課程教學(xué)觀視角下高中物理科學(xué)思維目標(biāo)體系的建構(gòu)及其有效性探究

楊 貴

(紅河哈尼族彝族自治州第一中學(xué) 云南 紅河 661100)

李燕瓊

(蒙自市第四中學(xué) 云南 紅河 661100)

為落實(shí)“立德樹(shù)人”教育根本任務(wù)，2016年中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布：“以人為本”從人的個(gè)體性、社會(huì)性和文化性出發(fā)，凝練了發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的18項(xiàng)綜合指標(biāo)，其中關(guān)于思維方法、思維品質(zhì)的指標(biāo)為“理性思維、批判質(zhì)疑”.為實(shí)踐落實(shí)各項(xiàng)“核心素養(yǎng)”指標(biāo)，2017年以來(lái)各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)頒布，學(xué)校就作為核心素養(yǎng)有效實(shí)施的“主陣地”，學(xué)科課堂就成了核心素養(yǎng)落地生根的“前鋒營(yíng)”.物理學(xué)科作為核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要學(xué)科，其核心素養(yǎng)包括 “物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任” 4個(gè)方面，“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵性素養(yǎng)，是培養(yǎng)“理性思維、質(zhì)疑創(chuàng)新”指標(biāo)的核心要素.本文在課程教學(xué)觀視角下對(duì)科學(xué)思維、模型建構(gòu)、科學(xué)推理等內(nèi)容進(jìn)行拓展，構(gòu)建了高中物理科學(xué)思維目標(biāo)體系，有助于增強(qiáng)“思維素養(yǎng)”培養(yǎng)的整體銜接性，有助于“科學(xué)思維”教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià).

1 “科學(xué)思維”目標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 追問(wèn)：課程教學(xué)觀視角

教育目標(biāo)的實(shí)踐需考慮以下問(wèn)題：(1)教育目標(biāo)是什么？(2)為實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材怎么編寫(xiě)？(3)為落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)，教師怎樣把課程標(biāo)準(zhǔn)精神和教材知識(shí)高效精準(zhǔn)地傳授給學(xué)生？(4)學(xué)生怎樣高效的學(xué)習(xí)、自主發(fā)展，提升自身的文化基礎(chǔ)？從怎樣有效地編寫(xiě)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材的視角審視教育實(shí)踐活動(dòng)，稱之為課程觀視角；從學(xué)生怎么樣高效學(xué)習(xí)、自主發(fā)展，提升自己文化基礎(chǔ)的視角審視教育實(shí)踐活動(dòng)，稱之為學(xué)生觀視角.從教師怎樣高效地使課程標(biāo)準(zhǔn)精神和教材內(nèi)容，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知、身心發(fā)展規(guī)律，開(kāi)展有效教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)施高效課堂和精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的視角審視教育實(shí)踐活動(dòng)，稱之為課程教學(xué)觀視角.因此，有效落實(shí)“核心素養(yǎng)”，可以走課程觀路徑、學(xué)生觀路徑和課程教學(xué)觀路徑，課程專家已經(jīng)編寫(xiě)出物理課程標(biāo)準(zhǔn)和與課程標(biāo)準(zhǔn)保持高度一致性的教材，是走課程觀路徑，本文從課程教學(xué)觀視角進(jìn)行探究.

1.2 追問(wèn)：科學(xué)思維

2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中“科學(xué)思維”是指：“從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式; 是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用; 是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素”[1].要依據(jù)此進(jìn)行“科學(xué)思維”素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià)，需要追問(wèn)以下問(wèn)題：(1)課程教學(xué)觀視角下，科學(xué)思維到底是什么？(2)高中物理科學(xué)思維要素，除了“模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”4個(gè)外，還有哪些其他要素？(3)高中物理模型有哪些？科學(xué)推理的特定形式有哪些？

為了回答(1)、(2)兩個(gè)問(wèn)題，需要先明確“思維、科學(xué)思維、思維方法”的概念.《辭海》中對(duì)思維的描述：“思維”指理性認(rèn)識(shí)(思想)或指理性認(rèn)識(shí)的過(guò)程(思考)，是人腦對(duì)客觀事物間接的和概括的反映[2]；科學(xué)思維強(qiáng)調(diào)以實(shí)證為判斷的依據(jù)、以邏輯作論證的手段、以質(zhì)疑作評(píng)價(jià)的起點(diǎn)[3]；思維方法就是思維主體為達(dá)到思維目的，把相關(guān)概念和動(dòng)作因素組合排列成為靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的具有先后次序、步驟、程序和可以運(yùn)行的操作過(guò)程的總和[4].從課程教學(xué)觀視角，“科學(xué)思維”是指物理理論體系的建構(gòu)或應(yīng)用的思維方法和思維品質(zhì).

