促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的思維型課堂教學(xué)實(shí)踐與反思

曹紅梅 任虎虎

(1. 徐州市侯集高級中學(xué)，江蘇 徐州 221121; 2. 江蘇省太倉高級中學(xué)，江蘇 太倉 215411)

1 科學(xué)思維與思維型課堂的內(nèi)涵

1.1 科學(xué)思維的內(nèi)涵

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容.[1]科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;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)造性見解的能力與品格.[2]

1.2 思維型課堂的內(nèi)涵

國內(nèi)以林崇德、胡衛(wèi)平為首的學(xué)者認(rèn)為學(xué)生的思維活動是“思維型課堂”的核心,其中,認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、思維監(jiān)控、應(yīng)用遷移是思維型課堂的4個基本特征.認(rèn)知沖突能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,它是形成概念、掌握規(guī)律的內(nèi)部直接動機(jī).自主建構(gòu)由認(rèn)知建構(gòu)與社會建構(gòu)組成.認(rèn)知建構(gòu)認(rèn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是學(xué)生積極主動建構(gòu)的過程,社會建構(gòu)強(qiáng)調(diào)人際間的互動;思維監(jiān)控是指學(xué)生對自己和他人的思考過程進(jìn)行總結(jié)、反思、評價,并主動控制自己的思維過程;應(yīng)用遷移是指學(xué)生將自主建構(gòu)中得到的知識、經(jīng)驗(yàn),主動用到實(shí)際問題的解決中,在解決問題的同時,進(jìn)一步加深自己對知識的理解.[3]

2 促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展的思維型課堂教學(xué)實(shí)踐

既然科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容,科學(xué)思維的培養(yǎng)必然成為物理教學(xué)的核心.教會學(xué)生怎樣去思考,促使學(xué)生形成良好的心智習(xí)慣,遠(yuǎn)遠(yuǎn)比教會學(xué)生思考的內(nèi)容更有價值.因此,注重思維的課堂,教師注意的點(diǎn)一定是投放在學(xué)生思維的發(fā)展上,而不應(yīng)該是自己的講述的內(nèi)容上.[4]思維型課堂中,以科學(xué)思維發(fā)展為主軸,讓學(xué)生在思維發(fā)展中經(jīng)歷概念的發(fā)生、發(fā)展以及應(yīng)用的過程,思維品質(zhì)也會同步得以提升．

下面以“全反射”概念教學(xué)為例,從思維型課堂的特征出發(fā),論述指向科學(xué)思維發(fā)展的思維型課堂策略:以情境創(chuàng)設(shè)誘發(fā)認(rèn)知沖突,以序列問題促進(jìn)自主建構(gòu),以批判反省達(dá)成思維監(jiān)控,以變式拓展驅(qū)動遷移應(yīng)用.

2.1 于平靜處起驚雷 ——情境創(chuàng)設(shè)誘發(fā)認(rèn)知沖突

教學(xué)的起點(diǎn)應(yīng)基于學(xué)生的知識儲備,學(xué)生在學(xué)習(xí)新概念或解決具體的問題之前并不是一張白紙,而是帶著原來的生活經(jīng)驗(yàn)和前概念的影響,教學(xué)過程中可以從前概念出發(fā),設(shè)置恰當(dāng)?shù)膯栴}情境引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,促進(jìn)舊概念的轉(zhuǎn)變和新概念的誕生.

變式1:若一束光從玻璃射向空氣,第一次入射角θ1=30°,求折射角θ2?

變式2:第二次從玻璃射向空氣,入射角θ1′為53°時,求折射角?

2.2 莫讓浮云遮望眼——序列問題促進(jìn)自主建構(gòu)

因?yàn)槭芮案拍罟獾恼凵溆绊?學(xué)生普遍認(rèn)為光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)會發(fā)生折射,就一定遵循折射定律.這里出現(xiàn)sinθ2′=1.34>1,問題的突破口隱藏得比較深,一些“浮云”遮住了學(xué)生的眼睛,他們自己很難找到切入點(diǎn),不禁產(chǎn)生一種 “春雨斷橋人難渡”的困苦感覺.

2.2.1 有序問題引推理

在思維型課堂中,以思維碰撞促進(jìn)概念的自主建構(gòu)顯得尤為重要,而真實(shí)情境下的問題驅(qū)動是實(shí)現(xiàn)學(xué)生進(jìn)行思維深度加工的有效手段. 教師貼近學(xué)生最近發(fā)展區(qū)層層設(shè)問,把學(xué)習(xí)任務(wù)合理分解,學(xué)生會不自覺地主動“入甕”.這里,筆者設(shè)置由5個問題構(gòu)成的問題鏈驅(qū)動學(xué)生一步一步深化思維,撥開“浮云”.

(1) 當(dāng)玻璃中的入射角θ1增大時,空氣中的折射角θ2如何變化?

(2)θ1和θ2能否無限制的增大?

(3) 哪個角先增大到最大值?最大值是多少?

(4) 當(dāng)空氣中的角度θ2增到90°,玻璃中的入射角θ1再增大,空氣中的折射角θ2也無法增大了.那折射光線會在哪里呢?

