王鑫淼, 黃玉新

(寧夏師范學院 物理與電子信息工程學院,寧夏 固原 756099)

普通高中物理課程標準提出四個方面的核心素養(yǎng),其中科學思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分?！墩n標》指出,教師在物理課堂教學中,引導學生經(jīng)歷物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)過程,是發(fā)展學生科學思維的重要途徑。因此,合理設計思維型課堂教學,可以有效地引導學生進行思維過程,發(fā)展學生的物理科學思維。思維型課堂中,教師設計情境,學生在觀察物理現(xiàn)象的過程中產(chǎn)生認知沖突,并在教師的引導下利用已有知識,通過分析、推理、探究、論證、交流、反思等一系列思維活動,在原有認知結(jié)構(gòu)的基礎上,同化、順應出更為完善的認知結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建新的認知結(jié)構(gòu)的過程中,學生經(jīng)歷一系列的思維活動,從而使得思維能力得到發(fā)展,有效地培養(yǎng)學生的科學思維。

一、概念界定

(一)思維型課堂教學

林崇德和胡衛(wèi)平指出,思維型課堂教學即在教學活動中,以聚焦思維結(jié)構(gòu)的智力理論為基礎,著眼于課堂教學中的思維活動,意在提高課堂的教學質(zhì)量。其包括認知沖突、自主建構(gòu)、自我監(jiān)控和應用遷移在內(nèi)的四個基本原理。此外,還提出了七個課堂要求,明確課堂教學目標;突出知識形成過程;聯(lián)系已有知識經(jīng)驗;重視非智力因素的培養(yǎng);訓練學生的思維品質(zhì),提高智力能力;創(chuàng)設良好教學情境;分層教學,因材施教。[1]

(二)科學思維

科學思維包括科學抽象思維、科學形象思維、科學直覺思維、批判性思維、科學創(chuàng)造性思維。

在思維型課堂教學中,教師與學生之間相互交流,基于學生原有的科學思維能力特點及發(fā)展規(guī)律,通過科學的現(xiàn)象觀察、實驗設計、模型建構(gòu)、概念形成、規(guī)律建立、知識總結(jié)、問題解決等教學活動,教師根據(jù)教材內(nèi)容、學生的具體情況,選擇適應學生終身發(fā)展的核心概念和實踐活動,讓學生產(chǎn)生認知沖突,激發(fā)學生學習動機和興趣,聯(lián)系已有的知識經(jīng)驗,在教師的引導下自主建構(gòu)知識,在問題解決和自我反思的過程中,訓練思維品質(zhì),提高智力和能力。

二、思維型課堂教學中高中生科學思維的培養(yǎng)策略

(一)通過進階式教學,發(fā)展高中生科學抽象思維

學習是一個不斷積累、強化的過程,學習進階是學生在教師的引導下,對某個知識或技能,通過反復思考、不斷熟悉、逐漸深化,在一段時間內(nèi),逐漸由難到易的發(fā)展過程。在組織教學活動時,按照“創(chuàng)設情境—觀察現(xiàn)象—發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—自主探究、合作探究—交流—總結(jié)反思”的進階過程設計教學活動,幫助學生系統(tǒng)地學習知識,掌握知識的發(fā)現(xiàn)歷程,形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu),為科學思維的發(fā)展奠定基礎。

一是教師要選擇合適的教學內(nèi)容,分析相互間的關(guān)系,建立合理的邏輯結(jié)構(gòu)。物理學科的教學內(nèi)容包括物理觀念、物理規(guī)律、物理實驗、物理方法、物理思想等,這些內(nèi)容之間都有著緊密的邏輯關(guān)系、因果關(guān)系等,抓住這些關(guān)系,對教學內(nèi)容進行分析,對教學過程進行設計,使知識的傳授具有嚴密的邏輯性。

二是引導學生掌握抽象思維的方法。抽象思維的方法主要有分析綜合、抽象概括、歸納演繹、科學推理、類比等。在物理規(guī)律的教學過程中,學生要自主觀察現(xiàn)象、分析現(xiàn)象,通過科學的推理和論證,從而得出物理規(guī)律。在物理概念的教學過程中,要讓學生體驗物理概念建構(gòu)的過程,探尋概念形成的源頭,引導學生對源頭事物或現(xiàn)象進行分析、綜合、比較等一系列思維過程,抽象概括得出科學概念。