查閱書(shū)籍和文獻(xiàn)資料，關(guān)于“思維方法”的框架結(jié)構(gòu)及內(nèi)容沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，思維的方法是抽象、歸納、演繹、分析與綜合等[5]，包括邏輯思維方法和非邏輯思維方法(直覺(jué)、靈感、想象等)[6]；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，科學(xué)思維方式是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括，是基于科學(xué)理性的分析綜合與推理論證，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑與批判等[7].綜合觀之，科學(xué)思維方法包含“抽象、推理、論證、概括、分析、綜合、批判、質(zhì)疑、創(chuàng)新”等內(nèi)容.

在“三維目標(biāo)”教學(xué)中：完整意義上的物理教育包括物理知識(shí)教育、物理方法教育、物理思想教育、物理觀念教育、物理精神教育.其中“物理思想”諸如：對(duì)稱思想、守恒思想、可逆思想、假說(shuō)思想等[8]；物理科學(xué)方法蘊(yùn)含在概念教材、規(guī)律教材和應(yīng)用教材中，科學(xué)方法諸如：圖像法、比值定義法、整體法和隔離法等[9].此處的“物理方法、科學(xué)方法、物理思想”都是構(gòu)建或者應(yīng)用物理理論體系的研究方法集，屬于科學(xué)思維的范疇.這樣，科學(xué)思維就是“過(guò)程與方法”的綜合表現(xiàn)，“科學(xué)思維”教育與“過(guò)程與方法”的距離就近了一層，方便新舊教材的銜接.再次，物理學(xué)是一門(mén)基于“觀察和實(shí)驗(yàn)”的學(xué)科，科學(xué)思維方法還應(yīng)該包括“觀察法與實(shí)驗(yàn)法”；“定性與定量”分析也是物理學(xué)應(yīng)用中常用的思維方法.

綜上所述，物理學(xué)更多的是培養(yǎng)“理性思維、質(zhì)疑批判”的學(xué)科，所以這里的科學(xué)思維方法指邏輯思維方法.從課程教學(xué)觀的視角，物理科學(xué)思維方法包括觀察與實(shí)驗(yàn)、抽象與概括、綜合與分析、推理與論證、質(zhì)疑與批判、創(chuàng)新與創(chuàng)造、定性與定量等.課程標(biāo)準(zhǔn)中“科學(xué)思維”的4要素，是科學(xué)思維方法中的核心思維方法，這也體現(xiàn)了高中物理核心素養(yǎng)的“核心性”，即“核心”包含了外延的最小化和對(duì)象的最大化雙重含義[10].課程教學(xué)觀視角下物理科學(xué)思維的內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 課程教學(xué)觀視角下物理科學(xué)思維內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

1.3 追問(wèn)：模型建構(gòu)與物理模型

物理概念是科學(xué)抽象在物理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要成果，所以“物理模型”是指物理概念背后的現(xiàn)實(shí)原型或反映特定問(wèn)題、特定事物本質(zhì)特征的物理結(jié)構(gòu).“模型建構(gòu)”體現(xiàn)的是物理模型的建構(gòu)過(guò)程，是在對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上，抓住其關(guān)鍵因素，構(gòu)建能反映其本質(zhì)特征的理想模型的科學(xué)抽象過(guò)程[11].理想化方法是模型建構(gòu)的一種特定形式，比如“質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷”等模型的建構(gòu).

在物理學(xué)理論體系的建立和應(yīng)用過(guò)程中，構(gòu)建了諸多物理模型，比如“原子的核式結(jié)構(gòu)模型、碰撞、輕桿模型”等.關(guān)于物理模型的分類，參照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外有較大的差異，為了方便物理模型的教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià)，借鑒國(guó)內(nèi)的分類方法，將物理模型分為模擬式物理模型(電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線)、理想模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?光電效應(yīng)、理想斜面實(shí)驗(yàn))和知識(shí)應(yīng)用教材中的物理模型(輕桿/細(xì)繩/彈簧模型、復(fù)合場(chǎng)模型)，理想模型又包括實(shí)體模型(點(diǎn)電荷、單擺、光源、理想變壓器)、條件模型(勻強(qiáng)電場(chǎng)/磁場(chǎng)、平行光)、過(guò)程模型(碰撞、平拋運(yùn)動(dòng))[12].筆者梳理了2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)、新教材及應(yīng)用教材中的物理模型，為方便模型的教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià)，這里不按照分類標(biāo)準(zhǔn)羅列物理模型，按照教材結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高中物理中的模型，其分布如表1所示.

