基于批判性思維的高中物理課堂重構①
——以“固體”教學為例

陳新華 陶兆寶

(江蘇省常州市第一中學,江蘇 常州 213003)

1 批判性思維教學簡介

批判性思維(Critical Thinking)是指“理性的、反思性的思維,其目的在于決定我們的信念和行動”，它既是思維能力,也是思維傾向。

批判性思維作為高階思維的方式之一,越來越受到研究者和教育者的重視，《中國學生發展核心素養》明確將“批判質疑”列為中學生核心素養的重要組成之一。目前培養學生批判性思維的實踐主要集中在大學,把“批判性思維”作為思維訓練課程來開設。中學教學不具備開設專門思維訓練課程的條件,如何把批判性思維的培養融合到學科教學中,在物理教學中培養學生的批判性思維能力?就此分享筆者的思考與實踐。

2 基于批判性思維的課堂重構

不少教師對“固體”一節的教學處理是簡單化的，作為知識性內容,以介紹和自主閱讀為主,忽視了知識學習對學生思維能力的培養作用。從批判性思維培養的角度來審視這節課,材料科技的水平不僅決定了社會生產力水平,也決定了社會文明程度。對材料的研究過程,不僅包含著對客觀世界“由表及里、由現象到本質”的一般認識過程,也包含著猜想與假設、質疑與求證、直接與間接、模型與抽象、溯因與推理等多種批判性思維的要素。本節內容的重點不僅在于知識,更在于知識、方法的獲得過程,以及在此過程中對學生批判性思維等高階思維能力的培養。鑒于此,筆者以實驗為線索對本節內容進行了重構,建構由認識外形、到研究結構、到遷移運用的認知過程,從多維度培養學生的批判性思維能力。

2.1 對比觀察,在體驗中理解

師:塑料小盒中裝有食鹽、蔗糖、松香、玻璃等小顆粒(圖1),觀察它們的外形,在外表上各有什么特征?

圖1

生:食鹽和蔗糖(晶體)有規則的外形,松香和玻璃(非晶體)沒有規則的外形。

師:大家手邊還有水晶簇(圖2),水晶有沒有規則的外形呢?

圖2

生(討論后總結):單個水晶柱有規則的外形(單晶體),合到一起的水晶簇沒有規則的外形(多晶體)。

點評:考慮到學生已有生活經驗以及記憶的不確定性,把常見的晶體和非晶體實物呈現給學生觀察,學生用肉眼(或放大鏡)觀察,得到結論,不僅增強了體驗性,也使結論更易理解。在認識固體外形特征的基礎上,提供水晶簇給學生觀察,引發認知沖突,使得學生對晶體(單晶體和多晶體)的外形特征有了進一步理解。理解是批判性思維生成的基礎,觀察是理解的前提。從教學效果看,此處增加觀察實驗有效彌補了學生生活經驗不足的缺陷,促使學生提出進一步研究的問題:為什么會有這樣的區別?除了外形的區別,在其他方面還有區別嗎?問題的提出要有據可依、客觀真實。

2.2 對比實驗，在形象中建構

取云母和玻璃做對比實驗，在云母、玻璃片的一面均勻涂上石蠟,用電烙鐵加熱另一面,觀察現象(圖3)。

圖3

師:石蠟熔化時的形狀有什么不同，說明了什么?

生:從石蠟熔化后又凝固的痕跡看(圖4),玻璃片在各個方向上導熱一樣快,而云母片在左右方向上導熱較快。

圖4

師:在本實驗中石蠟的作用是什么?

生:石蠟起到使云母片和玻璃片的導熱性能可視化的作用。

點評:晶體的某些物理性質會表現為各向異性,這與學生的已有經驗相距甚遠,學生難以直觀理解。課本上熱源用的是燒熱的縫衣針,實際操作效果不明顯且穩定性差,并且教材中的實驗結論是用繪制的圖片來表示的,證據的可靠性不足。筆者改進了實驗,選用恒溫式電烙鐵進行加熱,使分組實驗成為可能,親歷實驗得到的結果增強了結論的可信度。而教師最后關于石蠟作用的提問,讓學生在得到實驗結論的同時,體會“可視化”與“顯性化”的間接研究方法。

2.3 再次實驗,多方論證

師:除導熱性外,晶體的其他物理屬性是否也會表現出各向異性呢?

生:有可能,需要驗證。

師:同學們手邊有一塊玻璃磚(非晶體),一塊方解石(晶體)。把單根紅線拉直,在紅線的上方透過玻璃磚觀察紅線,看到幾根線?旋轉玻璃磚,你看到了什么?改用方解石做同樣的實驗，敘述實驗現象。

生1:如圖5所示，旋轉玻璃磚,只看到一根紅線;旋轉方解石,看到的紅線由一根變為兩根,間距逐漸增大,再逐漸減小，變為一根。這說明玻璃折射各向同性,方解石折射各向異性。

圖5

生2:驗證了非晶體各向同性,而晶體有可能是各向異性。

點評:晶體和非晶體的各向同性與各向異性是針對不同物理屬性的,可能是熱傳導、光傳導、也有可能是電傳導等。教學中關注了方解石的雙折射現象，從多角度論證晶體的各向異性,增強了結論的可靠性,也讓學生認識到得出的結論需要進行多角度的論證,而不是被動接受。

2.4 回溯物理學史,在質疑中論證

師:剛才研究了晶體和非晶體在宏觀特性方面的一些區別,下面該研究什么?

生:產生這些區別的原因。

師:你們覺得可能是什么原因?

