物理教學思想的價值取向下提升學生動手操作能力的困境與路徑

李海權,崔海波

(玉林師范學院,廣西玉林,537000)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》(以下簡稱課程標準)明確指出,物理學引領著人類對自然奧秘的探索,深化著人類對自然界的認識,通過科學觀察、實驗探究、推理計算等形成系統的研究方法和理論體系,引導學生經歷科學探究過程,學習科學研究方法,養成科學思維。[1]科學探究是培養學生科學思維的有效途徑,也是學生認識物理、認識自然、認識未知世界的重要形式。科學探究離不開主體的動手操作,動手操作貫穿科學探究的始終。因為動手操作能力很大程度上影響了科學探究能力,所以培養學生的動手操作能力尤為重要。本文以初中物理為例,分析學生動手操作能力的不足之處,探究提升學生動手操作能力的路徑。

一、物理教學思想的價值取向

在課程標準的指導下,結合學生的心理認知規律和教師教授的有效性,物理教學思想呈現出整體性、時代性、連續性、情境性和探究性等價值取向。

(一)整體性

整體性是指與物理教學密不可分的各種關系的總和,主要是物理教學與課程標準和學生身心發展水平之間的關系。課程標準是物理教材編寫的總體性要求,是物理教學的指導性文件。課程標準引導教師教什么,如何教。與此同時,教學是復雜的過程,課程標準給出了具體方向,但在具體教學中,學生的認知能力、教師的教育教學水平都會影響教學效果。例如,人教版初中物理(2012版)(下同)的第一章內容是機械運動。“機械運動”是對小學數學中的物理入門內容“路程與速度”內容的銜接、課程標準的要求和學生身心發展水平而設定,故不是內容更為抽象的“電流和電路”。電流和電路等抽象內容應在學生的知識積累較為充分、身心發展較為成熟時以具體形象的教學方式講授。在學生的不同階段講授不同的內容并不是隨便設定的,而是受整體性制約。換言之,物理教學中的每一個細節都應從整體性出發,在物理教學和課程標準、學生身心發展水平中找到一種動態平衡,有效地提升物理教學的系統效能。

(二)時代性

時代性是指物理教學應緊跟時代的發展,基于經典知識與時代熱點的結合,及時將物理理論應用于生活、科技和社會中,并在社會進程中不斷完善相關理論。時代性要求課程標準教學內容和教學方法的更新。例如,教材第十章“生活用電”、第二十一章“信息的傳遞”、第二十二章“能源與可持續發展”分別從生活、科技、社會角度體現了物理知識是跟隨時代的更新發展的。從當前的政策標準及研究來看,課程標準更注重過程性、探究性的學習,還關注新能源、新生活、新科技的進展。教學方法更注重可視化與虛擬化的融合。例如,近幾年開展的空中課堂無疑是對物理教學可視化和虛擬化的最好呈現。這些都折射出了強烈的時代感。

(三)連續性

連續性是指物理理論在小學、中學和大學的各學段上的連續,在學生的學與教師的教之間的連續。具體表現為物理文化的連續、教學內容的連續、學生認知過程的連續和教師教學方法的連續。換言之,連續性是引導教學應該先教什么、再教什么,先用什么方法教、再用什么方法教等順序關系的操作過程。此外,知識邏輯關系和主客體關系的連續是同時發生的。例如,教師在教授第二十章“電與磁”內容時,更應注重學生的做中學和學中做的主體性;教材僅是教師最重要的材料客體,而不是教學的唯一參考;學生也需在實踐中意識到自己學習的主體性,修正主客體關系和知識邏輯關系,將各種關系寓于具體的實踐中。

