基于科學思維水平進階的問題情境設計

鄧治國 董友軍

(1. 廣州市增城區中新中學,廣東 廣州 511365; 2. 廣州市教育研究院東院,廣東 廣州 510700)

科學思維是物理學科核心素養之一,主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》根據問題情境的復雜程度、知識和技能的結構化程度、思維方式或價值觀念的綜合程度等,把科學思維劃分為5級水平,其中科學思維水平2是“學考”的命題依據,科學思維水平4是“高考”的命題依據.本文基于科學思維水平進階理念來研究問題情境,以期為教師在設計與實施問題情境教學時提供思路,更好地培養學生物理學科核心素養.

1 問題情境與科學思維進階簡介

1.1 問題情境界定

問題情境是指蘊含問題的情境,主要包括真實情境、實驗情境、活動情境,其具有指向性、情境性、聯系性、交互性、預設與生成性等特點.[1]問題情境中的“問題”,旨在引起學生的認知沖突,使學生的已有知識結構不能解決這個問題,從而產生消除這種“沖突”與“不平衡”的愿望.問題情境中的“情境”,旨在讓“問題”具體化,并具有一定的復雜性和真實性.[2]

1.2 學習進階層級與科學思維水平的對應關系

根據學習進階理論,郭玉英教授團隊把進階水平劃分為5個發展層級:[3]經驗(Experience),即學生具有尚未關聯的零散事實;映射(Mapping),即學生建立事實與術語之間關系;關聯(Relation),即學生建立術語與多個事實關系;系統(System),即學生從系統角度協調變量關系;整合(Integration),即學生有學科觀念與跨學科概念.從以上5個層級看出,學生的認知發展水平是從零散到系統、從具體到抽象、從簡單到復雜的過程.

學習進階層級與科學思維水平,它們呈現的認知發展規律,都是從低級到高級、從淺層到深層,因此它們存在一一對應關系,如表1所示.以該表作為問題情境設計依據與評價標準,可以明確培養科學思維的目標與路徑,提升高中物理教學的針對性與有效性.

表1 學習進階層級與科學思維水平

2 科學思維水平進階的問題情境設計與分析

2.1 基于經驗層級的問題情境

問題情境1:很久以前,人們根據日常經驗,認為重物下落得快,輕物下落得慢.古希臘學者亞里士多德概括為“理論”:重的物體落地快,輕的物體落地慢.1589年,伽利略在比薩斜塔頂端,將一個重100 lb和一個重1 lb的鐵球同時靜止釋放,出乎所有人意料,兩個鐵球不是重的鐵球落地快,而是同時落到地上.

教師:從這則故事來看,亞里士多德和伽利略的觀點,其證據分別是什么?

學生:亞里士多德的觀點是源于日常經驗,伽利略的觀點是源于科學實驗.

分析:此問題情境設計體現科學思維中“能對常見的物理現象進行簡單分析;能區別觀點和證據”,屬于水平1.這個情境故事學生已有耳聞,問對錯,不如談觀點的證據,也就是在問題的設計上求新角度.如再問兩種觀點的背景是什么?測量的工具是什么?引導學生理解日常經驗與科學實驗的價值與意義,同時為學習物理做個理念鋪墊,即“實踐是檢驗真理的唯一標準”.

2.2 基于映射層級的問題情境

問題情境2:如圖1所示,兩只彈簧秤,A彈簧秤固定在鐵架臺上,B彈簧秤沿水平方向緩慢用力拉A.請學生觀察兩只彈簧被拉長的先后順序.

圖1 相互作用力同時產生

學生:統計結果顯示,近2/3學生認為是A彈簧先被拉長,然后B彈簧才被拉長.部分學生無法確定,少數學生認為是同時伸長.

教師:為什么A彈簧會被拉長?

學生:因為B彈簧給A拉力.

教師:你承認了B產生向右的力了,根據什么做出的判斷?

學生:因為B彈簧伸長了.

教師:B彈簧為什么會伸長?

