立于“元問題” 行于“做中學”

摘要：《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：課程實施的關鍵是基于物理核心素養的“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”四個維度，發展學生的關鍵能力、必備品格和價值觀。物理教學應遵循物理教學規律，讓教學基于核心素養，立于元問題，引領學生思維進階，內化物理觀念，發展科學思維，深度感悟探究，行于“做中學”，讓學習進入真實實踐。

關鍵詞：元問題;做中學;物理核心素養

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2019）04A-0018-06

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：物理核心素養主要包含物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度，其中物理觀念代表知識的內化，是其他核心素養的基礎;科學思維和科學探究是關鍵能力;科學態度和責任是必備品格。《普通高中物理課程標準（2017年版）》一經發布，就引起一線教師的廣泛關注，中學生學物理學什么？讓中學生怎樣學物理？怎樣讓中學生學物理？中學生學習物理的路徑是怎樣的？如何實現學科教學的知識技能目標走向三維目標達成，最終走向發展學生學科核心素養？等新舊問題再一次被推到前臺。筆者基于近10年的學科實證研究和近30年的一線教育經驗總結認為：廣大物理教師必須用追問反思來引領教學實踐，基于物理學科特點，以認知科學理論、學習進階理論和學習路徑分析為指導，從認知理論、物理思維論、教學論、方法論、多元智能理論、實驗論和課程論的視角，對學生物理學科的關鍵能力形成和必備品格培養進行系統思考，在行動和實證研究中，分析研究物理教學的核心要素，糾正教學行為偏差，追尋物理教學規律，讓教學基于核心素養，立于抽象問題、原始問題、元問題引導思維進階，以內化形成物理觀念，深化發展科學思維，深度感悟科學探究，行于“做中學”探究，讓學習進入真實實踐，實現物理學習方式和學習行為的最優化。

一、立足“元問題”思考，培養學生物理核心素養

基于物理核心素養的教學，教師必須深刻理解“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”是對物理教學的綱領性要求。“物理觀念”是對物理現象的基本認識，是學習物理概念與規律后形成的具有穩定心理特征的認知結構。這種結構化認知可以讓學生在遇見需要解決的真實的問題時，能與所學的物理知識與技能進行迅速匹配，從而快速地找到問題解決的路徑和方法。即當學生的物理觀念形成后，學生能正確理解物理概念和規律，會對概念和規律深信不疑，懂得用物理的方法對概念和規律進行應用遷移。“科學思維”是物理學習與探究所需要的模型抽象、分析綜合、推理論證、質疑批判等認知方式或思維方式，教學就要構建學習內容中與模型抽象、分析綜合、推理論證、質疑批判等四個維度相匹配的思維（問題、實驗等）載體，為教學鋪設清晰的思維進階路徑，讓學生在不同的實際情境過程中思考與應用。“科學探究”是指對一個現象進行研究的能力，是一種研究問題的程序與過程，如提出問題和假說，設計驗證方案，依據證據來驗證假說，得出符合邏輯與證據的結論等，教學中要搭建指向問題、證據、解釋與交流等探究活動的平臺，使教學能體現探究程序與過程。“科學態度與責任”是指在探究科學的學習過程中，對科學本質等形成基本認識態度和社會責任感[1]。綜上所述：物理觀念代表知識的內化，是其他核心素養的基礎;科學思維和科學探究是關鍵能力;科學態度和責任是必備品格。

1.對關鍵能力與必備品格的再認識

華東師范大學崔允漷教授在研究世界各國及相關國際組織關于核心素養的定義的基礎上，對“核心素養”做了這樣的界定：個體在知識經濟、信息化時代面對復雜的、不確定性的現實生活情境時，運用所學的知識、觀念、思想、方法，解決真實的問題所表現出來的關鍵能力與必備品格。對物理學科核心素養而言，就是學生在物理學科學習后形成的一種行為習慣和思維慣性，外在行為表現出來的就是物理學科的關鍵能力與必備品格，它是相互依存的，并且交織在一起，如批判性思維、創造力、主動性、解決問題、風險評估、決策和建構性的感情管理等。

