基于批判性思維的高中物理論證式習題教學

陳新華，陶兆寶

常州市第一中學，江蘇 常州 213003

習題教學是物理教學中的重要部分，也是提升學生解決問題能力的重要方式和手段。“雙減”政策下，如何既減輕學生過重的作業(yè)負擔，又有效落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，是一線教師面臨的重大挑戰(zhàn)。基于批判性思維的論證式習題教學為解決這個問題提供了有效的方案和途徑。

1 批判性思維與論證式教學

批判性思維是一種理性的、反思性的思維，其目的在于決定我們相信什么和做什么［1］。它有兩個主要特征：第一，如何質(zhì)疑，即“會提問”，這是批判性思維的起點；第二，如何判斷，即“會解答”，這是批判性思維的目標。批判性思維作為高階思維能力，是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。

培養(yǎng)學生的批判性思維，一般來講是指培養(yǎng)學生批判性思維的能力，如分析、解釋、推理、評價、論證等，這是解決問題的方法。從更深層次看，批判性思維也是一種思維傾向，如求真、開放、反思、理性等特質(zhì)，這是思考問題的方式。批判性思維技能是可教、可測的。批判性思維傾向?qū)儆谛闹悄Ｊ胶蛢r值取向，很難直接進行教學，只能在教學過程中通過潛移默化的過程促進學生元認知結(jié)構的變化來逐漸形成。

論證式教學是將論證活動引入課堂的一種教學方式，需要學生和教師圍繞某一論題利用科學方法收集證據(jù)，并能解釋和評價證據(jù)與觀點之間的聯(lián)系，最終達成共識［2］。論證式教學鼓勵學生針對某一研究問題的解釋進行論證或者辯護，讓學生有機會通過討論學習怎樣提出、支持、評價或者修改自己的觀點［3］，這樣的過程與批判性思維的質(zhì)疑、論證、評估、完善等思維過程高度重合。

論證式教學與批判性思維是密不可分的：一方面，論證式教學需要學生具備一定的批判性思維的能力；另一方面，論證式教學又能促進學生批判性思維的生長，培養(yǎng)學生的批判性思維能力。

2 基于批判性思維的論證式習題教學

本輪課程改革的目標是指向?qū)W生核心素養(yǎng)的發(fā)展，即培養(yǎng)學生在未來真實生活中解決問題的必備品格和關鍵能力。但教學中我們常常會有這樣的困惑：當原始問題出現(xiàn)的時候，學生往往不具備迅速準確解決問題的能力。究其原因，還是學生對問題的理解不夠深入，思維缺乏深刻性和批判性，一遇到新情境，要么套用公式，要么束手無策。折射到我們的教學中，學生的學習過程缺乏理性批判和論證的過程，獲得結(jié)論的主要途徑本質(zhì)上主要是“傳授”和“接受”，缺乏體驗和反思，沒有在解決問題的過程中形成專家思維［4］。

基于批判性思維的論證式習題教學指向?qū)W生解決問題能力的提升，通過初步理解—思考提問—探索求證—提升創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，發(fā)展學生的分析理解、建構模型、質(zhì)疑探究、推理論證、反思評估等能力素養(yǎng)，從而形成解決問題的專家思維，達到舉一反三、以一當百的習題教學效果。這樣的教學過程凸顯了批判性思維“審辯”的特質(zhì)，強調(diào)質(zhì)疑和論證，讓學生經(jīng)歷“直覺—評估—質(zhì)疑—論證—評估—完善”的思維環(huán)節(jié)中的全部或部分，在螺旋遞進的思維過程中解決問題，教學過程環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，實現(xiàn)學生思維從低階向高階的突破，培養(yǎng)真實情境中解決問題的一般能力。具體模式如圖1所示。