表1 按教材結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的高中物理模型

1.4 追問(wèn)：科學(xué)推理

科學(xué)推理是依據(jù)科學(xué)事實(shí)、運(yùn)用邏輯思維，由一個(gè)或者幾個(gè)科學(xué)判斷，得出另外一個(gè)未知科學(xué)判斷的思維形式，是“核心思維方法”的“核心”，具體表現(xiàn)為：(1)科學(xué)推理是構(gòu)建物理模型、科學(xué)論證、質(zhì)疑和創(chuàng)新的手段和工具；(2)科學(xué)推理是學(xué)生認(rèn)識(shí)事物、解決問(wèn)題、指導(dǎo)行為的重要思維方式.

關(guān)于科學(xué)推理的特定形式，國(guó)內(nèi)外都有研究：國(guó)內(nèi)一線教師俞國(guó)富認(rèn)為，高中物理教材中涉及科學(xué)推理的內(nèi)容很豐富，這些內(nèi)容主要體現(xiàn)為演繹推理、歸納推理和類比推理[13]；國(guó)內(nèi)知名的課程與教學(xué)論專家廖伯琴認(rèn)為，科學(xué)推理是科學(xué)思維的重要體現(xiàn)，不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，還包括控制變量、組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式；美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)羅森(Lawson)教授開(kāi)發(fā)的LCTSR科學(xué)推理能力測(cè)量表中，推理的維度主要包括守恒推理、比例推理、控制變量推理、高級(jí)控制變量推理、概率推理、相關(guān)性推理、假設(shè)演繹推理等[14].可以看出，科學(xué)推理內(nèi)容的廣度有所不同，但能夠體現(xiàn)科學(xué)推理所包含的豐富內(nèi)容.另外，物理學(xué)是一門(mén)“應(yīng)用數(shù)學(xué)工具”的學(xué)科，包含了多種數(shù)學(xué)推理方法的應(yīng)用.綜合上述，從課程教學(xué)觀視角，科學(xué)推理可分為數(shù)學(xué)推理方法和物理推理方法，其分類結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 課程教學(xué)觀視角下高中科學(xué)推理的分類結(jié)構(gòu)

1.5 課程教學(xué)觀視角下物理科學(xué)思維素養(yǎng)指標(biāo)體系

2017年版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，科學(xué)思維直接對(duì)應(yīng)“模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”等要素，從課程教學(xué)觀的視角審視：科學(xué)思維到四要素之間、四要素到教學(xué)實(shí)施、測(cè)評(píng)之間跨度較大，教師不易理解和教學(xué)實(shí)踐.依據(jù)上文對(duì)科學(xué)思維、科學(xué)思維方法、模型建構(gòu)及科學(xué)推理的內(nèi)容擴(kuò)展，增加“一級(jí)指標(biāo)(科學(xué)思維)、二級(jí)指標(biāo)(思維方法)和細(xì)化指標(biāo)”，構(gòu)建了如表2所示的高中物理科學(xué)思維目標(biāo)體系.從“指標(biāo)一”到“細(xì)化指標(biāo)”是逐漸解剖、細(xì)化的過(guò)程，這就彌補(bǔ)了它們之間的理解空隙和執(zhí)行難的問(wèn)題.

表2 課程教學(xué)觀視角下高中物理科學(xué)思維素養(yǎng)目標(biāo)體系

2 “科學(xué)思維”素養(yǎng)目標(biāo)體系的有效性

2.1 暢通“思維素養(yǎng)”目標(biāo)培養(yǎng)的物理學(xué)徑向 增強(qiáng)科學(xué)思維培養(yǎng)的整體銜接性

“思維素養(yǎng)”目標(biāo)的物理學(xué)科徑向?yàn)椋毫⒌聵?shù)人-核心思維素養(yǎng)：理性思維、批判質(zhì)疑-學(xué)科思維素養(yǎng)群(數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)等思維素養(yǎng)集)-物理科學(xué)思維方法-物理核心思維方法(模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新)-物理單元思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)-物理課堂思維目標(biāo)-思維素養(yǎng)達(dá)標(biāo)檢測(cè).課程教學(xué)觀視角下物理科學(xué)思維目標(biāo)體系，增加了“一級(jí)指標(biāo)”體現(xiàn)了思維的物理特性，“二級(jí)指標(biāo)”中的思維方法在數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)等學(xué)科中也在培養(yǎng)，與其他學(xué)科思維素養(yǎng)構(gòu)成思維方法群，形成思維方法交集，這樣物理科學(xué)思維與核心思維素養(yǎng)就形成有效的銜接；另外，“細(xì)化指標(biāo)”下接“物理單元思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)、課堂思維素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)及測(cè)評(píng)”，就打通了物理科學(xué)思維從課程標(biāo)準(zhǔn)到實(shí)施評(píng)價(jià)的通道.總之，構(gòu)建的物理科學(xué)思維目標(biāo)體系，暢通了思維素養(yǎng)物理學(xué)徑向的培養(yǎng)之路，使思維素養(yǎng)的培養(yǎng)具有整體銜接性.