(四)情境性

物理教學離不開具體環境,環境主要包括自然環境和人為環境。自然環境具有被選擇性,教師需要選擇最適合物理教學的環境。人為環境具有客觀性和主觀性,客觀上課程標準規定了人為環境的內容;主觀上教師的選擇決定了人為環境的呈現方式和組織結構。例如,在第五章第5節“光的色散”中以彩虹為主題,教師在教授光的色散時可以選擇真實的彩虹作為現實性情境(需要彩虹的天氣實況方可授課),也可以利用“三棱鏡或水+平面鏡”模擬彩虹作為遷移性情境,還可以基于多媒體技術呈現彩虹作為虛擬性環境。此外,如果學生對光的色散較為熟悉(例如是一節光的色散復習課),教師在講授該內容時可以采用口頭描述的方式,勾起學生記憶中的彩虹,則該情境可稱為想象性情境。

(五)探究性

探究即探索研究,探究原因。探究是對事情的原因、真相和問題的進一步探索追究,以期揭示因果關系。[2]基于物理教學特征,探究性可理解為在物理教學中探索物理現象與本質關系的邏輯推理過程。該邏輯思維過程包含以下五個步驟:感受到困難—困難的定位和定義—想到可能的答案或解決辦法—對聯想進行推理—通過進一步觀察和實驗肯定或否定自己的結論,即樹立信念或放棄信念。[3]例如,在串聯、并聯的電路教學中,教師可以引入現實中的電路情境,對電路設計的困難進行具體描述,引導學生動手操作實驗(給學生提供電阻、小燈泡和電池等實驗素材),讓學生合理且自由地猜想、推理,并得出相應結論。探究是一個需要嘗試、需要充足時間、需要不斷驗證的過程,客觀存在越是超出個體感知的范圍,該問題則越值得探究,例如力、電和磁。看見的客體可以探究,看不見的客體更會引發個體的探究興趣,從而培養學生的探究能力。

二、困境

(一)教學停留于理論層面,學生動手操作機會少

教學目標已由三維目標轉向核心素養培養,物理知識已不是物理教學內容的唯一重點,培養學生的核心素養成為物理教學的重要責任。目前在一些物理教學實踐中,物理教學仍以理論知識為重點,操作實驗仍相對較少,物理實驗設備的短缺導致學生無法按照課程標準要求做實驗。例如,第二十一章“信息的傳遞”第1節“現代順風耳——電話”,在講授電話結構示意圖時,老式電話是必備的教學工具,但許多學校并不一定有充足的教學資源儲備。在教學中,教師往往只是以演示的方式代替學生做實驗,這意味著學生有機會看實驗,卻無法做實驗。有教師甚至認為該原理簡單無須做任何演示,學生直接看課本即可。只看實驗或無法接觸實驗皆剝奪了學生實踐操作的機會,即學校的硬件設備儲備和教師的教育教學理念制約了學生動手操作能力的培養。

(二)評價方式以考試為主,學生動手操作意識不強

目前教學質量的評價仍多以考試成績為主要參考,因而學生參與教學的行為也多與考試有關。雖然部分學生不愿參與與考試無關或沒有直接聯系的教學活動,但是教師需要意識到,學生的動手操作對物理理論知識的認知和內化是有益的。例如,第十九章“生活用電”,是最容易被教師和學生忽略的內容。教師和學生皆認為沒有機會觀察家庭電路等現場案例,在教授與學習這部分內容時,往往僅是“看書—做題”模式,忽略了將理論知識應用到現實生活中。教師未起到積極引導作用,學生也沒有動手操作的機會,導致學生的動手操作意識欠缺。

(三)偏向穩定性探究,忽視流動性探究

穩定性探究是探究已有的科學知識,是沿著事先的假設進行探究,不會超出假設。穩定性探究的功能主要在于驗證已有的物理科學知識。[4]穩定性探究是在原有的假設和研究方式上進行探究,主要是獲得知識而非創造知識。流動性探究則是突破原有的假設和研究方式,以批判性思維思考、發現新知識。在物理教學中,固然要重視穩定性探究以傳授學生物理知識,但在素養教育的當下,流動性探究也應回歸教育實踐中。在傳授知識時,教師同樣應培養學生的思辨能力和批判性思維,思考現象發生的原因和可能出現的結果。教學改革應融合穩定性探究和流動性探究,進一步培養學生的核心素養。

