汪 明 任虎虎

(1.江蘇省教育科學研究院,江蘇南京 210013;2.華東師范大學,上海 200062;3.江蘇省太倉高級中學,江蘇太倉 215411)

批判性思維也叫“審辨式思維”,其最初的起源可以追溯到蘇格拉底著名的“蘇格拉底提問法”.在他的提問模式中,強調思考的清晰性和邏輯性,通過提問揭示對話者的思維盲點.杜威提出反思性思維,其認為反思性思維是一種解決經驗存在問題的方法,是一種使經驗不斷重組和改造的方法.[1]恩尼斯認為:批判性思維是為決定信什么或做什么而進行的合理的、反省性的思維,這一定義被大多數人所認可.[2]

1 批判性思維與物理學科核心素養(yǎng)的關系

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中明確提出“培養(yǎng)具有批判性思維的意識,能基于證據大膽質疑,從不同角度思考問題”“能對已有結論有依據地質疑、采用不同方法分析解決問題”等.[3]可見,課程標準對批判性思維的培養(yǎng)提出了明確的要求,批判性思維與物理學科核心素養(yǎng)到底是什么關系呢?筆者認為物理學科核心素養(yǎng)是批判性思維在學科層面的具體表達,它們是充分融合、相輔相成的關系,如圖1所示.

圖1 批判性思維與物理學科核心素養(yǎng)的關系

依據批判性思維的定義:批判性思維是為決定信什么或做什么而進行合理的、反省性的思維.可以將其分為兩個維度4個要素:信什么與做什么、合理性與反思性.

“信什么”反映了批判性思維的傾向,是情感和價值取向維度,指向觀念建構.這里的觀念不僅包括學科層面的、還包括價值層面的.“做什么”反映了批判性思維的技能,是遷移和問題解決維度,指向實踐應用.這里的實踐不僅包括外顯的行為,也包括內隱的思維.“合理性”是批判性思維的基礎,只有合乎學科邏輯、合乎學生認知邏輯,學生才可能去深入思考,合理性的實現(xiàn)需要基于證據進行分析、推理和論證.“反思性”是批判性思維的核心,只有引導學生對自己學習的過程、思維的方式與策略進行全面的反思內化,[4]才可能發(fā)展自己的認知圖示、提升思維品質;才可能綜合應用所學創(chuàng)造性地解決問題.

觀念建構在學科層面的合理論證結果就體現(xiàn)為學科觀念(即物理觀念),觀念建構在價值層面的反思與內化就體現(xiàn)為科學態(tài)度與責任.外顯的、合理性的學科實踐過程表現(xiàn)為科學探究,內隱的、反思性的實踐過程表現(xiàn)為科學思維.

基于對課程標準的分析,物理學科核心素養(yǎng)的4個維度蘊含的批判性思維內容見表1.

表1

另外,物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也離不開批判性思維,物理觀念的形成需要批判性地自我反思,將事實、經驗和問題等抽象內化向觀念進階;批判性思維是高階思維的內核,同樣也是科學思維的內核;科學探究中需要對實驗方案進行批判性的論證、對實驗誤差和實驗結論的得出進行批判性的分析;批判性思維過程本身就是培養(yǎng)嚴謹認真和公平公正的科學態(tài)度與責任的過程,批判性思維內蘊著積極反思的態(tài)度.[5]發(fā)展批判性思維的過程其實就是培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)的過程.

2 浸潤批判性思維的物理教學框架構建

浸潤批判性思維的物理教學離不開良好的批判性思維環(huán)境支持,包括物理文化、境脈和資源等.物理學科的人文意蘊就是:求真、向善、臻美,所以求真、向善、臻美是物理教學的文化基石和價值追求.在此基礎上構建的金字塔框架如圖2所示.批判性思維環(huán)境的橢圓邊界用虛線框,表示這里的環(huán)境沒有絕對的界限,隨著學習的深入可以不斷向外擴展.元認知位于該框架的頂點,貫穿于教學全過程.通過引導學生對自己的思維發(fā)展進行持續(xù)反思,不斷調試自己思考的方式與策略.

圖2 浸潤批判性思維的物理教學金字塔型框架

另外,在這個模型中,實線部分對應的內容(知識結構、思維技能和求真)有顯性之意,虛線部分對應的內容(情感態(tài)度、向善和臻美)有隱性之意,共同構成物理教育的結構體系.這一框架也可稱為“三三五”模式.

