基于批判性思維的物理學科素養培養的教學實踐

肖建華

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 太倉 215411)

1 緣起:“仁川宣言”引發的思考

隨著大數據時代的到來,許多國家的教育已經把目光轉向了人,轉向了提升人的批判性思維和創造性能力．縱觀世界各國應對未來教育的綱領性文件,幾乎毫無例外地提到了“批判性思維”．2015年5月,聯合國教科文組織在韓國召開的“世界教育論壇”,發表了《2030年教育:邁向全納、公平、有質量的教育和全民終身學習》,即“仁川宣言”．這個宣言明確提出,未來的教育要確保全納、公平、有質量的教育,增進全民終身學習機會;確保所有人打下扎實的知識基礎,發展創造性及批判性思維和協作能力,培養好奇心、勇氣及毅力．可見,“批判性思維”作為人的重要素養之一已經成為一種共識．那么,什么是批判性思維,在教學實踐中應如何將批判性思維聚焦于高中物理學科素養?這是一個值得廣大教育工作者深思的問題．

2 思索:以“知情、探析、求真”融于批判性思維的內涵

2.1 批判性思維的涵義與特點

到目前為止,批判性思維的定義仍在不斷更新．美國學者摩爾和帕克對它的定義為:批判性思維指人對接受或拒絕任何事物、或對某種說法存疑的謹慎的、深思熟慮的決定,以及接受或拒絕某事物時的自信程度．[1]其核心在于經過獨立思考,對知識審慎的分析、評價,從而得出自己的認知,能夠自我反省;反對盲從、反對不加思考即對知識進行囫圇吞棗,要具有質疑精神．批判性思維的內涵是個體運用歸納推理、演繹推理的方法對問題進行效度化思考,是高級的思維素養,是科學精神的集中體現．[2]需要個體對整體各部分進行系統思維, 有效分析、評估、比較各種證據和觀點,在審慎解析和分析的基礎上得出相關結論．

2.2 基于學科特點的批判性思維的培養策略

批判性思維,即批判質疑,要求學生具有問題意識;能深度思考、綜合判斷;思維縝密、辯證分析;對于實際問題做出選擇和決定．作為核心素養的關鍵詞之一,批判質疑直指當前教育改革的難點和痛點．

在科學性特點顯著的高中物理教學中,知情、探析、求真3個維度能較為有效地滲透批判性思維的培養．精確認知物理學科的文化基礎知識,謂之“知情”;以實驗為基礎、數據等為論據進行探究分析、推理構建,謂之“探析”;以需要解決的實際問題為背景,進行問題本質的探索求真,謂之“求真”．文獻查閱、實驗驗證、數據分析、理論探究、概念構建、專題討論等,是開展教學實踐的主要手段．

3 探尋:以批判性思維探微學科素養培養的教學實踐

批判性思維最大的特點就是質疑與反思,把知識的表象和本質區分開來．批判性思維首先是一種認知活動,運用多種思維技巧和方法進行質疑、分析和評價的認知活動,只有反思性的思維活動才是批判性思維．反思性的思維就是要在質疑的基礎上進行,其認知活動過程如圖1所示.

圖1

因此,以批判性思維培養學科素養的教學過程,就是要在充分進行質疑的基礎上提出問題,進而細致地對問題進行分析并最終解決問題．

3.1 以批判性思維的養成培養知情的決策者

知情,即能正確理解物理現象的本質及物理概念、規律的內涵．物理學科中,通過對能引起認知沖突的問題的分析及深度解讀,在物理觀念的形成過程中,落實核心素養．

例1.在研究地球的公轉時,地球能看作質點嗎?