2.2 “可視化”科學(xué)思維 增強(qiáng)科學(xué)思維目標(biāo)的可操作性

課程教學(xué)觀視角下的高中物理科學(xué)思維目標(biāo)體系中：“一級(jí)指標(biāo)”回答了物理科學(xué)思維是什么的問(wèn)題；“二級(jí)指標(biāo)(思維方法)”回答了科學(xué)思維方法有哪些內(nèi)容的問(wèn)題；“細(xì)化指標(biāo)”回答了“模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新”四大核心思維方法的具體內(nèi)容和要素是什么的問(wèn)題.這些問(wèn)題的回答，使科學(xué)思維的物理本質(zhì)特性凸顯，使抽象的科學(xué)思維看得見(jiàn)、摸得著、接地氣，“可視化”了物理科學(xué)思維.另外，物理科學(xué)思維“可視化”，使得“科學(xué)思維”的教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂實(shí)施及測(cè)評(píng)有據(jù)可查、有理可依，增強(qiáng)了科學(xué)思維目標(biāo)教育的“可操作性”.

2.3 提高“科學(xué)思維”學(xué)業(yè)質(zhì)量的精準(zhǔn)度 發(fā)揮目標(biāo)引領(lǐng)作用

課程教學(xué)觀視角下高中物理科學(xué)思維方法指標(biāo)體系中“細(xì)化目標(biāo)”，解決了核心思維方法教什么的問(wèn)題，比如：(1)模型建構(gòu)維度教的是“模擬式物理模型、理想模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?yīng)用教材中的模型”的建構(gòu)及應(yīng)用模型解決問(wèn)題；(2)科學(xué)推理維度教的是應(yīng)用“數(shù)學(xué)推理、物理推理”方法建構(gòu)物理理論體系，用“數(shù)學(xué)推理、物理推理”方法作為工具應(yīng)用物理理論體系解決問(wèn)題.但是，“怎么教、教到什么程度？”就需要繼續(xù)追尋：“怎么教？”就是教學(xué)設(shè)計(jì)層面的問(wèn)題；“教到什么程度？”是學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的問(wèn)題.2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確了科學(xué)思維的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平：情景從簡(jiǎn)單到復(fù)雜分為5個(gè)等級(jí)，其中“水平2”是學(xué)業(yè)水平合格性考試的命題依據(jù)，對(duì)應(yīng)教材體系中的“必修課程”內(nèi)容，“水平3”比“水平2”情景更復(fù)雜；“水平4”是高考要求，“水平5”面對(duì)的是較復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題情境科學(xué)思維的應(yīng)用，“水平4、水平5”都對(duì)應(yīng)教材體系中“必修課程和選擇性必修課程”的內(nèi)容.應(yīng)用目標(biāo)體系中“細(xì)化指標(biāo)”和“水平”所對(duì)應(yīng)的課程內(nèi)容，可細(xì)化學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，以“模型建構(gòu)”為例，課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“模型建構(gòu)”的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平如下.

水平1：能說(shuō)出一些所學(xué)的簡(jiǎn)單物理模型；

水平2：能在熟悉的問(wèn)題情境中應(yīng)用所學(xué)的常見(jiàn)的物理模型；

水平3：能在熟悉的問(wèn)題情境中根據(jù)需要選用所學(xué)的恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題；

水平4：能將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型；

水平5：能將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型；

細(xì)化的模型素養(yǎng)學(xué)業(yè)水平質(zhì)量如下.

水平1：能說(shuō)出質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、檢驗(yàn)電荷、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等簡(jiǎn)單物理模型；

水平2：能在熟悉的問(wèn)題情境中應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、行星的運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)線、等勢(shì)面等常見(jiàn)的物理模型；

水平3：能在熟悉的問(wèn)題情境中，根據(jù)情境的類型特點(diǎn)，選用勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)線、等勢(shì)面等模型解決問(wèn)題；

水平4：能在實(shí)際問(wèn)題情境中，根據(jù)情境的類型特點(diǎn)，將對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)化成表1中所學(xué)的一個(gè)或者多個(gè)物理模型解決問(wèn)題；

水平5：能在較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題情境中，根據(jù)情境的類型特征，將對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)化建構(gòu)成表1中的一個(gè)或者是多個(gè)物理模型解決問(wèn)題.

通過(guò)對(duì)比分析，細(xì)化后的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平更精準(zhǔn)，能夠有效地引導(dǎo)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施及評(píng)價(jià)，發(fā)揮目標(biāo)引領(lǐng)作用.