學生:因為A彈簧也拉B了.

教師:你也承認了A彈簧有向左的力了.究竟哪一個彈簧先被拉伸?

學生:……

分析:此問題情境設計體現科學思維中“能對比較簡單的物理現象進行分析和推理,獲得結論;能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點”,屬于水平2.情境的設計緊貼學生前概念,讓學生產生思維沖突,學著用現象歸納原理.學生意識到“只有兩個彈簧之間同時產生方向相反的作用力”才能解釋實驗現象.這一討論過程收到了“以子之矛攻子之盾”的效果,是一種思維映射.

2.3基于關聯層級的問題情境

問題情境3:在“超重和失重”的教學過程中,用圖2所示的器材(粗糙的橫桿上擱放兩塊異名極相對的環形磁鐵)進行演示實驗,可以加深對所學知識的理解.

圖2 橫桿上擱放兩塊異名極相對的環形磁鐵

教師:由靜止釋放橫桿,會觀察到什么現象?

學生:磁鐵對橫桿的壓力減小,因此磁力大于靜摩擦力,兩磁鐵因為相互吸引而互相靠近.

教師演示實驗,驗證了學生猜想.然后要求學生對磁鐵進行受力分析.通過受力分析,學生知道磁鐵在下落的過程中處于失重狀態.

教師:若整體豎直向上拋出,磁鐵會靠近嗎?

學生:磁鐵不會靠攏.

教師讓磁鐵豎直向上拋出,仍見磁鐵吸攏.學生大感意外,教師順勢啟發學生分析并解釋所見的“反常”現象.

分析:此問題情境設計體現科學思維中“能對常見的物理現象進行分析和推理,獲得結論并作出解釋;能對已有觀點質疑,從不同角度思考物理問題”,屬于水平3.此過程呈現的設計方法是“預測—實驗—解釋”,相對于“實驗—解釋”而言更抓學生的心.讓學生在不同的過程中分析物理現象,進一步明確概念的定義.學生的沒想到往往埋伏著一個深刻的記憶點與開闊思維的機會,分析物體加速與減速過程變成了應用,過程一波三折思維反復激蕩,最終能對已有觀點質疑,從不同角度思考物理問題.

2.4 基于系統層級的問題情境

圖3 密立根油滴實驗

本情境以2022年高考物理廣東卷第14題為藍本,設計(1) 比例系數k;(2) 油滴A、B的帶電荷量和電性;B上升距離h電勢能的變化量;(3) 新油滴勻速運動速度的大小和方向3個問題.

解答問題的本質上是對勻速直線運動模型的反復確認.第(1)問是兩個油滴均做勻速直線運動,模型顯性,通過模型特點計算受力情況.第(2)問是加進電場后,油滴B因為受電場力而不平衡,后來又反方向勻速運動,進而可以用新的勻速模型來分析受力.第(3)問是油滴A和油滴B碰撞合并成新油滴AB,合并后從失衡到平衡,最終在兩極板間勻速直線運動.對新油滴AB構建勻速模型,需要判斷系統是否滿足受力平衡的條件,如圖4所示.若F電>2mg時,新油滴向上運動,空氣阻力向下,如圖4(a)所示,對新油滴AB由平衡條件F電=2mg+f可求得運動速度大小;若F電<2mg時,新油滴向下運動,空氣阻力向上,如圖4(b)所示,對新油滴AB由平衡條件F電+f=2mg可求得運動速度大小.

圖4 油滴受力

分析:此問題情境設計體現科學思維中“能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型;能對綜合性物理問題進行分析和推理,獲得結論并作出解釋”,屬于水平4.情境考查隱性模型,也就是不能從現象中直接得出結論,要根據信息分析,抓住主要問題,忽略次要因素,必要時要轉化視角,通過運動分析、受力分析等將隱性的復雜問題向顯性轉化.教學的重點是模型形成過程的分析,只有掌握建模的一般方法與思維才能在陌生的情境中敏感地發現建模的要素與條件.

