促進科學思維發展的思維型課堂教學實踐與反思

曹紅梅 任虎虎

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

1 科學思維與思維型課堂的內涵

1.1 科學思維的內涵

科學思維是物理學科核心素養的核心內容.[1]科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構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領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創造性見解的能力與品格.[2]

1.2 思維型課堂的內涵

國內以林崇德、胡衛平為首的學者認為學生的思維活動是“思維型課堂”的核心,其中,認知沖突、自主建構、思維監控、應用遷移是思維型課堂的4個基本特征.認知沖突能激發學生學習內驅力,它是形成概念、掌握規律的內部直接動機.自主建構由認知建構與社會建構組成.認知建構認為學生的學習過程是學生積極主動建構的過程,社會建構強調人際間的互動;思維監控是指學生對自己和他人的思考過程進行總結、反思、評價,并主動控制自己的思維過程;應用遷移是指學生將自主建構中得到的知識、經驗,主動用到實際問題的解決中,在解決問題的同時,進一步加深自己對知識的理解.[3]

2 促進科學思維發展的思維型課堂教學實踐

既然科學思維是物理核心素養的核心內容,科學思維的培養必然成為物理教學的核心.教會學生怎樣去思考,促使學生形成良好的心智習慣,遠遠比教會學生思考的內容更有價值.因此,注重思維的課堂,教師注意的點一定是投放在學生思維的發展上,而不應該是自己的講述的內容上.[4]思維型課堂中,以科學思維發展為主軸,讓學生在思維發展中經歷概念的發生、發展以及應用的過程,思維品質也會同步得以提升．

下面以“全反射”概念教學為例,從思維型課堂的特征出發,論述指向科學思維發展的思維型課堂策略:以情境創設誘發認知沖突,以序列問題促進自主建構,以批判反省達成思維監控,以變式拓展驅動遷移應用.

2.1 于平靜處起驚雷 ——情境創設誘發認知沖突

教學的起點應基于學生的知識儲備,學生在學習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驗和前概念的影響,教學過程中可以從前概念出發,設置恰當的問題情境引發學生的認知沖突,促進舊概念的轉變和新概念的誕生.

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——序列問題促進自主建構

因為受前概念光的折射影響,學生普遍認為光從一種介質射入另一種介質會發生折射,就一定遵循折射定律.這里出現sinθ2′=1.34>1,問題的突破口隱藏得比較深,一些“浮云”遮住了學生的眼睛,他們自己很難找到切入點,不禁產生一種 “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,以思維碰撞促進概念的自主建構顯得尤為重要,而真實情境下的問題驅動是實現學生進行思維深度加工的有效手段. 教師貼近學生最近發展區層層設問,把學習任務合理分解,學生會不自覺地主動“入甕”.這里,筆者設置由5個問題構成的問題鏈驅動學生一步一步深化思維,撥開“浮云”.

(1) 當玻璃中的入射角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了新的物理現象.請猜想:會是什么現象呢?

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

2.2.2 科學論證破迷思

對待猜想的最好辦法就是用實驗尋找證據,然后進一步進行論證.學生利用半圓形玻璃磚進行分組探究之前,再一次設置問題鏈,維持連續思索的動力,幫助學生走出猜想的迷思.

(1) 從玻璃中以入射角30°和53°分別入射,觀察現象有什么區別?

(2) 這兩種現象的轉折變化是從何時開始的呢?請通過實驗尋找發生突變的臨界時刻?

(3) 臨界時空氣中的折射光線有什么特點?

(4) 歸納總結光從玻璃射到空氣時,全反射現象出現的條件?

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

(6) 用自己的語言概括什么是全反射?

實驗發現: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果.逐漸增大玻璃中的入射角,從量變到質變,會突然出現折射光線消失的臨界狀態.隨后把玻璃射到空氣合理外推到從光密介質射到光疏介質,對實驗現象進行歸納總結,順利得出全反射概念以及全反射產生條件,這無疑培養了學生的抽象概括能力.問題的層次決定了學生思維的層次.合理外推之后,又一次拋出問題:恰好發生全反射時,臨界角怎樣求呢?一個問題把學生引向理論推導.

在問題鏈驅動下,經過層層上升的思維加工過程,除盡繁華識真顏,最終自主建構新概念——光的全反射. 科學推理和科學論證是物理學習與研究中重要的思維方法,是科學思維的主干,教科書主要的概念、規律學習都用到了推理與論證.在變式2的認知沖突刺激下,從對兩個角同時變大的科學推理開始,走向用實驗進行科學論證,最終又回到科學推理求得臨界角.學生親身經歷了概念的“來龍”過程,理解了為什么要引入全反射概念,在自主建構中形成全反射概念,經歷了有意義的學習.