(5) 我們可以推想這時一定出現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象.請猜想:會是什么現(xiàn)象呢?

這里的序列化問題對調(diào)動學(xué)生知識的難度和思維層次上的要求越來越高,但是有序的問題預(yù)設(shè)也是在給學(xué)生搭建臺階,讓學(xué)生在問題解決中感受到攀登的喜悅.

2.2.2 科學(xué)論證破迷思

對待猜想的最好辦法就是用實(shí)驗(yàn)尋找證據(jù),然后進(jìn)一步進(jìn)行論證.學(xué)生利用半圓形玻璃磚進(jìn)行分組探究之前,再一次設(shè)置問題鏈,維持連續(xù)思索的動力,幫助學(xué)生走出猜想的迷思.

(1) 從玻璃中以入射角30°和53°分別入射,觀察現(xiàn)象有什么區(qū)別?

(2) 這兩種現(xiàn)象的轉(zhuǎn)折變化是從何時開始的呢?請通過實(shí)驗(yàn)尋找發(fā)生突變的臨界時刻?

(3) 臨界時空氣中的折射光線有什么特點(diǎn)?

(4) 歸納總結(jié)光從玻璃射到空氣時,全反射現(xiàn)象出現(xiàn)的條件?

(5) 除了從玻璃射入空氣,若改變介質(zhì),從介質(zhì)1射入介質(zhì)2時發(fā)生全反射,介質(zhì)1與介質(zhì)2有什么不同?

(6) 用自己的語言概括什么是全反射?

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):從玻璃中以30°角入射時,既有反射光線又有折射光線;而以53°角入射時,折射光完全消失,只剩下反射光.此時連折射光線都不存在了,如果還用折射定律,自然會推出一個荒謬的結(jié)果.逐漸增大玻璃中的入射角,從量變到質(zhì)變,會突然出現(xiàn)折射光線消失的臨界狀態(tài).隨后把玻璃射到空氣合理外推到從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì),對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié),順利得出全反射概念以及全反射產(chǎn)生條件,這無疑培養(yǎng)了學(xué)生的抽象概括能力.問題的層次決定了學(xué)生思維的層次.合理外推之后,又一次拋出問題:恰好發(fā)生全反射時,臨界角怎樣求呢?一個問題把學(xué)生引向理論推導(dǎo).

在問題鏈驅(qū)動下,經(jīng)過層層上升的思維加工過程,除盡繁華識真顏,最終自主建構(gòu)新概念——光的全反射. 科學(xué)推理和科學(xué)論證是物理學(xué)習(xí)與研究中重要的思維方法,是科學(xué)思維的主干,教科書主要的概念、規(guī)律學(xué)習(xí)都用到了推理與論證.在變式2的認(rèn)知沖突刺激下,從對兩個角同時變大的科學(xué)推理開始,走向用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)論證,最終又回到科學(xué)推理求得臨界角.學(xué)生親身經(jīng)歷了概念的“來龍”過程,理解了為什么要引入全反射概念,在自主建構(gòu)中形成全反射概念,經(jīng)歷了有意義的學(xué)習(xí).

2.3 小舟撐出柳陰來——批判反省達(dá)成思維監(jiān)控

思維監(jiān)控需要監(jiān)控什么?監(jiān)控自己和他人思考的內(nèi)容、思考的過程、物理概念和規(guī)律建立的過程、思維的方式以及結(jié)果;思維監(jiān)控之后對以上各點(diǎn)進(jìn)行評估和反思,從而能更深刻把控物理概念和規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì).思維監(jiān)控有助于規(guī)約學(xué)習(xí)者的思考過程,幫助學(xué)生形成自己的思維策略.

2.3.1 思維監(jiān)控引反思

全反射的概念及其條件都比較抽象,在實(shí)驗(yàn)探究之后,引導(dǎo)學(xué)生反思全反射條件建立的過程,用流程圖進(jìn)行總結(jié)概括,進(jìn)一步體會從前概念獲得新概念的過程.同時,還需要把實(shí)驗(yàn)中的具體介質(zhì)外推到一般情況,分別為光密介質(zhì)與光疏介質(zhì),并進(jìn)一步簡化成具體的光路模型,畫出光路圖,給學(xué)生留下具象化的認(rèn)知圖示,見圖1.反思全反射條件構(gòu)建的過程,把內(nèi)隱的思維過程顯性化,有助于學(xué)生以后遇到復(fù)雜實(shí)際物理問題時能順利簡化出光路圖.

圖1 全反射條件形成的認(rèn)知圖示

2.3.2 悄無聲息起辨析

課堂伊始,得到sinθ2′=1.34>1,這是一極好的對學(xué)生進(jìn)行批判性思維訓(xùn)練的機(jī)會.新知是在對舊知的批判中,走出對前概念(光的折射)的理解迷思,才能深度理解新概念.面對正弦值大于1,引導(dǎo)學(xué)生反省自己的思維過程.學(xué)生會禁不住懷疑自己計算出錯,甚至懷疑折射定律出錯．不管哪種懷疑,都促使學(xué)生進(jìn)行思維重現(xiàn),重新檢查推導(dǎo)過程.當(dāng)發(fā)現(xiàn)推導(dǎo)過程沒有問題時,就會猜想:折射定律的運(yùn)用難道有條件的嗎?