2.5 基于整合層級的問題情境

問題情境5:請看圖片5,這是國慶節筆者的一位朋友高速路上車禍照片.本來是快快樂樂去旅游,卻遇到令人沮喪的交通事故,所以他拍了個照片發到了朋友圈.

圖5 車禍照片

問題1:假如你是警察來辦案,能找出汽車追尾的原因嗎?通過觀察現場現象,提取相關物理信息,填寫表2.

表2

問題2:要判定兩車是否有違反限速行為,需要提取哪些證據?

師生建構模型:經詢問確定,前車司機在超車道上勻速行駛時,當看到前方因修路需改道右側,但發現右側車流較大不能換道,立即采取全力剎車,車剛停下來時被后車追尾,警察測量得到前車剎車痕跡長度s1=52 m(該路段超車道限速120 km/h).

師生建構模型:根據輪胎花紋與路面情況,查資料確定剎車過程的加速度約為a=6 m/s2.

生:將汽車剎車過程理想化為勻減速直線運動,由v12-v02=2as1,解得v1=25 m/s=90 km/h,則判斷前車未超速行駛.

師生建構模型:后車在看到前車剎車尾燈亮后,立即采取全力剎車,警察測量得到后車的剎車痕跡長度s2=100 m,根據兩車損壞程度及后車司機的回憶,警察確認后車以v2=36 km/h撞上前車.

師:能計算后車剎車前的速度嗎?

生:由v32-v22=2as2,解得v3=36 m/s=130 km/h,則后車超速行駛.

問題3:交警進一步判斷,后車是否未按要求保持安全距離?要判定兩車的距離,需要進一步獲得什么證據?

師生建構模型:經詢問,前車司機為了早點回到家,已經連續駕駛5 h,后車司機駕駛時長約0.5 h,警察現場做了反應測試并調取行車數據確認兩司機供述真實可信.一般健康成年人反應時間與連續駕駛時長關系如圖6所示,則前車剎車瞬間,兩車的距離為多少?

圖6 成年人反應時間

生:根據“反應時間-連續駕駛時長”關系坐標圖,我們知道前車司機的反應時間約為2.7 s,后車司機的反應時間約為0.5 s.

前車發現狀況到踩剎車的時間間隔較長,從這一點來看對這起事故是有責任的.但計算兩車距離應該從前車剎車燈亮,后車看到燈亮準備剎車開始計算.兩車距離應該加上反應時間內后車勻速行駛的距離,有s3=v3t3=18 m.則兩車的距離為s=s2+s3=118 m.

從這一部分的教學過程來看,延續拓展了情境背后的知識,“知其然,還能知其所以然”.如一個公式適用的條件,“全力剎車”可以看成摩擦力不變,符合勻變速運動模型的條件;一個公式計算需要哪些物理量,此過程中可以測量剎車距離,可以查閱獲取加速度的大約數值與反應時間的坐標圖,從而發現反應時間內汽車是勻速直線運動模型.

問題4:如果前車司機沒有疲勞駕駛(公安交通管理部門依據《道路交通安全法實施條例》第六十二條第七款之規定:駕駛機動車不得有連續駕駛機動車超過4 h未停車休息或者停車休息時間少于20 min的行為,對違反法律規定的,公安交管部門可依法處罰),通過計算判斷追尾事故能否避免?

生:通過“反應時間-連續駕駛時長”分析,若前車沒有疲勞駕駛,則可以提前2.2 s剎車示意后車,并在這2.2 s里向前行駛s4=v1t4=55 m.也就是兩車最大的距離可以為s總=s+s4=173 m.則根據v32-v42=2as總.計算碰撞前后車的碰撞速度v4為負,即在碰撞前已經停下來,故能避免追尾.

生:此過程還有其他解法,先算出后車剎車后停下來行駛的距離為s4=108 m

通過物理過程的分析,我們發現只要按照規定正確駕駛可以避免一場交通事故.通過客觀的數據了解到超速、疲勞駕駛的危害性和保持安全距離的必要性.從這次追尾事故中我們還能學到什么呢?