2.1 三基石(底邊)

3個底邊分別表示求真、向善和臻美,其中求真是物理教學的基礎,也是批判性思維發(fā)展的動力源泉.向善是價值取向,一方面對于個人,在批判性思考的過程中要充分尊重其他學生的觀點;另一方面對于社會,要讓批判性思維為人類社會進步貢獻力量.臻美是精神層面,在經歷批判性思維后,讓學生體會到物理學的邏輯美、簡潔美、對稱美和統(tǒng)一美.著名物理特級教師吳加澍也認為:真、善、美是物理教學的最高追求.[6]其實,在物理學發(fā)展史上,很多科學家也將真、善、美作為自己追求的最高價值和終極目標,如麥克斯韋和愛因斯坦等.

2.2 三維度(側棱)

3個側棱分別表示知識結構、思維技能和情感態(tài)度.現(xiàn)代批判性思維運動之父格拉澤認為:批判性思維是態(tài)度、知識和技能的綜合體.知識是批判性思維的對象,并在批判性思考的過程中不斷被優(yōu)化形成系統(tǒng)化的知識結構,所以離開知識談批判性思維就是空中樓閣.思維技能是批判性思維的重要內容,在物理教學中主要包括:解釋、闡釋、分析、評價、推理、論證、自我改進等能力.[7]由于物理學科比較抽象,在物理教學中發(fā)展批判性思維需要堅韌不拔的意志和嚴謹認真的態(tài)度,積極向上的情感和良好的學習態(tài)度是持續(xù)進行批判性思考的保障.

2.3 五層次(層級)

批判性思維在物理教學中主要表現(xiàn)為5個進階的維度,從低到高依次為:體驗與感知、質疑與假設、推理與論證、分析與評估、綜合與創(chuàng)造.

首先,創(chuàng)設與學習主題相關的多元化、網絡化物理情境脈絡,引導學生進行親身體驗與感知,激發(fā)學生積極的情感和探究的熱情.其次,隨著探究的深入和問題的驅動,學生在新知和舊知之間有時會產生認知矛盾,進而引發(fā)疑問,在質疑的基礎上進行合理假設.[8]再次,借助物理學習過程中的有效反饋,學生不斷修正、改進自己的假設,在尋找證據進行反復論證的過程中,形成對物理學科本質的理性認識.從此,通過對學習的內容、過程與方式持續(xù)反思,做出合理性的評估,實現(xiàn)物理知識的意義化建構.最后,對所學習的物理知識與思想方法進行綜合,遷移到陌生情境中創(chuàng)造性地解決復雜問題.

3 浸潤批判性思維的物理教學策略

借助上述金字塔物理教學框架,能將批判性思維與物理教學充分融合,基于5個進階的維度,對應的5個物理教學策略為:創(chuàng)設挑戰(zhàn)情境、誘發(fā)認知沖突、促進體驗與感知;把握問題本質、建立物理模型、促進質疑與假設;基于已有認知、進行自主建構、促進推理與論證;尋找有效證據、實現(xiàn)深度理解、促進分析與評估;解決實際問題、培養(yǎng)責任意識、促進創(chuàng)造與綜合.下面以人教版新教材“動量守恒定律”教學為例進行說明.

3.1 創(chuàng)設挑戰(zhàn)情境誘發(fā)認知沖突促進體驗與感知

情境是物理教學基礎,也是培養(yǎng)批判性等高階思維的基礎.通過創(chuàng)設開放性、挑戰(zhàn)性的問題情境,一方面激發(fā)學生的探究熱情,另一方面能有效誘發(fā)認知沖突.認知沖突是新情境與已有認知結構的暫時性矛盾和思維失衡,能促進學生深入思考,這是培養(yǎng)批判性思維的起點.

在“動量守恒定律”教學中,質量不同的兩小車前端各固定一個強磁鐵,同名磁極相對,用一小段細線將兩個小車緊密連接起來,將它們放在玻璃板上,當燒斷連接的細線時,觀察到兩小車在磁鐵斥力的作用下向相反方向運動.

