的最后一個小球會接過第一個球的速度，運動到第一個小球被拉起的高度，而且好像“記得”原來的高度。然后落下，如此來回往復(fù)。實驗中還可以拉起兩個小球、三個小球……讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，同時老師不斷強化“小球‘記得原來的位置”這一認識。

【實驗5】伽利略理想斜面實驗：讓小球從左邊某一高度靜止滑下（如圖2所示），最終它能滾到右邊相同的高度，而且還能回到初始位置;若將右邊的斜面變得平緩些，會發(fā)現(xiàn)小球運動的路程更長了，但還是“記得”原來的高度……

師：如果將右邊的斜面變成水平，那么小球的運動又將如何呢？

生：小球?qū)⒁恢边\動下去。

師：為什么會出現(xiàn)這種情況，你的理由呢？

生：因為小球“記得”原來的高度，但又達不到原來的高度，所以要一直“追尋”下去。（運動過程中能量守恒）

總結(jié)：以上實驗有一個共同的特點，就是“記得”某種東西，經(jīng)過長期的研究，科學(xué)家把記得的這個東西叫作“能量”。展示教學(xué)PPT，說明：①“能量”是一個高度抽象和概括的概念。②“能量”是牛頓留給我們的少數(shù)沒有研究的力學(xué)概念之一。

進一步分析“伽利略理想斜面實驗”，被抬高的小球釋放后能夠向下運動，我們說小球有能量。教師闡述“勢能”的定義，并強調(diào)小球的這種能量叫作“重力勢能”，列舉生活中其他情況下的重力勢能，如生活中的打夯、雪崩，水力發(fā)電站高處的水等。

師：小球向下運動的過程中，重力勢能逐漸減小，能不能說小球的能量消失了呢？

生：不能。

師：為什么？

生：小球的重力勢能轉(zhuǎn)變成了小球的動能。（能的轉(zhuǎn)化與守恒）

總結(jié)：教師闡述“動能”的定義，列舉生活中其他現(xiàn)象中的動能，如飛奔的運動員、踢出去的足球等。

3.邏輯論證，體現(xiàn)科學(xué)思維。

邏輯論證過程重視的是演繹推理，即從一般性的前提出發(fā)，通過周密推導(dǎo)即“演繹”，得出具體結(jié)論的過程。演繹推理的邏輯形式對于理性的重要意義在于，它對學(xué)生葆有科學(xué)思維的嚴密性、一貫性有著不可替代的校正作用。教學(xué)再次突出物理建模思想（如圖3示），對“伽利略理想斜面實驗”進行邏輯論證。

師：小球從A-B，B-C階段如何運動？這兩段運動過程又有何聯(lián)系？

生：A-B小球做勻加速;B-C小球做勻減速，且B點處的速度承上啟下。

師：可否證明小球到達另一斜面的最大高度h₀=h₁？

生：運用牛頓第二定律與勻變速直線運動規(guī)律進行推導(dǎo)證明（略），結(jié)論：h₀=h₁。

師：如果β角發(fā)生變化能證明上升的高度依舊等于h₀嗎？

生：可以，證明方法同前一致。

總結(jié)：小球仿佛有靈氣，能“記住”初始高度。小球每次都能到達另一斜面的相同高度處，那“記住”究竟蘊含了什么物理原理呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生進行深度思考，“記住”這一說法只是關(guān)注小球在整個運動過程中的初、末兩個狀態(tài)，事物變化的規(guī)律應(yīng)該是由過程決定結(jié)果。由此猜想：小球在運動中的各個位置是否存在“守恒量”？

生：猜想1，h和v之和守恒。猜想2，h和v以一定的形式守恒。

師：請同學(xué)們思考第一個猜想，這里有量綱上的差別，即需要體會數(shù)學(xué)量和物理學(xué)量的區(qū)別。思考第二個猜想，你能不能給出一個定量的表達式呢？

學(xué)生繼續(xù)探究。

教師此時要視學(xué)生的研究進展情況，適時給出指導(dǎo)或設(shè)置引導(dǎo)性問題。提醒學(xué)生運用所學(xué)知識處理如下問題：“如果一個小球由靜止開始沿光滑斜面運動，怎樣建構(gòu)出小球在不同位置的高度與速度相關(guān)聯(lián)的表達式呢？”如果學(xué)生學(xué)情不夠理想，還可以進一步搭建學(xué)習(xí)臺階，降低學(xué)習(xí)坡度，可設(shè)置三個臺階。

提示1：對于整個運動過程，可以選取小球下降階段作為研究對象，建立物理模型。

提示2：這個物理量雖是我們未知的，但不要隨意猜想，可以從學(xué)過的“力與運動”的知識體系中出發(fā)進行探尋。

提示3：在我們所學(xué)的知識當中，有沒有處理“一個小球由靜止開始沿光滑斜面運動，將不同位置的高度與速度聯(lián)系起來的表達式？”