為了一致地描述關鍵能力和必備品格在物理教學和學習環境中的作用，可從知識創造、技能獲取和態度培養三個不同的教學和學習視角表達。在建構主義領域，知識的創造被理解為一個過程。在這個過程中，學生作為行為的實體，總是在原有經驗知識的基礎上學習。他們擁有大量直接參與學習物理學的知識要素（日常概念），但往往都是經驗性的、零碎的或片面的，需要廣泛重建他們的直覺知識才能創造出新的系統知識“建筑”（科學概念）。知識創造是知識的重建，它一定是在一個特定物理問題情境中發生的，讓學生經歷從日常概念到科學概念的建構認知發展進階過程，才會對物理概念的意義和含義有深層理解。獲得技能的流程與知識有明顯的聯系，技能發展也與物理內容密切相關，當學生對概念獲得更深層次的理解時，他們就會運用實用技能并能將所學知識遷移至真實情境。如學生在獲取加速度測量的實驗技能時，學生依據對瞬時速度的深層理解，并根據問題情境，運用已有知識（微元法或極限定義法）制訂探究計劃，選擇符合情境要求的方案，即利用打點計時器或光電門實驗裝置進行實驗，獲取客觀、真實的數據，通過對數據的分析，利用加速度定義或速度—時間圖像得出結論。在這里獲得技能的探究方法是符合建構主義理論的。伴隨著創造知識和獲得技能的過程，學生認知科學的熱情和方式也得到了發展，促進了態度培養和價值觀的形成。

2.用元問題提高學生的問題水平和思維能力

物理學是一門實驗科學，觀察和實驗是獲取物理思維材料的重要手段，但如果觀察和實驗不引出物理問題，決不會導致探索和研究過程。如德國物理學家倫琴在（1895年11月8日）獲得X射線照片底板之前，美國物理學家古德斯比德和英國克魯克斯就早已（1890年2月22日）獲得，雖然他們都遇到了同樣現象，但后者并未從觀察到的物理事實中引出物理問題，這一從他們眼前閃過的“新事實”也就不能引起他們的研究。而倫琴則分析了“新事實”和舊理論間的矛盾沖突，引出了問題，并對此做出了研究，發現了X射線。這一事實啟發人們：物理學的研究始于問題，“問題”是點燃思維的火種，正如杜威所說“思維的過程是一種事件的序列鏈，這一發展過程從反思開始移動到探究，再到批判性思維，最后得到比個人信仰和想象更為具體的‘可以證實的結論。思維不是自然發生的，但是它一定是由‘難題和疑問或‘一些困惑、混淆或懷疑引發的。觀察者‘手頭的數據不會提供解決方案，它們僅僅能夠給人啟示;而正是對‘解決方案的需要，維持和引導著反思性思維的整個過程;問題的本質決定了思考的結果，思考的結果控制著思維的過程。” [2]

問題始于思維，思維的發生就是反思—問題生成—探究、批判—解決問題的過程。立于問題又能促使思維向深度發展，“問題”是“思維”的載體，是培養“比較—概括—抽象”“分析—評價—創造”等深度思維的土壤，讓學生在高層次認知水平上，觸發發展高階思維驅動力[3]。