接下來將光滑的玻璃板放在蹺蹺板上,將上述實驗放在這個蹺蹺板上完成,開始時讓兩個小車(中間用細線連接)在蹺蹺板上保持平衡,先讓學生判斷:如果燒斷細線,兩小車在向相反方向運動的過程中,蹺蹺板向哪邊傾斜,學生都認為是向質量大的小車那邊傾斜.接下來教師用火苗將細線燒斷,發(fā)現(xiàn)兩小車在蹺蹺板上運動的時間內(都未離開蹺蹺板),蹺蹺板竟然始終保持平衡,如圖3所示.

圖3 蹺蹺板實驗

這個情境中讓兩質量不同的小車在蹺蹺板上開始階段保持平衡有很大的挑戰(zhàn)性,演示實驗的結果極大地誘發(fā)了學生的認知沖突,激發(fā)求知的欲望.

3.2 把握問題本質建立物理模型促進質疑與假設

物理模型是在研究或解決物理學問題時,舍棄次要因素,抓住主要因素而建立的.建立模型的過程中需要對所研究問題的本質有清晰的認識,對相關影響因素進行分析.實際教學中,學生不可能一次就對問題本質有深刻的理解,需要經歷“質疑—假設—驗證”螺旋進階的過程.

對于上述實驗結果,有很多學生質疑,認為蹺蹺板可能發(fā)生了較小的傾斜,沒有觀察到,對于這個質疑嘗試讓學生自己提出假設與驗證的方法.可以采用拍攝視頻,用慢動作播放的方式驗證,也可以增大兩小車間的質量差,重新進行實驗觀察.還有學生認為實驗過程比較短暫,蹺蹺板質量比較大,慣性大,可能還沒來得及傾斜.對這個疑問可以引導學生建立物理模型,從理論上進行深入探討,分析一般情況下兩小車的運動過程,這正是本節(jié)課的重點內容.

由于采用表面較為光滑的玻璃板,所以可以認為兩小車在光滑水平面上運動.另外,兩小車在水平面上平動,可以將其看作質點,分別受到作用力和反作用力.具體模型為:光滑水平面上,質量為m1、m2固定有磁鐵的小車,分別在恒力F1、F2的作用下沿同一直線向右運動,如圖4所示,某一時刻,二者速度分別為v1、v2,經一段時間后,二者速度分別為v1'、v2'.

圖4

這個模型的建構有承上啟下的作用,既是前面實驗與對問題本質認識的結果,也是后面進行推理論證的重要基礎.

3.3 基于已有認知進行自主建構促進推理與論證

在已建立物理模型的基礎上進行推理論證是物理學家們經常使用的方法,也是物理教學的重要策略.充分利用已經學習的知識與方法,對所研究的問題進行自主和合作的推理與論證,讓新知識深深扎根于舊知識,[9]并在已有認知的“土壤”上不斷“生長”,進而理解新知識的合理性,實現(xiàn)自主建構.這即為“求真”的過程,也是發(fā)展批判性思維的核心環(huán)節(jié).

引導學生利用已有知識嘗試推理論證這些物理量之間的關系.如果規(guī)定以向右為正方向,對于小車m1,由動量定理有(F1-F21)t=m1v1'-m1v1;對于小車m2,由動量定理有(F2+F12)t=m2v2'-m2v2.再由牛頓第三定律可知:F21=F12.將兩個式子的左邊和右邊分別相加,得到(F2+F1)t=(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2).

如果將兩小車看作一個系統(tǒng),(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2)即為系統(tǒng)的動量變化量,上述式子即為兩小車m1、m2組成系統(tǒng)的動量定理表達式.如果F2+F1=0,即系統(tǒng)的合外力為0,系統(tǒng)的總動量守恒,此即為系統(tǒng)動量守恒的條件.

在開始的蹺蹺板情境中:由于兩小車放在光滑的玻璃平面上,運動距離較短,近似滿足動量守恒的條件.并且開始時兩小車處于靜止狀態(tài),系統(tǒng)總動量為0,這樣可以推理得到m1v1'=m2v2'.此式對每個時刻都成立,則一段時間內的平均速度代入也成立,兩邊同時乘以運動時間Δt,得到m1x1=m2x2.也就是滿足杠桿平衡條件,所以兩小車運動過程中蹺蹺板保持平衡.

基于牛頓第三定律和動量定理進行推理論證,從理論上得到了系統(tǒng)動量守恒的條件及其內容.