圖1 論證式習題教學模式圖

2.1 指向“模型建構合理性”的論證式習題教學

物理是建構模型解決問題的一門學科，其目標指向解決問題，而主要方式是“建構模型”。模型作為一種重要的科學方法，具有解釋科學現(xiàn)象、作出科學預見、形成科學發(fā)現(xiàn)、啟發(fā)科學思維等功能［5］。而理想化模型則是聯(lián)系現(xiàn)實和理想的橋梁和紐帶，突出主要問題，忽略次要問題，將復雜問題簡單化，是高中學生解決真實問題的主要方法之一。理想化模型的條件是什么？建模過程中如何界定主要問題和次要問題？如果都是憑直覺和記憶，學生就不具有解決新問題的能力。只有讓學生通過質(zhì)疑論證的過程，在比較的過程中區(qū)分主要因素和次要因素，才能讓學生習得理想化模型建構的一般方法，獲得解決問題的普遍聯(lián)系和普遍規(guī)律。

2020年高考物理全國卷Ⅰ第3題就是一個很好的例子。這道題難度不大，總體得分率較高，但是這道題提供了真實且典型的問題情境，學生在建模和解決問題的過程中有很多不確定性，這樣的不確定性需要學生不斷地質(zhì)疑推理和求證，這樣的過程也就是批判性思維及問題解決能力的培養(yǎng)過程。筆者選取此題進行習題講評，現(xiàn)筆錄如下：

如圖2所示，一同學表演蕩秋千。已知秋千的兩根繩長均為10 m，該同學和秋千踏板的總質(zhì)量約為50 kg。繩的質(zhì)量忽略不計，當該同學蕩到秋千支架的正下方時，速度大小為8 m/s，此時每根繩子平均承受的拉力約為（ ）

圖2 全國卷第3題圖

A.200 N B.400 N

C.600 N D.800 N

【直覺】把人看作質(zhì)點，且重心集中于繩末端，等效為單擺模型。在最低點由，知T=410 N。即每根繩子拉力約為410 N，故選B選項。

【質(zhì)疑】同學身高1.6米左右，繩長10米，轉(zhuǎn)動過程中真的可以把人當作質(zhì)點來研究嗎？

【論證】最低點的時候，人受到的合外力應該等于各點做圓周運動所需的向心力。因為離轉(zhuǎn)軸的距離不一樣，各點的向心加速度是不一樣的，所以用微元和積分。設人的身高為l0，繩長為l，假設人的質(zhì)量是均勻分布的，單位長度質(zhì)量為取人為研究對象（圖3），受力分析得：

圖3 研究對象示意圖

假設人的身高是1.6米，秋千踏板和人的質(zhì)量均勻分布，代入數(shù)據(jù)，得T1=397.2 N。

假設把人看作是集中于秋千踏板上的一點，則l0=0，代入數(shù)據(jù)得T2=410 N。

【完善】相對誤差小于5%，應該滿足的一般條件是什么呢？

相對誤差小于5%，即

代入數(shù)據(jù)可得：10l2+64l-608l0≥0

解得l≥5.23l0

若人的身高為1.6米，則繩的長度l≥5.23l0=8.37米，本題中繩長10米，符合要求。

【點評與小結(jié)】這道題難度中等，主要考查從蕩秋千的原始情境中提取“單擺模型”解決問題的能力。學生的直覺就是解決問題時把人當作質(zhì)點，把這個過程當作單擺模型。但是有些學生就會提出：繩長10米，人的身高1.6米左右，能不能把人當作質(zhì)點？這是一個很好的問題，涉及理想化模型的建立條件。教師引導學生用數(shù)學、物理知識對這個質(zhì)疑進行評估，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過嚴格的運算和估算，誤差在5%以內(nèi)，可以忽略次要因素，當作單擺模型。問題已經(jīng)解決，可是具有批判性思維的學生會進一步發(fā)問、尋找可以當作質(zhì)點的一般條件。最后，再用一般條件來驗證本題的特殊數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)10米的繩長和人的身高搭配得非常巧妙，可以簡化為單擺模型。至此，經(jīng)歷了“用已有知識方法去解決現(xiàn)有問題”的直覺階段，到“為什么可以建立單擺模型”的質(zhì)疑階段，再到“尋求實證運算”的評估階段。從知識到素養(yǎng)，從“會套用公式”到“會建立模型選擇公式”，運用批判性思維不斷對得到的結(jié)論進行反思與評估，并以此作為論證和完善的出發(fā)點，在解決問題的過程中收獲思維的成長，真正實現(xiàn)了通過一道題解決一類題，通過一類題解決所有題，這也是我們物理教學最根本的目標。