三是突出實踐操作,了解知識本質(zhì)。物理是一門以實驗為基礎的學科,物理的許多原理都是通過物理實驗得出的,讓學生通過動手實驗,主動探究,通過動腦進行積極的思維活動,對實驗現(xiàn)象進行分析總結(jié)、抽象概括,得出物理概念或物理規(guī)律,鍛煉學生的自主學習能力和動手能力的同時,又激發(fā)了學生學習物理的興趣,培養(yǎng)了學生抽象思維能力。

(二)創(chuàng)設情境,形成表象,發(fā)展高中生科學形象思維

科學形象思維是以科學表象為思維材料進行的思維活動,科學表象是人頭腦中的對以前接觸過的科學事物形象的反映?？茖W形象是抽象思維發(fā)展的基本元素,科學形象思維的培養(yǎng),有助于科學抽象思維的發(fā)展。

首先,巧用實驗,形成正確的科學表象。通過演示實驗和探究實驗能很好地讓學生感受到知識的形成過程,在學生頭腦中形成正確的科學表象。如磁場的顯化,可用磁鐵吸引鐵屑來形象表示,讓學生通過鐵屑在磁場中的分布,了解到磁場雖然看不見摸不著,但真實存在,同時了解磁鐵周圍磁感應強度的分布。

其次,直觀教學,塑造形象思維。錢學森認為,直觀性教學不僅是一種很好的教學手段,更是培養(yǎng)學生形象思維的源泉。充分利用生活中的材料、實驗儀器或者現(xiàn)代科學技術(shù)等手段,將學生帶入物理的場景中,通過實物、模型、影像、圖片等,展示一些看不見摸不著的物質(zhì),例如電場、磁場,利用生動的形象來激發(fā)學生的興趣,了解物理知識的本質(zhì),從而喚醒學生已有的知識,從已有的知識結(jié)構(gòu)出發(fā),通過同化、順應、平衡等認知過程,主動學習新的知識,構(gòu)建新的圖式。

最后,貼近生產(chǎn)生活,豐富生活圖景,積累科學表象。新課標要求物理教學要做到從生活走向物理,從物理走向社會。學生在日常生活中會形成豐富的生活經(jīng)驗、自然常識等生活圖景,當生活圖景與科學圖景相一致或接近時,能促進學生形成正確的科學表象,從而有利于形象思維的發(fā)展。在教學過程中,選擇貼近學生生活的例子,創(chuàng)造學生熟悉的情境,幫助學生將生活圖景轉(zhuǎn)化為正確的科學圖景,促進科學形象的形成,從而提高學生的形象思維能力。

(三)通過物理學史,重視整體分析,發(fā)展高中生科學直覺思維

“科學直覺思維是人腦不借助于邏輯推理而綜合運用已有知識、表象和經(jīng)驗知覺,以高度省略、簡化、濃縮的方式洞察科學事物的實質(zhì),并迅速作出猜測、設想和突然領(lǐng)悟的思維?！盵2]可見,培養(yǎng)直覺思維時,學生要具備大量的科學知識和科學經(jīng)驗,掌握直覺思維的科學方法,并能利用科學方法,根據(jù)已有知識和經(jīng)驗,迅速而準確地識別物理現(xiàn)象或物理問題的本質(zhì)。

第一,融入物理學史,積累物理經(jīng)驗;聯(lián)系生產(chǎn)生活及現(xiàn)代科技發(fā)展,積累多學科經(jīng)驗。物理學史中,有大量的科學家是利用直覺思維為物理學科的發(fā)展作出了貢獻,例如愛因斯坦在直覺的啟發(fā)下,提出等效原理,創(chuàng)立了廣義相對論。通過科學家事跡的介紹,給學生樹立很好的榜樣形象;物理發(fā)展長河中,物理實驗、物理故事的介紹也給學生帶來大量的物理經(jīng)驗。物理學史的發(fā)展表明,具備多學科知識和方法的人更能作出重大貢獻。例如,牛頓利用自己所發(fā)明的微積分,發(fā)現(xiàn)了萬有引力,解釋了行星繞太陽運動。在如今,學科高度分化對科學技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生一定的消極影響,因此,讓學生在日常生活中積累多學科的知識經(jīng)驗和方法是刻不容緩的。

第二,變換思維方式,重視整體分析。學科直覺思維具有整體性,從整體把握事物的本質(zhì)特征,快速準確地依據(jù)猜想和假設,揭示物理現(xiàn)象或物理問題的本質(zhì)。在解決物理問題、解釋物理現(xiàn)象時,鼓勵學生從整體進行分析,采用類比、假設、聯(lián)想等方法,多途徑、多方向地思考,抓住事物的整體特征,忽視次要因素,找到解決問題的方法。