物理學的研究始于問題，物理教學也應始于問題，針對物理問題對學生認知投入動機的激發、學生的元認知策略（包括完成任務時對目標的設定、計劃、監控、評價以及對過程采取的必要的調整）、意志策略（指的是對注意的控制、影響的控制及努力地控制）調動的不同，可將物理教學中的物理問題概述為抽象問題、原始問題和元問題三類。“抽象問題”通常是指教學中學生所面對的大多數是教師通過對實際（原始）問題的合理分解、簡化和抽象后形成的“問題”。這類“抽象問題”往往是為鞏固物理概念、規律而人為加工出來的，與實際（原始）問題相距甚遠。基于這種“抽象問題”的物理教學，只是為了鞏固雙基知識而設置的“記憶—理解—應用”層級的問題，屬于低階思維能力的問題，不利于促進思維向深度發展和激勵學生的創新思維，更不利于培養學生發現問題和轉化問題的創新能力。“原始問題”是指自然界及社會生活、生產中未被抽象加工的典型現象問題。它具有以下特點：“是對現象的描述，沒有對現象做任何程度的抽象;基本是文字的描述，通常沒有任何已知條件，其中隱含的變量、常量等需要學生自己去設置;沒有任何示意圖，解決問題所需要的圖像需要學生自己畫出;對學生來說不是常規的，不能靠簡單的模仿來解決;來自真實生活情境;具有趣味和魅力，能引起學生的思考、向學生提出智力挑戰。”[4]基于“原始問題”的物理教學，因面對的是真實的問題情境，需要學生更多的認知參與，需要他們自主調動分析、綜合、評價、創新等高階思維活動，可以幫助學生表征知識，了解知識技能的應用情境，讓學生嘗試解決真實世界問題、完成真實情境任務，經歷日常概念到科學概念建構的認知發展進階過程，從而對概念的理解更深刻，發展更高的認知加工水平和高階思維能力。“元問題”是比普通問題（抽象問題和原始問題）進一層，通常涉及價值論、方法論層面的問題，是最根本、層次最高的問題，即為能引起問題的問題。正如物理學家理查德·費恩曼在打油詩所述問題：“我想知道這是為什么，我想知道為什么我想知道這是為什么，我想知道究竟為什么我非要知道我為什么想知道這是為什么”。在問題教學中引入元問題，就是利用以“問”引“問”策略設置“問題情景”，將“情景串”變成“問題串”，用元問題啟發學生問題思考的方向，不斷追問“問題”，激發認知的原動力，激活學生的思維。正如魯利亞所說：“在人有適當的動機而使課題變得迫切了，并且它的解決成為必要的了;當人要從他所處的情境中走出來，而又沒有現成的（先天的或習慣的）解決辦法時，只有在這種場合思維才出現。”[5]元問題將會最大限度激發深度學習動機并維持認知投入，更大程度地提高學生認知投入的質量，提升思維品質的深刻性、獨創性、批判性和靈活性。

綜上所述，物理教學指向核心素養，基于抽象問題、面向原始問題、立于“元問題”，激發學生質疑，給學生發現問題、提出問題的機會，使學生既會“學”又會“問”，可避免單一抽象的問題教學。如“去兩頭重中間”，不能給學生提供真實的原始問題情境，只凸顯演算和推導過程，導致科學思維中直覺思維缺位。因此，讓“元問題”成為跟進發展物理學科的關鍵能力與必備品格的原動力、驅動力，用“元問題”引領學生內化物理觀念、發展科學思維、實現科學探究、培養科學態度與責任，伴隨形成價值觀念，才是物理教學的核心要義。

二、行于“做中學”探究，讓學習進入真實實踐

物理學是基于觀察與實驗，建構理想模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的理論體系和研究方法的一門自然科學領域的基礎學科。創設物理教學情境，讓學習進入真實實踐，對培養學生學科核心素養，發展學科關鍵能力、必備品格、價值觀念具有關鍵作用。如在物理規律的探究教學中，基于實驗資源創設情境，讓學生在情境中發現和提煉問題，對問題的可能答案做出假設（預測），并根據問題情境，運用已有知識制訂探究計劃，選擇符合情境要求的實驗資源進行實驗，獲取客觀、真實的數據，通過對數據的分析形成關于物理規律的結論。這與杜威《探究認識論》的內核所提倡的探究相吻合，讓學生經歷杜威所述的探究的幾個維度，即“由問題情境引發的‘解題需要（探究的動因），實驗性的‘親歷者認識論（探究的實質），‘理智在場（探究的保障），‘思維五階段法（探究的模式），有根據的斷言（探究的結果）。”[6]（如圖1）只有這樣的“做中學”，才能表現出具備“科學思維、科學探究”的“關鍵能力”，“有效思維的態度、融身實踐和個人發展與時代責任擔當”的“必備品格”，“尊重事實”的“價值觀念”。

