試論高中物理主體認知問題的情境設計邏輯

郭 拯

(慈溪市教育局教研室 浙江 寧波 315300)

探究性教學是指學生在教師所創設的學習情境中，通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式，解決問題、獲得知識與技能，內化情感態度與價值觀的教學方式和教學過程.探究教學的精髓重在“探究設計”，探究設計的精髓重在“主體認知問題的情境設計”.

分析目前物理課堂教學中的問題情境設計，主要存在以下幾個突出問題：

(1)簡單化.問題情境設計限于教材顯性內容，注重知識的識記性，輕視理解與評價性的問題情境；

(2)隨意化.問題情境設計不符合學生的認知水平和年齡特征，沒有考慮科學認識的內在規律；

(3)虛擬化.問題情境設計并沒有建立在真切的物理實驗探究基礎上，教學呈現只留于語言表達和結論陳述，輕視問題探索的推演過程，學科教學特征不明顯.

那么，如何有效地設計主體認知問題的情境，使課堂教學具有清晰的結構化邏輯脈絡呢？本文試從以下幾個方面進行論述.

1 主體認知問題情境的設計內涵

主體認知問題所揭示的知識具有其內在的邏輯結構，只有結構化知識才最易內化為學生的認知結構，而結構化的問題情境則為這種轉化提供了心理空間，促進這種轉化.具體體現為不同的教學環節有不同的問題情境設計，不同的問題情境表現出不同的互動關系構建，不同的互動關系表現出不同的教學活動主題.教學過程互動環節同構于不同類型的問題系統的認知情境環節，體現在3個對應關系上：

(1)問題探究難度與認知水平相協調——情境設計的前提；

(2)問題探究目標與教學目標相協調——情境設計的關鍵；

(3)問題的知識涵蓋與認知內容相協調——認知問題的實質性保證.

在物理課堂教學中，應使問題情境結構、物理知識結構與學生認知結構三者和諧統一，相互促進.

2 如何進行主體認知問題情境的設計

問題情境設計的目的是引發認知沖突、提出研究問題、引導學生分析歸納并將學習遷移擴展.其主要特點就是在“問題解決中學習”，讓學生就學科內容形成問題，通過“事情為什么會是這樣的”，使學生主動、深入地激活原有經驗，理解問題內涵，分析、推論生成新理解、新假設.

2.1 以科學思維方法重構問題情境的發展邏輯

知識間的邏輯關聯反映的是科學研究的發展過程，邏輯間的關聯一定存在物理學的思想方法.問題情境的生成與呈現是具有內在規律性的，物理情境是具有物理知識和物理思想的情境，科學思維方法是構建問題情境的重要依據.

案例分析1:以“電容的比值定義法”例談問題情境設計.

“電容器與電容”教學環節的核心是運用“比值定義法“建立電容概念.考查這一概念的教學過程，多數教師的問題情境設計線索如下：

(1)研究電容器充放電過程，說明電容器是一個儲存電荷的器件；

(3)類比遷移.將電容器所帶電荷量與容器所儲水量相比擬，內化概念內涵.

分析上述教學案例，其所設計的問題情境存在一定缺陷，我們說比較是抽象概念的前提，更是比值定義法的前提，它是確定研究對象之間差異性和共同性的思維過程和方法.比值定義法問題情境的構建分析如下：

第二，同中求異，闡述屬性.即同一物理條件下，揭示共性反映的屬性.問題情境設計：

第三，同異綜合，揭示本質.由于物理現象的復雜性和多樣性，決定了在構建“比值定義法的問題情境”時，一般方法是“由個別到一般、由部分到整體、由簡單到復雜、有淺入深、由現象到本質”的順序進行設計.其中的邏輯思維過程體現在“異中求同、同中求異、同異綜合”中逐漸構建，進而揭示物理本質，其流程圖可表示如下：

異中求同

同中求異→選取標準→同異綜合

找出關鍵物理量→比 值→提示本質

比值定義法作為概念構建的一種重要方法，高中物理教學中與之同類情境構建的還有，諸如：加速度、電場強度、磁感應強度等，上述思維方法的問題情境構建具有一定的普通性.除了比值定義法之外，物理科學方法還有許多，如“理想模型方法”.

案例分析2:以“自由落體運動模型”例談問題情境設計.

理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體.實際的物理過程都是諸多因素作用的結果，理想運動模型建立的核心思想是突出問題研究的主要方面，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的運動變化過程.它們以客觀存在為原型的，作為抽象思維的結果，也是對客觀事物的一種反映.讓學生深刻體驗到其中的物理學思想方法是問題情境構建的重要意義.過程如下：

(1)先演示在有空氣阻力的情況下，羽毛和小鐵片一起由靜止下落，并未同時落地;

(2)將空氣抽去一部分，羽毛和小鐵片下落接近；

(3)再抽去一部分(幾乎達真空)，羽毛和小鐵片幾乎同時落地；

(4)合理外推：在沒有空氣阻力的情況下，羽毛和小鐵片一起由靜止下落，將同時落地；

(5)反向扭轉開關，放入空氣再次對比剛才的情境，落地的時間差異又很大了.