3.4 尋找有效證據實現(xiàn)深度理解促進分析與評估

批判性思維是基于事實證據的分析與反思,在教學中一方面可以給學生提供正、反兩方面的證據,讓學生進行分析和甄選出有效證據,進行證實或證偽;[10]另一方面也可以讓學生自主或合作尋找證據來支撐自己的觀點.在對證據進行分析和反思的基礎上,促進對知識背后蘊含的邏輯美、對稱美進行深度理解.

如何尋找實驗證據進一步研究動量守恒定律呢?教師可以放手讓學生設計方案.

學生提出方案1:用以前“探究加速度與力、質量的關系”的裝置,將兩個小車分別平衡摩擦力,從而滿足動量守恒的條件,然后用一個運動小車撞擊靜止的小車,撞擊后粘在一起繼續(xù)運動,用打點計時器測量碰撞前后的速度.

方案2:將兩個小車放在氣墊導軌上實驗,用兩個光電門測量碰撞前后的速度.對于兩種方案讓學生進行綜合評價和辯證分析,培養(yǎng)學生的批判性思維能力.經過協(xié)商后發(fā)現(xiàn)用氣墊導來進行實驗,操作過程和數據處理比較方便,接下來讓學生用此裝置小組合作進行實驗探究,如圖5所示.

圖5 小組實驗探究

進行數據處理,歸納綜合得出實驗結論后,讓學生對本實驗的過程進行反思和質疑:有學生提出光電門只能測量碰撞前后勻速運動階段的速度,那么在碰撞的動態(tài)過程中,是否也滿足動量守恒呢?這里可以用DIS平臺的速度傳感器,測出兩小車的vt圖像,在兩小車碰撞端各固定一個強磁鐵,并且同名磁極相對,延長相互作用的時間,如圖6所示,進行數據分析.

圖6 用DIS平臺研究碰撞過程中系統(tǒng)的總動量

通過從理論分析到實驗探究、從特殊狀態(tài)到一般狀態(tài),幫助學生對動量守恒定律進行多維度分析,深刻理解其系統(tǒng)性、矢量性和普適性,也有助于提升學習對物理學對稱美、統(tǒng)一美的認知.[11]

3.5 解決實際問題培養(yǎng)責任意識促進綜合與創(chuàng)造

解決實際問題是批判性思維的重要維度,也是培養(yǎng)批判性思維的重要方式.學生在對實際問題進行解決的過程中需要對紛繁復雜的信息進行辨析,需要經歷構建物理模型、分析綜合和論證評估等過程.[12]并且實際問題往往與社會發(fā)展緊密聯(lián)系,有助于增強學生的社會責任感,這也是物理教學“向善”的過程.

外太空小行星來犯是地球生命面臨的潛在災難性威脅,盡管發(fā)生概率極低,但危害極大.2022年12月15日在浙江省杭州市和金華市一帶,一顆超亮火流星刺破了夜空,引發(fā)了社會熱議和國內學者對行星防御問題研究的重視.針對經典動能撞擊在預警時間較短的條件下無法有效防御大尺寸小行星的問題,中國科學院國家空間科學中心提出了“以石擊石”的防御方案,被國際同行公認為是可行的方案.

直徑在100 m以上的小行星質量一般可以達到數百萬噸,而用來防御的組合撞擊體質量只有100～200 t,在“以石擊石”方案中,如何實現(xiàn)防御目標的呢?請學生課后查閱相關資料,利用已有的知識、結合工程技術條件提出屬于自己的解決方案.這個實際問題的解決不僅有助于所學知識的遷移應用,還有助于增強學生的人類命運共同體意識和社會責任感.

物理學是一門以實驗為基礎、以理性思維為中心的學科,培養(yǎng)批判性思維能力是物理學科教學的核心內容和本源目標,即物理學科教學為批判性思維能力的培養(yǎng)提供了廣闊的實踐場域.只有充分理解批判性思維與物理學科核心素養(yǎng)的內在邏輯關聯(lián),才能將批判性思維有效浸潤到物理教學中并發(fā)展之.本文基于物理學科本質構建了浸潤批判性思維的物理教學金字塔框架,并總結凝煉了相應的教學策略,期許為一線教師的教學實踐提供可借鑒的范式.