2.3 小舟撐出柳陰來——批判反省達成思維監控

思維監控需要監控什么?監控自己和他人思考的內容、思考的過程、物理概念和規律建立的過程、思維的方式以及結果;思維監控之后對以上各點進行評估和反思,從而能更深刻把控物理概念和規律的內涵和本質.思維監控有助于規約學習者的思考過程,幫助學生形成自己的思維策略.

2.3.1 思維監控引反思

全反射的概念及其條件都比較抽象,在實驗探究之后,引導學生反思全反射條件建立的過程,用流程圖進行總結概括,進一步體會從前概念獲得新概念的過程.同時,還需要把實驗中的具體介質外推到一般情況,分別為光密介質與光疏介質,并進一步簡化成具體的光路模型,畫出光路圖,給學生留下具象化的認知圖示,見圖1.反思全反射條件構建的過程,把內隱的思維過程顯性化,有助于學生以后遇到復雜實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,這是一極好的對學生進行批判性思維訓練的機會.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,引導學生反省自己的思維過程.學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,都促使學生進行思維重現,重新檢查推導過程.當發現推導過程沒有問題時,就會猜想:折射定律的運用難道有條件的嗎?

在課堂的后半程,當從實驗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,筆者及時發出3個追問.

追問1： 光從一種介質射入另一種介質,一定會發生折射嗎?

追問2： 教材對折射定律的表述嚴謹嗎?

追問3： 需要加上附加條件對折射定律進行修正嗎?

2.4 絕知此事要躬行——變式拓展驅動遷移應用

經歷概念的“來龍”,還要交代概念的“去脈”.物理概念和規律只有在真實情境下進行遷移應用,才能進一步明晰、把握物理概念的內涵和外延,才能使學生理解得更深刻,掌握得更牢固.

真實情境:光纖已經走進千家萬戶,如果要使任意角度入射的光從光導纖維的一側入射時都能在光導纖維里發生全反射,那么光導纖維的折射率需要滿足什么條件?

圖2 光導纖維截面圖

思維需要載體,需要必要的知識儲備,光導纖維對學生來講是個未知的事物,首先要分析光導纖維的結構,如圖2,畫出光導纖維的截面圖,有內芯和外套,最外面是保護層.光導纖維太細,為了便于觀察光的行進路徑,特意放大實驗現象,采用有機玻璃棒模擬光導纖維做演示實驗,當激光射入一根彎曲的有機玻璃棒的一端時,觀察有機玻璃傳輸光線的特點,發現激光在彎曲的有機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.在此基礎上,去掉情境,簡化出光導纖維的光線傳播模型來.如圖4所示.

圖3 激光在彎曲的有機玻璃棒中傳播

圖4 光導纖維中的光路圖

學生在解決實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、物理模型的構建比較困難.[5]因而,養成學生思維的程序非常關鍵.對于實際物理問題解決的思維流程,首先是從文字中構建出物理情境,其中去掉情境,簡化出光導纖維的光線傳播模型最關鍵.然后判定遵循的物理條件,轉成生成數學問題,寫出表達式進行函數運算.在解決實際問題的遷移應用中,這種思維的程序性知識,不是教師的單方面引導能直接賦予學生的,需要學生自己反思、反省、歸納、概括.需要通過思維監控來形成解決此類問題的程序,形成思維的序,見圖5.

圖5 遷移應用中思維的序

3 教學反思

認知沖突、自主建構、思維監控、遷移應用,從時間的進程來看,沒有絕對的劃分.自主建構貫穿物理課堂的始終,知識的建構從時間的維度,從難易的維度來看存在著延續性.思維監控應該是學生自覺自愿的過程,隨時用質疑、批判的眼光對待學習的全程,反思和評估自己和他人思考的內容、思考的過程、物理概念和規律建立的過程、思維的方式以及結果.因而,對每一節課來講,思維監控也要貫穿始終.在反思中建構,在建構中再反思,經歷這樣的循環過程,才是進行了有意義的學習.

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科學思維的,然后根據班級學情,以思維活動為主軸,從認知沖突、自主建構、思維監控、遷移應用各個角度創造機會,讓學生經歷思維深度加工的過程,不僅促成學生對概念規律的深度理解,還能在思維監控作用下,形成思維的程序性知識,幫助學生形成思維的序.學生在思維型課堂中經歷概念、規律發生、發展以及應用的過程,在教師引領下進行各種科學思維活動,一定會還師者以驚喜.