師生:從這個事故中,我們能感到疲勞駕駛與超速駕駛都有自己可以理解的原因,例如前車趕著回家而長時間開車,車前方突發意外事件沒有提前觀察到;后車在超車道上超速行駛,對前車保持的距離也不是足夠的.生活中,我們也會遇到類似的事情,由于趕時間而闖紅燈,由于急著趕路而沒看清路上的環境……,這些都是欲速而不達的表現,但歸根究底就是不按交通規則開車,缺乏理性的邏輯思考.

分析:此問題情境設計體現科學思維中“能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型;能在新的情境中對綜合性物理問題進行分析和推理,獲得正確結論并作出解釋;能考慮證據的可靠性,合理使用證據;能從多個視角審視檢驗結論,解決物理問題具有一定的新穎性”,屬于水平5.這節課緊緊圍繞生活情境“運動與力”的主題復習,學生要在不同狀態下受力分析、多次建模、考慮現實因素等等,在應用中形成知識結構體驗,問題步步遞進直指各個思維層級.另一方面是站在第三方(警察)的角度反復挖掘情境背后的知識,處理題外的信息(成年人反應時間、剎車時的加速度),不斷覺知規律形成的條件與應用技巧,感受物理服務生活.在面對復雜陌生的情境時,學生會沿著學科特定角度去科學地分析解釋,能符合邏輯地進行推理判斷,能提出解決問題的有效策略,也就是學生具有了科學的程序性經驗和圖式,而程序性經驗和圖式就是思維路徑.[4]

3 用問題情境培養學生科學思維的教學建議

3.1情境要形象具體

高中生依然處于從形象思維到抽象思維養成的過渡時期,遇到真實問題會存在閱讀理解的障礙,加上物理概念、規律本身比較抽象.杜威認為,思維不是自然發生的,思維的過程是由問題、困惑等引發、維持和驅動的.所以教師要觀察學生的心理發展變化,選取學生感興趣、容易理解、與舊的認知相關的問題情境進行教學.從熟悉的真實的生活、生產等場景中尋找適合的情境素材,用指向明確的問題觸及學生的迷思處,反映出學生思維上的問題,教師針對問題引導,以達到學生思維方式的優化.

3.2 問題要循序漸進

郭玉英教授團隊把學習進階水平劃分為5個發展層級.布魯姆依據思維的復雜程度,從認知目標分類角度將思維過程分為記憶、理解、應用、分析、綜合和評價6個層次.教師要以知識的動態生成為線索,以思維為中心,全方位、多角度訓練學生的思維,循序漸進引領學生從感性到理性認識事物,引導學生在實驗物理、理論物理的探尋過程中應用物理,從記憶到理解、從理解到應用、從應用到分析、從分析到綜合、從綜合到評價.

3.3 教學要以學生為主體

學生是教學主體,教師是教學主導,教師的一切教學行為,都是為了促進學生的學.教育心理學家奧蘇貝爾說過,影響學習的唯一最重要因素,就是學生已經知道了什么,教師應據此進行教學.[5]因此教師要真正換位思考,把自己當成學生,而不是把學生當成自己.在情境中解決問題,學生要經歷好奇、疑問、探索、解答的過程,而這個過程就是學生運用科學思維方法的過程;教師則需要圍繞教學目標在學生體驗與展示的基礎上適時地點撥分析,圍繞思維水平的進階挖掘情境的科學思維要素,拓展問題情境的內容以開闊學生認知的邊界.

4 結束語

教育的一個重要目的是要教會學生如何正確地去思考問題,培養學生的思維能力.科學思維能力的培養有助于學生建構個人的思維體系,形成一套解決問題的方法和策略.在面對復雜的科學問題時能有效地提取關鍵信息,對不同的觀點能質疑和提出創造性的見解.利用問題情境展開教學能提升學生的科學思維水平.