觀點1:不能看作質點．因為質點是指可以忽略大小體積形狀、只有質量的物體,地球體積很大,不能忽略,因此不可以看作質點．

觀點2:可以看作質點．因為在研究地球公轉時,雖然地球很大,但其體積形狀對研究問題的影響可以忽略不計,因此可以看作質點．

教學反思:在研究某些實際問題時,為了使實際問題簡化,我們往往會抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,盡可能把復雜問題簡單化.這是物理學上經常用到的一種研究問題的方法——科學抽象．質點,是高中生接觸到的第一個理想化的物理模型．模型建立的過程,滲透著科學思想方法的形成．我們發現,在研究某些運動問題時,我們往往可以忽略物體的體積和形狀,而把物體簡化為一個有質量的點,我們把這樣的點叫做質點．質點就是抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的理想化模型．因此,物體能否看成質點,關鍵要看所研究問題的性質,當物體的大小和形狀對所研究問題的影響可以忽略不計時,可視物體為質點．注意: (1) 不能簡單地認為很小的物體就可以看作質點,很大的物體就不能看作質點．如上例中研究地球繞太陽的公轉,地球就可以看成質點．(2) 同一個物體在有些情況下可以看作質點,而在另一些情況下又不能看作質點．如:一列火車從北京開往上海、在研究運動時間或運行速度時,就可以把它看作質點;若計算它通過某座大橋所需時間時,則必須考慮火車的長度,就不可把它看作質點;若要研究車輪的轉速,也不能把火車看作質點．因此對質點這一概念的批判性認知上,更傾向于具體問題具體分析．

教學反思:加速度是貫穿整個高中物理教學的最基本和最重要的概念,也是教學的難點．由于加速度是描述速度這一矢量變化快慢的物理量,具有一定的抽象性,何況在學生的生活經驗中沒有與加速度相關的知識．因此,在教學中可以通過實例組織學生思考討論幾個問題: ①“速度大”、“速度變化大”和“速度變化得快”所描述的運動是不一樣的; ② 做變速運動的物體有的速度變化快,有的速度變化慢; ③ 研究物體速度變化的快慢是有意義的;④ 需要引入一個物理量來描述速度變化的快慢．這樣,學生對為什么要研究這個問題從而引入比值法來定義加速度(包括問題是怎樣提出來的);怎樣進行研究(包括有哪些主要的物理現象、事實,運用了什么手段和方法等);通過研究得到怎樣的結論(包括加速度是怎樣定義的,數學表達式怎樣);加速度的物理意義是什么(包括反映了怎樣的本質屬性,適用的條件和范圍是什么);加速度這個物理量有什么重要的應用等,都有了清晰的認識．像這樣在建立物理量的時候,交代物理思想和方法,搞清概念表達的屬性,從量度公式中理解它們的物理過程與物理符號的真實內容,不因數學符號的形式化而忽視物理量的豐富內容,為以后運用比值法定義物理量打下了良好的基礎．

3.2 以批判性思維的運作,培養探究與分析的思考者

探析即通過實驗探究或理論分析得出相關結論,并能解決問題．在物理學科教學過程中,以實驗為載體,自主發現問題,質疑反思,輔助以論證推理和理論分析,以此解決問題．從而在“自主發展”維度方面論證推理、實驗探究,培養科學素養．

例3.“電源內阻”的教學時,先用1節干電池給小燈泡供電,小燈泡發光了．再串聯1節舊的干電池(電源電動勢大約1.2 V,內阻比較大)給小燈泡供電,猜想小燈泡的亮暗變化情況．

學生們幾乎是異口同聲:“會變亮”．真的會變亮嗎?事實是變暗了!怎么回事?

教學反思:電源內阻是一個非常抽象的概念,學生理解起來比較困難,因為學生缺少經驗和體驗,而且初中階段對“電源電壓是恒定的”已經深入人心了．為了消除學生對“電源電壓保持恒定”這個錯誤觀念的認識,筆者設計了上例中的實驗．面對出乎意料的實驗現象,學生已經完全不能用已有的知識和經驗來解釋,就會對“電源電壓保持恒定”產生懷疑和反思,同時暴露出原有認知的缺陷和不足,急需對原有的認知結構進行調整和完善,這樣就極大激發了學生“追根溯源”的內驅力,有效培養了學生質疑反思的批判性思維能力．此情此景下,再引導學生深入分析燈泡變暗的原因,對電源內阻的理解就變得容易多了．

例4.在“研究影響平行板電容器電容大小的因素”的實驗中,靜電計測的是極板間的電勢差還是極板所帶的電荷量?