第三,創(chuàng)設良好的課堂環(huán)境,鼓勵學生勇于提問,大膽猜想。直覺最原始的形式便是猜想和假設。楊振寧指出,科學的路上,大部分的時間都花在了猜想上。在課堂上,鼓勵學生根據(jù)已有的知識經(jīng)驗,對物理現(xiàn)象進行猜想和假設,即使是錯誤的,再引導學生對錯誤的猜想和假設進行推理、論證,最后得出正確的物理概念或物理規(guī)律。如在“機械能守恒定律”教學中,鼓勵學生利用所學的知識,對新課引入時演示的“碰鼻實驗”進行猜想,提出自己的見解,引導學生對自己的猜想進行推理論證,得出機械能守恒定律。

(四)巧妙設計教學方法,發(fā)展高中生科學批判性思維

批判性思維是科學思維的高階形式之一,是學生根據(jù)已有的證據(jù)和知識,通過分析、評估、判斷等批判性傾向,作出決策或解決問題。

一是問題引導式教學。學生以物理學知識為基礎,根據(jù)教師所提出的問題進行探究、思考、討論、反思,最后得以解決問題。學生在教師的引導下,通過創(chuàng)設的情境發(fā)現(xiàn)問題,帶著問題進行思考,有目的地進行探究,再對探究的過程、結(jié)果進行反思,在整個過程中培養(yǎng)學生的批判性思維。同時可以利用問題引發(fā)學生的認知沖突,將問題設置在矛盾中,激發(fā)學生的學習動機和學習興趣,主動思考問題,并自我反思問題形成的過程,引導學生進行思維活動。

二是小組合作式教學。教學的過程包括師生互動和生生互動。以教師為主導,學生為主體的小組合作式學習,可以更好地發(fā)展學生的批判性思維。合作過程中,每個學生都能主動參與到合作任務中,充分展現(xiàn)自己的能力。交流的過程中,在傾聽他人看法的同時,對其看法和見解保持理性的質(zhì)疑,經(jīng)過科學的推理和論證得出自己的判斷,有理有據(jù)地準確表述自己的觀點,在合作學習過程中有效地發(fā)展學生的批判性思維。

三是實驗探究式教學。利用科學探究發(fā)展學生批判性思維?？茖W探究的過程涉及提出問題、猜想假設、收集證據(jù)、合作交流、評價反思等,這些都有助于批判性思維的培養(yǎng),批判性思維的發(fā)展也有助于科學探究能力的不斷提高。如驗證機械能守恒時,除了理論推理,還可利用打點計時器進行實驗驗證。組裝自由落體的實驗裝置,在打出的紙帶上選取恰當?shù)狞c,通過計算進行驗證,得出誤差允許范圍內(nèi)物體在只受重力的作用下,機械能守恒,并得出機械能守恒的表達式。

此外,發(fā)揮物理學史的育人功能。物理學史本身就是一部生動的教材,包含了豐富的科學問題,物理學的大廈是通過后人對前人提出的理論和假設不斷質(zhì)疑所堆砌起來的。還可以鼓勵學生提問,培養(yǎng)質(zhì)疑習慣。愛因斯坦說過,提出一個問題比解決一個問題更重要。在教學的過程中,通過創(chuàng)設情境,引發(fā)學生的認知沖突,激發(fā)學生的學習動機,引導學生對情境和物理現(xiàn)象進行提問,對知識進行深入的思考,從而養(yǎng)成合理的質(zhì)疑習慣。

(五)通過實驗探究、習題變式,發(fā)展高中生科學創(chuàng)造性思維

創(chuàng)造性思維是思維發(fā)展的高階形式,是根據(jù)一定的目標和任務,運用已有的知識經(jīng)驗,在頭腦中進行各種思維活動,形成新穎、獨特、富有價值的觀點。創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)的過程,需要豐富的知識基礎、良好的環(huán)境、恰當?shù)囊龑?既要轉(zhuǎn)變觀念,也要改變方法,是一項家校社協(xié)同的工作。