1.“做中學”的界定

這里所謂的“做中學”是源于杜威（John Dewey）的“做中學”“原型”，發展于參與性認知、探究認識論這兩種教學思想。參與性認知認為，認知的獲得是認知者通過各種體驗活動與認知對象交互作用的結果，即基于個人的身體、經驗、實踐、行動的參與以及情境、生活等互動基礎上生成知識的過程。認知是通過親歷參與而獲得的，知識就是一種參與行為，參與是一種認知手段。參與包括實驗參與、知識參與、道德參與和審美參與等。探究認識論認為，知識的對象是有指導的實驗操作所產生的后果，而不是充足存在于認知以前的東西，在物理教學中，主要體現為“探究是兒童對‘情境的探究，情境是兒童‘探究中的情境，知識是不斷被診斷的兒童活動的假設，三者統一于做中學。”[7]“做中學”在于增進認知，也如杜威表述的“他怎樣獲得這種知識，這個問題為自然地學校教育方法提供了線索。這個答案就是，不是通過閱讀書本或傾聽關于火或事物性質的說明，而是自己燒一下或自己吃東西，那就是做些事情。” [8]也就是說，學習便是事件與兒童的相遇，學習的過程是兒童主動參與、積極探究的過程，“做”是手段，“學”既是目的也是過程，“做中學”便是參與性認知。“做中學”既可以看作是一種教學原則和教育理念，也可看作是一種教學內容和方法，同時也是一個教育過程，其基本要義旨在以學生參與來架構課程，以“親歷”經驗的獲得為核心旨趣，在情境化的教學場域中，通過學生的各種“做”——觀察、實驗、探究、游戲等來組織實施教學。杜威的認識論是“探究認識論”，其學習觀是“探究學習觀”，從“做”中學、反思參與、理智指導等都是其內涵的體現。

考慮到杜威對當代中國的巨大影響力，更要厘清我們所提倡的“做中學”，不是指追求淺薄興趣、偏重動手操作、放松學術標準等。如果是這樣，將會對物理教育帶來屏障，譬如：首先會給物理模型建構帶來問題，因為生活中根本找不到“物體在不受外力影響的情況下，保持勻速直線運動”的實驗或實例，它只能通過伽利略斜面實驗加推理（即實驗+思維推理）來建構。在教學中引領學生建模時，是無法通過實驗或實例來直接演示或列舉實例說明，最多只能通過虛擬實驗（如用FLASH）模擬來豐富學生直觀思維素材。類似“勻速直線運動”這樣的簡化理想模型，在高中物理教學中還有很多，譬如質點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、勻強電場、理想變壓器、勻速直線運動、勻變速直線運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程等[9]。這些簡化的理想模型與實驗的真實情況大相徑庭，都需要“經歷過程”“體會思維方式”，才能通過高度抽象思維做到“抽象”，學生才能認識物理模型在探索自然規律中的作用，實現對概念、規律的理解和把握。更為準確地講，筆者所提倡的“做中學”應該擴展到杜威所提倡的“參與”，參與不僅僅強調行動，還強調思考，超越了“做”的范疇，著眼于關鍵能力、必備品格和價值觀念的教學統整。

2.“做中學”的運用

物理學是自然領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律。物理學基于觀察和實驗，物理模型的建立、物理概念的形成、物理規律的提出，物理學中許多重大的發現都是在觀察、實驗的基礎上進行思維的結果。在物理教學中，學生在對物理知識建構之前往往已具備了一定的感性的前認知，只不過這些認知大多是純經驗性、碎片化的，與科學概念表征之間仍然有一定距離。當教師以多種實驗資源為基礎，為學生創設真實的情境化學習和應用環境，讓學生在特殊物理情境下對這些碎片知識進行解析、重構，親歷物理問題的解決過程，并建構相對完整的科學概念和觀念，這些重構過程就為學生“做中學”勾勒出可能的學習路徑。這不僅遵從杜威教育思想，同時與皮亞杰的“發生認識論”、布魯納的“螺旋式的課程設計”、維果茨基的“最近發展區”和奧蘇貝爾的“有意義學習”理論觀點也是相統一，是對課程與教學論中“應為學生設定怎樣的學習路徑”這一核心問題的回應。學習路徑為學生提供學習圖景，刻畫出學生思維的發展過程，其課堂進階進程如圖2所示。學習進階的“進”是描述學生的認知發展方向，而“階”則是指發展過程中的關鍵點，也就是建立在進階變量基礎上的、學生認知發展的“腳踏點”。正是一個個連續的“階”將學習的起點和終點連接起來，形成學生在學習某一主題概念時，思維所遵循的連貫的、由簡單到復雜的、典型的學習路徑。幫助學習者找到認知發展過程中用于“踏腳”的具體“臺階”，為學習者的認知發展提供支撐，以進階為路徑實施教學，依循精心預設的“實驗之階”“問題之階”，可以快速甚至自發地讓學生觸景“生情”“生疑”“解惑”，提高學生“做中學”的效度，實現學生思維品質的精致化發展，即讓學習進入真實實踐，實現學習的有效進階。