生:微觀結構。

師:晶體在微觀結構方面可能有什么特點?

生:規則排列。

師:這與科學家們的猜想基本一致，如何驗證?

生:通過顯微鏡觀察。

師:你們覺得這個方案怎么樣?

生(討論后):那個年代應該只有光學顯微鏡吧,我感覺光學顯微鏡觀察不到晶體內部原子的排列。我們在生物課上使用的光學顯微鏡只能觀察到細胞結構。

師:那怎么辦呢?

生:……

師:物理家勞厄認為不能直接觀測,就間接觀測。若晶體內部原子是規則排列的,讓X射線通過晶體，就會觀察到有規律的衍射圖樣,通過分析晶體衍射圖樣,他證實了晶體內部存在空間點陣結構，并因此獲得1914年的諾貝爾物理學獎。該實驗對科學探究的重要啟示是:用間接觀測方式可探知微觀世界。

點評:關于晶體微觀結構的研究,教材通過簡單介紹直接給出晶體的微觀結構模型,讓學生被動接受,這不利于批判性思維能力的培養。本節課用一系列的問題帶領學生經歷這個過程,讓學生由宏觀特性猜想微觀結構,尋找合適的方法予以驗證,既學習了間接觀測的科學方法,也促進了學生對“猜想和論證”的認識。

2.5 引入現代科技，在遷移中創新

師:如果把兩根彈簧放到熱水中,長度會如何變化?為什么?

生:變長,因為熱脹冷縮。

實驗演示:把兩根彈簧放入水中,一根彈簧迅速變長,一根彈簧迅速變短。

師:你看到了什么?有什么疑問?

生:彈簧遇熱有的伸長、有的縮短?為什么?

師:能用剛學到的知識解釋嗎?

生1:這兩根彈簧可能微觀結構不一樣。

生2:可能是一根彈簧遇到熱水時分子間距減小,另一根彈簧遇到熱水時分子間距增大,感覺不是熱脹冷縮現象。

師:這兩根彈簧的微觀結構跟溫度有關,它們能夠記住其在60攝氏度時的形狀,當把它們放入熱水中時,它們就恢復了原有的形狀,這就是比較熱門的“記憶合金”。

生:哇，原來如此。

師:記憶合金的這種特性能否應用于實際呢?

生:我眼鏡的鏡架就是記憶合金的,壓彎了很快就能恢復原形。

師:如圖6所示，正中央碗狀的拋物面是人造衛星的天線,這么大的天線是如何帶上天的呢?

圖6

生:用記憶合金制作天線。

師:請簡述原理。

生:發射人造衛星前,將拋物面天線冷卻揉成團,火箭升空將人造衛星送到預定軌道后,加熱達到設定溫度,折疊的衛星天線因具有“記憶”功能而自然展開,恢復拋物面形狀(圖7)。

圖7

點評:用記憶合金彈簧實驗激發認知沖突,引導學生聯想與思考,在知識遷移過程中培養學生的創新能力。

2.6 巧用資源，在思考中升華

課堂臨近結束時,一學生發生意外。

生1:我不小心把方解石塊碰到地上,發現摔碎后的方解石雖然大小不一,卻都有規則的外形(圖8),會不會有某種規律存在?

圖8

師:真的嗎，如何解釋呢?

生2:碰巧吧?

師:萬一不是碰巧呢?

生2:再試試。

生3:說明方解石是晶體,晶體都有規則的外形。

生4:為什么摔碎后的方解石都會有規則的外形呢?

點評:抓住課堂意外,因勢利導,讓學生去判斷問題的真偽并進行驗證,讓學生經過實驗和反思去尋找問題的答案。生1的提問體現了學生有較強批判性思維能力。生2的行動很好地體現了“迅速思考、謹慎判斷”的特征,這是批判性思維的精髓所在。生3的回答體現了課堂內容的逆向遷移，用以解決新問題,這是批判性思維的運用。生4進一步的追根究底,讓學生感覺意猶未盡、課堂沒有結束,是新問題解決的開始。

3 基于批判性思維的物理課堂重構的幾點思考

3.1 教師要提升自身批判性思維能力

課改倡導發揮學生主體的作用,關注知識的形成過程和方法的滲透。但客觀地講,常規教學中依然存在著大量教師主體、知識本位、題海訓練等現象。對照基于核心素養的課程目標,教師們要客觀地分析問題,尋找解決問題的途徑,進行反思和評估。在一次次的審慎反思和實踐中提升教學效率,通過自我反思提升自身批判性思維能力,正如鐘啟泉先生所說：“唯有批判性思維的教師才談得上培養批判性思維的學生”。

3.2 實踐是批判性思維培育的載體

在高中物理教學中要培養學生的批判性思維能力,行之有效的方法就是創設真實情境。區別于習題化教學的明顯特征是教學有明確的問題指向,真實情境通常是錯綜復雜的,學生的思維往往呈現多維性,從真實情境到確立研究的問題,會調用模型、抽象等多種思維要素的參與。從真實情境中提出問題是批判性思維活動的開始,要經歷質疑、反思、多角度論證等過程。

3.3 追求以學生為主體的課堂文化

批判性思維不包括自我反省、崇尚理性、勇于質疑等要素,基于批判性思維的課堂文化,應該是開放、包容的,學生是課堂教學的主體,教師要引導學生通過反思質疑,提出問題，尋找證據,綜合論證,得出結論。再次反思結論,發現新的問題……在螺旋上升中,學生的批判性思維能力得到逐漸提升。