三、路徑

學生動手操作能力的提升應立足于教學整體規劃,其內部結構主要是由時空邏輯和實踐邏輯構成的整體(圖1)。時空邏輯和實踐邏輯不應有不可逾越的鴻溝,而應互相滲透。時代性和情境性是教學思想時空邏輯的映射,記錄了教學思想的演變軌跡。情境性并非單獨存在,而是寓于時代性之中。連續性和探究性是實踐邏輯的內在要求,在時代性和情境性之間相互作用,通過不斷地提供指導和接收反饋得以實現。此外,探究性以連續性為基礎并不斷地實現知識、能力和素質的拓展。

圖1 教學整體規劃

物理教學思想的價值取向在初中物理教科書中分布廣泛。基于課程標準和物理教學實踐,本文統計了對教學有重大影響的物理教學思想的價值取向,具體如表1所示。整體性主要從教學內容重點、難點的協調性方面進行統計。時代性主要從當代社會、生活、科技等方面進行統計。連續性主要從新舊知識銜接的相關度進行統計。情境性主要從師生的日常生活方面進行統計。探究性主要從教科書中“想想議議”和“動手動腦學物理”板塊設計進行統計。由表1可知,教學思想價值取向在物理教學中的分布不均勻。不同的類型有著不同的教學樣態,學生動手操作方式也呈現多樣化,主要有三種形態:時代性和情境性融合型、探究性主導型、整體性和連續性跨學科反思型。

表1 初中物理教學思想的分布

(一)時代性和情境性融合型

時代性在宏觀上反映了物理教學內容,情境性在微觀上反映了物理實驗,尤其是學生動手操作的環境。物理實驗反映了科技進步的軌跡,也記錄著學生探索物理世界的過程。時代性制約了情境性的呈現形式,情境性從不同側面反映了時代性的各種樣態。人的活動記錄了歷史時代,物理教科書則記錄了某一時期的人類活動。學生動手操作即以不同的形式復現人類歷史活動而非簡單的重復,是孕育著學生發現未知世界的新路徑。時代性和情境性的融合既體現了歷史的訴求,也體現了學習者的主觀能動性,有助于將物理教學融入生活和工作,真正實現學中做和做中學。

時代性和情境性的融合廣泛存在于物理教學中。例如,第十二章“簡單機械”以提高學生的動手操作能力為導向,基于時代性和情境性的物理教學可以這樣展開。首先,定位經典文化。該章主題為“簡單機械”,其基本元素是桿、輪和鏈條。這些元素在人類活動和當代科技中普遍存在,為學生的動手操作提供了天然的前提條件。例如,古代在建造宮殿時利用木棒搬動巨大的石材、現代的筷子夾菜、剪刀剪紙和設計賽艇船槳等都體現了杠桿原理。再如,水龍頭、門鎖、方向盤和自行車都體現了輪和軸鏈的作用。其次,尋找時代契合點。簡單的桿、輪和鏈條作為機械的組成部分,寓于復雜的工程之中,特別是科學、技術、工程和數學高度融合的當代。例如,簡單機械普遍運用于太空工程中。問天機械臂長度只有約5米,有7個自由度,但承載能力為3000千克。問天機械臂能真實模擬人手臂的靈活轉動,通過旋轉結構,在前后左右的任何角度和部位都能抓取物體,并且可以在問天實驗艙表面爬行。[5]最后,創設多樣化情境。第一,教師可以播放現場直播視頻,帶領學生實時觀看問天機械臂的運作過程,并講解問天機械臂的結構和功能。第二,根據問天機械臂的結構,教師可以提示學生動手模擬制作7個自由度的機械臂,動手操作機械臂,并測試、評價其功能。第三,學生可以觀察科技館中的機械臂模型,與教科書中的理論“對話”,培養學生從理論中來,到實踐中去,再回歸理論中的科學素養,將虛擬性情境、遷移性情境、現場性情境多樣化的組合應用于物理教學中,提高教學情境的豐富度。