例如：進行《曲線運動的速度方向》教學時，依據圖2所示“做中學”課堂進階進程設計教學流程（如圖3），學生通過視頻觀察：（1）旋轉砂輪上的火星、觀察火星顆粒飛出;（2）鏈球運動，觀察飛出鏈球方向。激發問題：做曲線運動的物體運動速度是沿什么方向？為聚焦問題，設計演示實驗：向旋轉陀螺頂上滴紅墨水，觀察墨水飛出方向并描畫墨水飛出軌跡（為猜想提供依據）。通過觀察體驗提出猜想：曲線運動的速度方向可能沿曲線的切線方向（提出假設）。為了檢驗猜想，進一步設計實驗探究（設計可以任意改變長短的磁性塑條，實驗時可不斷改變磁性塑條長短，來改變沿磁性塑條做曲線運動的鼠標滾球出口位置，保留的磁性塑條位置示動，根據每次在鼠標滾球上涂上紅墨水標記，記錄實驗信息），分析現象得出：鋼球在任意曲線的導軌內運動，離開導軌時沿切線方向飛出。同時理智理論分析，佐證得出結論，最后進行實踐關聯和實踐應用。

整個教學過程是在落實“做中學”教學策略中發生的，學生的學習是進入真實實踐，行于“做中學”探究，親歷知識建構過程;是在真實情境中發現和聚焦問題并引發“解題”需要;是在“親歷”實驗中獲取結論的。在這一“做中學”的知識建構過程中，更為重要的是著眼于讓學生體驗把情境中的一段經歷轉化為一個物理過程，進而把情境的故事情節轉化為某種物理現象，并把描述情境的文字轉化為具體的物理量，把情境中需要完成的工作轉化為相應的物理問題要求來表征，把問題中的實際情境轉化為解決問題的物理條件。正如杜威所言：“一切反省的探究都是從一個問題的情境出發的，而且這種情境不能用它本身來解決它自己的問題。只有把這個情境本身所沒有的材料引入這個情境之后，這個發生問題的情境才轉化而成為一個解決了問題的情境。”[10]進而提高學生物理學科的關鍵能力和必備品格，同時伴隨內化形成穩定的物理觀念的“副產品”。

通過觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理、類比、歸納等物理思維方法，實施對實驗“階”引發沖突的問題“階”的思考，從而引領學生主動思維，促進學生靈感生成，培養科學思維。教學設計將知識融入實驗“階”的情景，情景隱含問題“階”，通過有效的設疑與引思，展開求知的生動過程，將“情景串”變成“問題串”，用一個個連續的實驗情境和問題“階”將學習的起點和終點連接起來。用問題“階”為學生思維定向，在真實實踐的情景中（做中學）激活學生的思維;用問題“階”幫助學生妙悟知識的真諦，用問題“階”對教與學進行及時診斷與反饋，基于物理學科特點，用實驗“階”激發“問題”，用問題“階”引領思維，使物理教學立于“元問題”，行于“做中學”，為學生深度學習物理鋪設有效的學習路徑。

參考文獻：

[1]張飛.指向物理核心素養的教學目標分析與設計[J].中學物理教學參考， 2018（10）：5.

[2]王帥.國外的高階思維及其教學方式[J].上海教育科研，2011（9）：31.

[3]張飛.基于實驗情境驅動 發展高階思維能力[J].中學物理教學參考， 2016（10）：19.

[4]邢紅軍.原始問題教學：物理教育改革的新視域[J].課程教材教法， 2007（5）：53.

[5]曹玉芳.物理問題與“問題教學”的相關探討[J].教育研究與評論（中學教育教學）， 2010（6）：67.

[6][7][8][10]鄒紅軍，柳海民.杜威的“探究認識論”與探究學習[J].全球教育展望，2018（5）：63，64，65，66-67.

[9]丁道勇.警惕“做中學”：杜威參與理論辯正[J].全球教育展望， 2017（8）：19-20.