試論科學思維素養之模型建構要素的實質與培養

陳 剛

(華東師范大學教師教育學院,上海 200062)

科學思維素養是物理學科核心素養組成成分,科學思維素養包含:模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.關于模型建構“在物理學中,突出問題的主要因素,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并將其作為研究對象,是經常采用的一種科學研究方法”.[1]關于模型建構的教學建議:教師在教學中要讓學生體會建構這些物理模型的思維方法,理解物理模型的適用條件……,教師引導學生經歷物理概念的建構過程和物理規律的形成過程是發展科學思維的重要途徑.[2]

從以上描述,我們可以了解到模型法是一種科學研究方法,那么

問題1:構建物理模型過程中有哪些基本思維方法?

問題2:如何引導學生經歷物理概念的建構過程,從而達成培養學習者模型建構能力的目標?

從學習者角度,模型建構顯然是一個解決問題的過程.本文以問題解決相關研究對上述問題做出回答.

1 問題解決

認知心理學提出:問題解決是解決者運用認知策略從認知結構中選擇出解決問題所需必要技能的過程.[3]

因此,問題是否能得到解決,取決于:其一,問題解決者是否具備解決問題的必要技能;其二,問題解決者是否具備解決問題的策略.

認知策略是提高問題解決效率的技能,是面對待解決的問題時,引導個體思考方向以選擇出并組合解決問題所需技能的技能.[4]解決問題的原則、途徑、環節、要素、思路、方法等,都是提高解決問題效率,從認知心理學視角,它們都屬于認知策略這一類學習結果,只是解決問題的效率存在差異,有些屬于解決問題的弱方法,有些屬于解決問題的強方法.[4](因為方法、策略屬于同一類學習結果,以下不做區分.)

認知策略的操作對象是個體已習得的、存儲于內部認知結構中的知識(廣義的知識,包含陳述性知識和程序性知識),因而,認知策略是對“內”操作的技能;又因為認知策略是對解決問題所需必要技能的選擇、組合,因此,外顯可以表現為引導解決者思考方向的步驟.

如運用“慣性”概念解釋日常生活現象的方法,其一般步驟為:(1) 明確研究對象; (2) 確定研究對象原先處于的狀態;(3) 突然發生何種變化;(4) 由于存在慣性,研究對象要保持原有狀態;(5) 出現什么現象.

當學習者面對需要運用慣性概念解釋現象的問題時,上述步驟,可以引導學習者的思考方向,從認知結構中逐一選擇出解決該問題所需的技能,提高學習者解決“慣性運用類”問題的效率.

2 模型建構素養的實質

2.1 模型建構的過程

在學習中,個體如何建構物理模型呢?本文以杠桿模型的建構為例,嘗試做出解釋.

日常生活和生產中有許多運用杠桿的場合,如圖1所示.從圖1中杠桿情境到最終概括出杠桿模型,如圖2所示,即模型建構的過程.

圖1 各種杠桿

圖2 杠桿模型

追尋學習者杠桿模型建構過程,大致可能經歷如下幾個階段.

2.1.1 學習者面對杠桿的實際情境

學習者面對如圖1所示實例.

2.1.2 學習者概括杠桿基本工作特征

問題:學習者如何從如圖1所示多個實例中提取出杠桿的基本特征?

從多個實例中,概括出杠桿這類對象的共性特征,實際需要學習者形成本課例“研究對象”與“工作的基本特征”間的聯系.

(1) 解決問題的機制.

個體形成兩個因素間的因果聯系的方法是邏輯的,主要有歸納推理中的求同法、差異法、求同求異法、共變法等.

[求同法] 求同法是通過考察被研究現象出現的若干場合,確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的,如果是,那么這個共同情況與被研究的現象之間有因果聯系.其結構可以如表1所示.

表1 求同法的結構

(2) 本例確定杠桿工作特征所運用的方法.

本例中通過3個實例,概括出待研究的對象,是通過運用求同法實現的,如表2所示.

表2 求同法概括研究對象

此類,通過桿或棒類物體轉動完成任務的工具(簡單機械),即杠桿.

2.1.3 學習者明確杠桿的主要因素

問題:學習者如何確定研究對象的主要因素?

主要因素是研究對象必不可少的因素.從學習角度,同樣需要學習者形成待研究對象與相關因素間的因果關系.

(1) 解決問題的機制.

[差異法] 差異法是通過考察被研究現象出現和不出現的兩個場合,確定在這兩個場合中是否只有另外一個情況不同,如果是,那么這個不同情況與被研究現象之間有因果聯系.其結構可以如表3所示.

表3 差異法的結構

[求同求異法] 求同求異法是考察兩組事例,一組是由被研究現象出現的若干場合組成的,稱為正事例組;一組是由被研究現象不出現的若干場合組成的,稱為負事例組.如果在正事例組的各場合中只有一個共同的情況并且它在負事例組的各場合中又都不存在,那么,這個情況就是被研究現象的原因.其結構如表4所示.

表4 求同求異法的結構

(2) 本例確定杠桿的主要因素所運用的方法.

① “杠桿”與“受兩類轉動效果相反的力”有關,如表5所示.

表5 求同法概括杠桿模型的主要因素

② “杠桿”與完成任務時棒的“硬”有關.

在教學中,為了突出杠桿需要棒“硬”,提供如下實例.

實例1:用鑰匙撬盒蓋,鑰匙轉動撬起盒蓋,此時鑰匙是杠桿.