(二)探究性主導型

探究是一種人的活動,人的想法在一定程度上影響著做法。思想在物理教學中的啟迪作用較為重要。為激發學生的探究欲望,物理實驗應是在特殊環境中開展的、具有挑戰性的實踐活動。思維過程和探究方式是重要因素,思維過程應包括“感受困難—困難的定位與定義—可能的答案或解決方法—聯想與推理—樹立或放棄信念”環節,探究方式應包括“分析時代發展與創設情境—厘清核心概念發展史—獨立猜想、小組合作、咨詢專家—回憶經歷、現場體驗、設計實驗—評價與反思”等環節。以上各環節都應在具體的實踐中自主踐行,尊重理論與實踐的統一。

無論是教師的教還是學生的學都離不開探究。探究是多樣化的,但也是有共性的。以初中物理第二十章第5節的探究過程為例,具體分析探究的程序,如表2所示。

表2 探究的程序與操作

物理教學基于思維過程的五個環節實施,探究方式相對靈活,具有可選擇性。在第一環節中,教師可以結合社會可持續發展的理念,基于綠色環保,提出當前時代的訴求,或提出應對舊能源枯竭的新能源戰略,從歷史發展的視角引導學生思考能源是否可以被替代,從生活情境引導學生想象:電如何改變了人類生活方式?在情境中提出困難:電是如何產生的?在科學領域是如何思考的?在第二個環節中,教師可以提出以下問題:作為核心概念的電是什么?自然的電與人造的電又有怎樣的聯系?這些問題都可以回歸到對電的發現、電生磁的歷史性探索之中,從而使學生理解困難是什么,實現對困難的定位與定義。在第三個環節中,教師可以“電的產生”為問題,自由讓學生選擇個體獨立猜想、小組合作、咨詢專家等形式開展探究活動。例如,教師可提問:電產生的機理是一個極其復雜的過程,具體表現在電的產生需要什么材料,需要什么程序。在第四個環節中,教師需要引導學生像科學家一樣做實驗,基于自己的經歷和體驗進行聯想和推理,驗證自己的設想及結論。在第五個環節中,通過一系列穩定性探究,樹立磁生電的信念,實現新知識的學習。此時,教師需要提問:磁生電是不是產生電的唯一方式?這引導學生開展流動性探究,讓學生批判信念或樹立信念,培育學生的批判性思維。

(三)整體性和連續性跨學科反思型

和其他人類社會活動一樣,物理教學也具有內在發展的整體性和連續性。在近現代的物理教學中,逐漸形成了較為科學的知識邏輯結構。例如,物理課程的開設時間、課時安排、知識講授的順序及難易程度等都具有穩定的內在規定。可以說,物理教學是在教材整體設計上展開的連續實踐。例如,在初中物理第一章第1節“長度和時間的測量”中,可以基于“現象—本質—應用”的教學設計實現學生對技術和社會的認識。首先,教師引導學生觀察生活,預測物體、時間的長度,分析測量工具的結構和工作原理,并動手準確操作測量工具。其次,教師引導學生評價各類測量工具的優缺點,例如:直尺與游標卡尺在測量精度上有什么區別?為什么電子表的測量精度要比機械表更高?最后,教師鼓勵學生制作不同精度的測量工具,學生思考直尺與游標卡尺的出現時間及出現目的,培育學生追根溯源的優良精神。這種教學方式使基于整體性和連續性,科學、技術和社會的存在方式得以在物理體系中呈現,為學生的動手操作提供多樣化的實踐空間。

綜上所述,物理教學思想的價值取向貫穿物理教學的始終。無論是教材的解讀還是教師的教學策略規劃;無論是學生的新知識學習還是師生的動手實驗,無不彰顯著整體性、時代性、連續性、情境性和探究性等特征。在物理教學改革中,物理教學思想的價值取向是師生共同發展的重要參照,能夠創造學習動手操作能力的實踐新樣態,能夠為學生以后的物理學習打下堅實的基礎。