通過實驗探究培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。在實驗探究的過程中,學生要經(jīng)歷觀察、操作、思維等過程,培養(yǎng)了學生的洞察力、動手能力和問題解決能力,為創(chuàng)造性思維的發(fā)展筑牢了堅實的基礎。實驗教學中,教師將實驗原理、操作過程、研究問題等告訴學生,這樣有助于學生在短時間內(nèi)掌握實驗的步驟,提高學生完成實驗的成功率。但這樣也會導致學生只是機械地按照教師的方法進行實驗,自己沒有經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)實驗原理、設計實驗過程、選擇數(shù)據(jù)分析方法等過程,不利于學生的創(chuàng)造性思維的發(fā)展。教師在實驗探究時,可以只告訴學生需要研究的問題是什么,課前學生小組討論探討實驗的原理,如何設計實驗;課堂上,教師引導學生進行實驗驗證,最后分析總結(jié),交流得出的實驗結(jié)果,分享實驗設計的想法。如驗證“機械能守恒”時,教師在展示用自由落體裝置進行驗證后,鼓勵學生課下思考討論還可以用什么方式來驗證機械能守恒,并在下一節(jié)課上組織學生進行交流,學生在分享自己方法的同時,傾聽他人的想法。學生語言交流的過程也是思維碰撞的過程,從而實現(xiàn)批判性思維和創(chuàng)造性思維的提升。

通過習題變式,促進學生創(chuàng)造性思維發(fā)展。要深刻理解物理概念、物理規(guī)律,靈活運用物理方法和物理思想,就要在真實情境中分析物理現(xiàn)象,解決實際問題。高考練習題,教師往往要求學生掌握一種解題思路即可,習題課也只是為了講解題目,但習題課同樣也是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的主要途徑。教師可抓住典型的題目,并對題目進行變式,鼓勵學生一題多解;此外鼓勵學生自己設計題目,小組之間自編習題,相互考察,在培養(yǎng)學生學習物理興趣的同時,還深化了學生對物理知識的理解,有助于記憶和發(fā)展學生創(chuàng)造性思維。例如,探究機械能守恒定律的表達式,既是一個引導學生科學推理的過程,同時展示了自由落體運動中問題解決的過程與方法,還可以鼓勵學生將動能定理與機械能守恒定律結(jié)合起來進行習題的編制。

多樣化的作業(yè)設計。教學中,學生的作業(yè)可以是多樣的,不僅有書面作業(yè),還可以設計多樣化的作業(yè),讓學生通過課后作業(yè)培養(yǎng)和提升創(chuàng)造性思維。物理學科的學習,離不開觀察、實驗、思維等過程。課下,教師可讓學生利用所學的知識完成小發(fā)明或小制作,設計合理的物理模型,對實驗裝置進行修改等,在實踐的過程中培養(yǎng)學生的操作能力、學習能力和創(chuàng)造力。此外,還可讓學生課下了解物理規(guī)律或物理概念的發(fā)展與形成過程,通過對物理學史的了解,既有助于學生對知識的理解記憶,同時科學家們研究物理學的故事培養(yǎng)了學生嚴謹認真、實事求是、堅持不懈的科學態(tài)度與責任感,提升學生的創(chuàng)造性思維。在學習完“機械能守恒定律”的相關(guān)內(nèi)容后,學生已知伽利略理想實驗中,小球從一個斜面的任意一點下落,都可以到達另一個斜面上和釋放點差不多等高的一點,但在摩擦力和空氣阻力的作用下,小球會慢慢停下來。教師給學生一個斜面實驗的裝置,讓學生利用所學知識,使小球在斜面裝置上運動的時間更久。有的簽字筆尾部裝有彈簧,壓下筆帽,筆尖就伸出。如果使筆的尾部朝下,向下按壓,放手后,筆可向上彈起至一定高度。教師可讓學生對簽字筆進行改進,使其可以彈得更高。兩個小制作分別體現(xiàn)了重力勢能和動能的轉(zhuǎn)化、彈性勢能和動能的轉(zhuǎn)化,促進學生對知識的理解,培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。

三、小結(jié)

教學的本質(zhì)是為了培養(yǎng)學生的思維,而課堂是培養(yǎng)學生思維的最佳場所。高中物理課堂教學中,發(fā)展學生的科學思維能力是重要的教學目標。思維型課堂可以有效地將課堂教學集中在引導學生進行思維活動,培養(yǎng)學生的科學思維上。在思維型課堂教學中通過進階式學習,發(fā)展高中生科學抽象思維;通過創(chuàng)設情境,形成表象,發(fā)展高中生科學形象思維;通過物理學史、重視整體分析,發(fā)展高中生科學直覺思維;通過巧妙設計教學方法,發(fā)展高中生科學批判性思維;通過實驗探究、習題變式,發(fā)展高中生科學創(chuàng)造性思維。