在課堂的后半程,當(dāng)從實(shí)驗(yàn)探究與理論分析兩條道路得到全反射的概念以及全反射的條件之后,為了論證上述猜想,筆者及時發(fā)出3個追問.

追問1： 光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì),一定會發(fā)生折射嗎?

追問2： 教材對折射定律的表述嚴(yán)謹(jǐn)嗎?

追問3： 需要加上附加條件對折射定律進(jìn)行修正嗎?

2.4 絕知此事要躬行——變式拓展驅(qū)動遷移應(yīng)用

經(jīng)歷概念的“來龍”,還要交代概念的“去脈”.物理概念和規(guī)律只有在真實(shí)情境下進(jìn)行遷移應(yīng)用,才能進(jìn)一步明晰、把握物理概念的內(nèi)涵和外延,才能使學(xué)生理解得更深刻,掌握得更牢固.

真實(shí)情境:光纖已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶,如果要使任意角度入射的光從光導(dǎo)纖維的一側(cè)入射時都能在光導(dǎo)纖維里發(fā)生全反射,那么光導(dǎo)纖維的折射率需要滿足什么條件?

圖2 光導(dǎo)纖維截面圖

思維需要載體,需要必要的知識儲備,光導(dǎo)纖維對學(xué)生來講是個未知的事物,首先要分析光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu),如圖2,畫出光導(dǎo)纖維的截面圖,有內(nèi)芯和外套,最外面是保護(hù)層.光導(dǎo)纖維太細(xì),為了便于觀察光的行進(jìn)路徑,特意放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,采用有機(jī)玻璃棒模擬光導(dǎo)纖維做演示實(shí)驗(yàn),當(dāng)激光射入一根彎曲的有機(jī)玻璃棒的一端時,觀察有機(jī)玻璃傳輸光線的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)激光在彎曲的有機(jī)玻璃棒中并不沿直線傳播,而是沿著鋸齒形的折線傳播,見圖3.在此基礎(chǔ)上,去掉情境,簡化出光導(dǎo)纖維的光線傳播模型來.如圖4所示.

圖3 激光在彎曲的有機(jī)玻璃棒中傳播

圖4 光導(dǎo)纖維中的光路圖

學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中之所以會想偏、會用錯知識說明該物理問題要么思維難度較大,要么條件具有迷惑性,要么物理情景、物理模型的構(gòu)建比較困難.[5]因而,養(yǎng)成學(xué)生思維的程序非常關(guān)鍵.對于實(shí)際物理問題解決的思維流程,首先是從文字中構(gòu)建出物理情境,其中去掉情境,簡化出光導(dǎo)纖維的光線傳播模型最關(guān)鍵.然后判定遵循的物理?xiàng)l件,轉(zhuǎn)成生成數(shù)學(xué)問題,寫出表達(dá)式進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算.在解決實(shí)際問題的遷移應(yīng)用中,這種思維的程序性知識,不是教師的單方面引導(dǎo)能直接賦予學(xué)生的,需要學(xué)生自己反思、反省、歸納、概括.需要通過思維監(jiān)控來形成解決此類問題的程序,形成思維的序,見圖5.

圖5 遷移應(yīng)用中思維的序

3 教學(xué)反思

認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、思維監(jiān)控、遷移應(yīng)用,從時間的進(jìn)程來看,沒有絕對的劃分.自主建構(gòu)貫穿物理課堂的始終,知識的建構(gòu)從時間的維度,從難易的維度來看存在著延續(xù)性.思維監(jiān)控應(yīng)該是學(xué)生自覺自愿的過程,隨時用質(zhì)疑、批判的眼光對待學(xué)習(xí)的全程,反思和評估自己和他人思考的內(nèi)容、思考的過程、物理概念和規(guī)律建立的過程、思維的方式以及結(jié)果.因而,對每一節(jié)課來講,思維監(jiān)控也要貫穿始終.在反思中建構(gòu),在建構(gòu)中再反思,經(jīng)歷這樣的循環(huán)過程,才是進(jìn)行了有意義的學(xué)習(xí).

對于每一個課例,如果教師都能夠首先深刻挖掘教材是如何體現(xiàn)科學(xué)思維的,然后根據(jù)班級學(xué)情,以思維活動為主軸,從認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、思維監(jiān)控、遷移應(yīng)用各個角度創(chuàng)造機(jī)會,讓學(xué)生經(jīng)歷思維深度加工的過程,不僅促成學(xué)生對概念規(guī)律的深度理解,還能在思維監(jiān)控作用下,形成思維的程序性知識,幫助學(xué)生形成思維的序.學(xué)生在思維型課堂中經(jīng)歷概念、規(guī)律發(fā)生、發(fā)展以及應(yīng)用的過程,在教師引領(lǐng)下進(jìn)行各種科學(xué)思維活動,一定會還師者以驚喜.