很多學生都認為靜電計測的是極板所帶的電荷量．理由是:① 驗電器測的就是電荷量,靜電計和驗電器結構幾乎相同;② 極板間的電勢差即電壓應該由電壓表測量．

教學反思:為了解決學生中的一些似是而非的觀念,就必須引導學生弄清楚幾個關鍵問題．① 靜電計是由驗電器改裝而來的,本身其實就是一個電容器,金屬球(含金屬桿、指針)相當于電容器的一個電極,金屬外殼也相當于一個電極,它們之間是絕緣的．其電容的大小由金屬殼的幾何尺寸的大小和金屬桿及指針的長短、位置所決定．指針的張角變化對靜電計的電容的影響很小,故在指針轉動過程中可近似認為靜電計的電容值不變．② 本實驗中,將平行板電容器與靜電計并接,平行板電容器的電容遠大于靜電計的電容,從平行板電容器上遷移到靜電計上的電荷量極小,可以近似認為平行板電容器電量不變．③ 電壓表工作必須有電流通過,而靜電計指針的張角取決于其電荷量q,據q=CU,可以認為靜電計電容不隨張角而改變,那么,其電荷量與電勢差成正比,又由于靜電平衡時靜電計兩極板上的電勢差與平行板電容器相等,因此靜電計指針的張角取決于平行板電容器兩極板上的電勢差．當靜電計指針張角變大時,說明平行板電容器的電勢差變大,反之則變小．這樣就實現了用靜電計定性測量電勢差的功能．

3.3 以批判性思維的實踐,培養求真的探索者

物理的“求真”,是指追求與探求真實的、與物理客觀事實相符的思維與活動,它是科學素養的重要組成部分．物理作為與社會生產生活聯系最為緊密的學科之一,在教學中用科學的方法激發學生的求真意識,培養學生的求真精神,普及基本的科學素養,培養敢于求真、勇于創新的探索能力,這份責任義不容辭．

例5.要認識原子核內部的情況,必須把核“打開”進行“觀察”．然而,原子核被強大的核力約束,只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊,才能把它“打開”．那么怎樣才能獲得高能粒子?

觀點1:利用電場加速,設計如圖2所示．

自我質疑:要獲得高能粒子,就必須盡量提高加速電壓,但實際能達到的電壓值總是有限的,用單級電場加速粒子,獲得的能量不夠大,只能達到幾十萬eV至幾MeV．如何突破電壓限制,使帶電粒子獲得更大的能量?

圖2 一級加速電場

觀點2:多級電場加速,如圖3所示,這樣每個電場的電壓不必很高,就可使粒子獲得足夠大的能量．

自我質疑:按圖3所示的方案,真能實現多級加速嗎?

觀點3:這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子.從圖3可以看出,在相鄰兩級加速電場的中間,還夾著一個反向電場,當帶電粒子通過它們時,將會受到阻礙作用．如何消除減速電場的影響?

觀點4:可以采用靜電屏蔽．用金屬圓筒代替原來的極板．這樣,既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場,又使得圓筒內部的場強為0,從而消除了減速電場的不利影響．如圖4所示．

圖4 多級加速電場(毛胚2)

觀點5:為了簡化裝置,我們可用一個公用電源來提供各級的加速電壓,如圖5所示．

圖5 完善后的多級加速電場

自我質疑:如果我們要加速一帶正電的粒子,若電源的極性保持恒定(始終為A正B負),你認為這個粒子能夠“一路順風”,不斷加速嗎?

觀點6:不能．為了實現帶電粒子的多級加速,應該采用交變電源,使粒子進入每一級都能繼續加速．并且電源極性的變化還必須與粒子的運動配合默契,步調一致,即要滿足同步條件．這就是直線加速器的設計方案及原理．

自我質疑:直線加速器固然有其優點,但它的設備一字兒排開,往往顯得拖沓冗長．能否尋找一種既可使帶電粒子實現多級加速,又不必增加設備長度的方法?

觀點7:利用帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的特點,可使它重返電場,再次加速．

于是,回旋加速器的設計就在學生的自我質疑、自我反思、自主探索中完成了．

教學反思:疑問是思維的源頭,問題是探索的中心．教學中,把教材內容有機地劃分成若干個探究階段,讓學生自我發現問題、嘗試性地提出解決問題的方案,自我評價,自我質疑,自我改進．在整個過程中,思路由學生講,優劣由學生辨,解決問題方案由學生提,既有學生的積極參與、拾級攀登,又有教師的點撥引導、及時調控.通過師生雙邊的信息交流,不斷地將教學活動引向深入,使學生在獲取新知的同時,還親身領悟到科學研究的思想方法,進一步培養了他們的科學素養．

4 結束語

學科素養在學科教學中的實踐是一個逐步發展逐步成熟的過程,需要多層次、多維度地探索才能落實．在物理學科教學中,課前多論證教學設計,增強理性思維;課堂上多傾聽學生的觀點,獲得值得質疑反思的問題案例;課后多反思自己的教學過程,提升能力．特別需要關注創設能引發深度思考的課堂問題情境,以“知情”的狀態、“求真”的態度、“探析”的方法,最終實現學生的批判性思維、創新精神和實踐能力的培養目標,以及教師教育教學水平和質量的全面提高．