生：v²-0=2ax ①，x=（h_n-h₁）/sinα②，a=g·sins③

由①②③得：v²+2gh₁=2gh₀。

師：如果兩邊都乘以1/2m，則得到了物理學(xué)中的動能和勢能表達式，這就是我們苦苦追尋的一種守恒量（能量）。

4.評價反思，感悟科學(xué)本質(zhì)。

教學(xué)中既要讓學(xué)生體會能量守恒在整個自然科學(xué)中的普遍性，也需要讓學(xué)生認識到，任何一種科學(xué)探索都不是一蹴而就的，它需要漫長的時間積累。筆者設(shè)計兩個案例供學(xué)生來探究學(xué)習(xí)。

一是從物理學(xué)史的角度，回顧能量守恒思想的發(fā)展歷程，“能量轉(zhuǎn)化和守恒定律”的提出必須建立在三個基礎(chǔ)之上：①對熱的本質(zhì)的正確認識;②對物質(zhì)運動的各種形式之間的轉(zhuǎn)化的發(fā)現(xiàn);③相應(yīng)的科學(xué)思想。到了19世紀，這三個條件都已經(jīng)完全具備。因此，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是人類對自然科學(xué)規(guī)律認識逐步積累到一定程度的必然結(jié)果，向?qū)W生說明，它誕生的過程和今天課堂高度濃縮地探索的過程并不一致，其實它肇始于熱機效率的探索，是聯(lián)系于機械能和熱能的定律。讓學(xué)生查詢資料學(xué)習(xí)“能量守恒定律”的發(fā)現(xiàn)簡史。

1842年，邁爾發(fā)表了論文《論無機界的力》，提出機械能和熱量的相互轉(zhuǎn)換原理。

1843年，焦耳在《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了他測量熱功當量的實驗報告。

1847年，亥姆霍茲出版了《論力的守恒》一書。全面論述了機械運動、熱運動以及電磁運動的“力”互相轉(zhuǎn)換和守恒的規(guī)律等等。

其他科學(xué)家也作出不同程度上的貢獻，都曾獨立地發(fā)表過有關(guān)能量守恒方面的論文，如法國的卡諾于1824年，德國的莫爾于1837年，法國鐵道工程師塞甘于1839年，瑞士化學(xué)家赫斯于1840年，德國物理學(xué)家霍耳茲曼于1845年，等等。

二是向?qū)W生介紹學(xué)習(xí)能量守恒定律成功應(yīng)用的最典型事例，那就是基本粒子“中微子”的發(fā)現(xiàn)旅程。20世紀20年代末30年代初，對原子核β衰變能譜的研究發(fā)現(xiàn)衰變后發(fā)射出的電子（即β射線）帶走的能量比它按能量守恒定律所應(yīng)帶走的能量要?。ㄋ坪鮼G失了部分能量），為了解釋這種現(xiàn)象，挽救能量守恒定律，物理學(xué)家泡利提出了一個著名的猜想，認為是“中微子”這種不可探測的中性粒子“偷走”了部分能量?！皟蓮椧恍恰痹獎字袊茖W(xué)家王淦昌在他的論文《關(guān)于探測中微子的一個建議》中提出了“中微子捕獲方案”。經(jīng)過科學(xué)的探索，美國萊因斯在1956年終于觀測到“中微子”，再次說明“能量守恒定律”的普適性和重要性。

1930年，科學(xué)家泡利預(yù)言了中微子的存在。

1956年，萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，美國萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962年，美國萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格發(fā)現(xiàn)第二種中微子——繆中微子，獲1988年諾貝爾獎。

1968年，美國戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。

1985年，日本神崗實驗和美國IMB實驗發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。

1987年，日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

2015年，諾貝爾物理學(xué)獎授予梔田隆章和阿瑟·麥克唐納，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩即是中微子有質(zhì)量上所做出的貢獻。

由上可知，學(xué)會“像科學(xué)家一樣的思考”的課堂，不是讓學(xué)生胡亂思維，是要遵循一定教學(xué)規(guī)律和結(jié)構(gòu)范式的。教學(xué)是一個簡約化的科學(xué)研究過程，教師先通過研究學(xué)情和文本，認真“識別問題”和“明確目標”，將學(xué)生的學(xué)習(xí)心理傾向與生產(chǎn)實踐中問題背景相聯(lián)系，明確課堂教學(xué)目標的價值取向。課堂不是學(xué)習(xí)的孤島，教師應(yīng)該精心設(shè)計學(xué)習(xí)案例，為學(xué)生能從紛繁復(fù)雜的生活世界提取和生成科學(xué)概念體系提供幫助。

在“回憶已知”“選擇性知覺”和“信息整合與知識建構(gòu)”階段，先是激活學(xué)生的原有質(zhì)量守恒的前概念，讓學(xué)生運用批判性思維，通過大量實驗，來感知和內(nèi)化守恒思想，通過信息評估與認知推理，做出科學(xué)判斷，抽象和概括出能量守恒的概念，形成科學(xué)觀念。

“遷移運用”與“問題解決”是學(xué)生進入深度學(xué)習(xí)最重要的階段，他要求學(xué)生能在新的問題情境中建構(gòu)概念，識別規(guī)律，從而順利實現(xiàn)問題解決。