上述問題情境的設計所涉及的方法有,應用因果共變分析法、反向對比方法等.高中物理學科蘊含著十分豐富的科學思維方法，除上述例舉的兩種科學思維方法外，又如：控制變量法、演繹推理法、實驗歸納法、類比法等等，這些內隱于科學思維方法中的具體化的邏輯結構是問題情境構建的重要依據.

所以，德國著名物理學家玻恩(1882～1970)說：“我榮獲1954年的諾貝爾獎金，與其說是因為我所發表的著作里包括了一個自然現象的發現，倒不如說是因為那里面包括一個關于自然現象的新思想方法基礎的發現.”

2．2 以學生的認知變化趨勢預設教學環節的情境發展

相應的教學環節根植于系列探究問題的土壤中.課堂教學中，設計系列主體問題探究時，要提供有助于形成概括結論的情境化方法，引導學生通過分析比較等方法，以事實為論據歸納出概括性結論，進而實現教材呈現的知識邏輯向教學呈現的認知邏輯的情境發展.如以人教版新課程《物理·必修1》

“牛頓第一定律”一節內容為例.

案例分析3:以“牛頓第一定律”例談教學環節的情境發展.

(1)教材呈現的知識邏輯

1)引用愛因斯坦的比喻，簡述歷史上關于“力和運動”的觀點，引出物理學有效的“偵察”方法；

2)通過“理想實驗”魅力展示，闡述伽利略的研究過程，揭示科學研究方法和物理本質,提出笛卡兒觀點；

3)“牛頓物理學的基石——慣性定律”的揭示；

4)通過“思考與討論”揭示物理學重要概念“慣性”與“質量”的關系.

考察這一經典課例的課堂教學，多數教師從生活現象著眼引出歷史上的研究觀點，然后通過理想實驗得出伽利略觀點，這一層面的教學設計相對比較到位，且有許多亮點.但從伽利略發展到笛卡兒，再從笛卡兒發展到牛頓的觀點，這一深入思維層面的教學展開卻缺乏有效系列問題的情境構建.從教學設計上而言，思維漸進地展示過程決定了系列問題的情境發展，系列問題的情境發展須以學生的認知變化趨勢加以構建.這一教學環節的設計補充如下：

(2)教學呈現的認知邏輯

問題情境1)：教材為引出牛頓第一定律而闡述的伽利略理想實驗，他的設計思想是怎樣的？你認為他對“力和運動”的關系認識意味著什么？

問題情境2)：笛卡兒補充道：如果運動物體不受任何力的時候，它的運動速度數值和方向都不會改變，請分析他比伽利略的認識高明在哪些方面？

問題情境3)：牛頓第一定律表明了哪些內涵？牛頓的認識比前人更高明在哪些方面?

比較上面知識邏輯和認識邏輯系統，知識邏輯明確的是“學什么”，由教材系統決定；認知邏輯明確的是“怎么學”，由主體的認知規律決定.預設的認知邏輯使整體教學目標具體分解為一個個教學環節的過程性目標，并內化成學生期望的學習目標，以此“喚醒”學生的自主意識，誘導學生學習潛能的開發.

考查“牛頓第一定律”的整體教學情境設計，應注重從4種典型科學思維方法加以深入逐次有序構建：

1)控制變量法.實驗探究，讓小球從同一斜面上同一高度由靜止滾下，觀察分析現象；

2)合理外推法.假定平面越光滑，小球運動的距離就越大，若平面無摩擦小球就將永遠做勻速運動；

3)理想化方法.無摩擦的運動就是一種理想化模型；

4)分析歸納法.如上述案例闡述，伽利略、笛卡兒、牛頓觀點的思維漸進性發展.

教學環節的情境發展是以學生認知變化趨勢為依據的邏輯發展過程，其關鍵在于學生能將親身獲得的知識、方法，納入到主體認知結構中，形成知識遷移能力；并使教學設計的過程目標建立在內隱過程與外顯行為相結合的可測量的操作性基礎上.

我們說，物理教學內容按特點可以分為概念性教學內容、規律性教學內容、實驗探究教學內容和應用性教學內容.以上案例僅是以規律性教學內容的粗略靜態分析，在教學實際中對課堂教學的問題情境或系列問題情境的設計邏輯，要根據不同的教學內容、教學課型和學生實際情況，進行依據于物理科學方法的教學設計，引導知識的發展過程，使學生不僅能掌握知識，而且能知道所學的知識是用了什么方法得出的，從而讓學生感覺到學習的真正意義.