實例2:用吸管撬盒蓋(如圖3),吸管已變形,無法轉動撬起盒蓋,吸管不是杠桿.

圖3 吸管撬盒蓋

實例3:用吸管挑出杯中的檸檬片,吸管盡管有變形,仍完成將檸檬片挑(即撬)起,此種情況下吸管是杠桿.

通過以上3個實例,學習者識別出有效信息,遵循求同求異法形成“杠桿”此類簡單機械與棒在使用時的“硬”有關系,結構如表6.

表6 求同求異法概括杠桿模型的主要因素

2.1.4 學習者明確杠桿的次要因素

問題:如何確定待研究對象的次要因素?

次要因素是指在引起結果發生的諸因素中起非主導和非決定作用的因素.簡言之,次要因素與結果的發生與否不存在必然關系.

(1) 解決問題的機制.

物理概念和規律學習過程中,除了要形成物理概念間存在定性、定量的因果關系,往往還需要排除兩個因素間不存在因果聯系.

排除兩個因素間不存在因果關系,是通過以因果關系為大前提的演繹推理實現的.

因果關系歸結為:等價的原因→等價的結果.

由此,可以獲得兩種前提:

前提1:如果本質原因存在,則結果也應存在.

前提2:如果本質原因改變,則結果也應變化.

以此為前提,可有兩種排除物理量因果聯系的演繹推理方式.

推理形式1:

如果A與B有因果聯系,則A變化,B亦變化.

推理形式2:

如果A與B有關,則A不變化,B亦不變化.

(2) 本例確定排除杠桿次要因素運用的方法.

① 形狀不是杠桿的主要因素.

如圖1所示案例中,有直形棒、彎形棒,都屬杠桿.

如果A與B有因果聯系,則A變化,B亦變化.

② 材質也不是杠桿的主要因素.

因為材質不同,如吸管挑起檸檬片、鑰匙撬起盒蓋,它們都是杠桿.如同前述的演繹推理,可知材質不是杠桿必不可少的因素,即為次要因素.

2.1.5 學習者概括出杠桿模型

在分析出杠桿的主要因素、次要因素后,可忽略形狀、材質等次要因素,突出工作時桿或棒繞點轉動、受兩類轉動效果不同的力等主要因素,概括出如圖2中的杠桿模型.

2.2 模型建構的實質

模型建構本質上是學習者解決問題的過程.解決此類問題,也存在有助于提高解決者完成此項任務的策略或者說方法.結合杠桿模型建構過程,可提出物理概念和規律學習中的模型法.

物理概念和規律學習中的模型法:通常用在提出問題環節.若需抽象物理模型,其基本步驟為

(1) 從具體情境中初步確定待研究對象;

(2) 確定待研究對象以及屬性(通常用求同法等);

(3) 分析待研究屬性出現的必要條件(通常用差異法、共變法、求同法、求同求異法等);

(4) 分析待研究屬性的次要因素(通常用排除因果聯系的邏輯方法等);

(5) 突出主要因素、忽略次要因素,概括待研究的物理模型.

如果在物理課程學習中,當學習者面臨問題:如何抽象物理模型?上述步驟(1)～(5)可以幫助學習者有序地進行思考,避免低效率的盲目思考.

如果進一步追問:如何分析出待研究對象的主要因素?括號中相對具體的邏輯方法,又可以給予學習者一定思考方向,助力學習者解決這一子問題.

所以,模型建構是在不同層次方法引導下解決問題的過程.在物理課堂學習中的抽象模型,大體上可以運用上述方法加以解決.

以上為對問題1的回答.

此處模型法揭示出課堂學習中形成研究對象共性特征、概括研究對象主要因素、排除研究對象次要因素等可用的邏輯方法,相較于文獻[1]描述性的界定,可以幫助學習者更好地理解模型法用在何處以及如何運用.

3 模型建構的培養方案

如果模型建構要求學習者經歷運用模型法抽象物理模型的過程,那么實際教學中,教師就應該遵循模型法的步驟,引導學習者經歷模型化的每一子過程,并在每一子環節中引導學生識別相應結論獲得的有效信息(根據結論獲得邏輯結構),幫助學生最終抽象出物理模型.

例如杠桿模型建構的教學(如表7所示)中,學生在形成“杠桿這類對象與棒轉動中受兩種相反作用效果的力”有關時,是運用求同法實現的,所以,教學中應遵循求同法的邏輯結構以及信息呈現方式,引導學生依次識別共同結果(步驟4,確定3個實例中的杠桿)、共同條件(步驟 5～6引導學生完成受力分析,為轉動效果分析提供必要信息;步驟7引導學生識別共同條件),并引導學生形成共同結果和共同條件間的聯系(步驟8,將杠桿與受轉動效果兩類力形成因果聯系).

表7 杠桿模型建構的教學

以上教學步驟并不嚴格僵化,實際教學中,是引導學生先分析次要因素再分析主要因素,或先分析杠桿與“硬”的關系還是先分析杠桿與“受轉動效果”不同兩類力等,這都是可選擇的,但整體都應包含模型法的各子步驟,每一具體子結論的獲得應遵循結論獲得的邏輯結構.

以上是針對問題2的回答.

經過運用模型法抽象物理模型的教學,學習者能夠表現出從實際情境中有邏輯地抽象研究對象的基本屬性、能夠有序識別并有邏輯地確定研究對象存在的主要因素以及次要因素,進而忽略次要因素,突出主要因素,概括出待研究的物理對象,從而一定意義上達到培養學習者模型建構能力的目標.