2.2 指向“物理結(jié)論準確性”的論證式習題教學

批判性思維的一個重要特征就是質(zhì)疑與論證，這也是創(chuàng)造性思維的起點，要求學生“不唯書、不唯師”，有自己獨立的判斷與思考。學生對物理結(jié)論的準確性提出質(zhì)疑的時候，教師要鼓勵和指導他們進行進一步的評估和論證，在發(fā)現(xiàn)問題和論證求索的過程中提升思維能力，增強自信，完善元認知結(jié)構。

2019年的揚州中考卷第29題，A同學在初中時就存在困惑，覺得題目解答太特殊，不能包含所有情況。但因為是中考題，不敢隨便質(zhì)疑，她便一直把這個困惑帶到了高中，在和同學多次討論都沒有結(jié)果后，便把這個問題提交給了筆者。筆者沒有直接給她解答，而是不斷鼓勵和指導她，從多角度尋找證據(jù)，來證明或證偽自己的想法。實錄如下：

（揚州2019年中考卷）如圖4所示是路邊交通指示牌，通過橫桿A、B與立柱相連，圖中指示牌的總質(zhì)量是300 kg，長為4 m，高為2.5 m，A、B間距離為1 m。（忽略指示牌與立柱之間的距離，g取10 N/kg），立柱對橫桿B的作用力的方向是__________，大小是________。（本題答案為水平向左，6×103N）

圖4 揚州中考卷第29題圖

從題意和答案推測，其期望的解答為：立柱對橫桿B的力的方向是水平向左，以A處為支點（圖 5），由力矩平衡，G·AM=FB·AB，可得FB=6×103N。

圖5 指示牌受力分析圖

【質(zhì)疑】橫桿中的力一定沿橫桿方向嗎？如果A、B處都沿桿的方向，那么從力平衡的角度，誰在豎直方向上和重力G平衡呢？如果A處有豎直向上的分力，那么B處為什么就不能有豎直分力呢？

【評估】可以假設A處和B處都既有水平分力，也有豎直分力，進行嚴格運算論證。

【理論論證】以指示牌為研究對象，假設A處受力的水平分量為FAx、豎直分量為FAy，B處受力的水平分量為FBx、豎直分量為FBy。

由受力平衡關系可得

FAy+FBy=G，F(xiàn)Ax=FBx

以A為支點，由力矩平衡關系可得

G·AM=FBx·AB

解得FBx=6×103N

【評估】水平方向A、B處的分力大小相等，F(xiàn)Ax=FBx=6×103N。豎直方向 FAy+FBy=G=3 000 N，F(xiàn)Ay和FBy的具體數(shù)值不確定，應該跟安裝時的初始條件有關。

【質(zhì)疑】是真的嗎？豎直分量不確定？

【評估】可以通過實驗來驗證。

【實驗論證】找一塊均勻木板，在A、B處接入力傳感器，改變A、B處固定螺絲的松緊，看A、B處的力是否會發(fā)生變化（圖6）。

圖6 傳感器實驗圖

【評估】實驗結(jié)果顯示，根據(jù)A、B處固定情況的不一樣，兩處的受力情況的確會有變化。所以，原始題目雖然是中考題，但是設問不夠嚴謹，這個題的結(jié)果具有不確定性。FBy=0時，可以得到試題答案，但這是所有情況中極為特殊的一個例子，不能作為必然結(jié)論。

【點評與小結(jié)】“大膽質(zhì)疑,謹慎斷言”，說起來容易，做起來難，特別是一個初中生想要質(zhì)疑一道大市中考卷上的題目。學生在思考的過程中發(fā)現(xiàn)了問題，層層遞進提出了系列問題：如果B處的受力方向是水平的，誰來平衡豎直方向的重力？發(fā)現(xiàn)A處要有豎直分力。進一步提出：A處有豎直分力，為什么B處不能有豎直方向的分力？從而想到要用最一般的方法分別設兩個方向的分力來解決這個問題。理論推導得到的力的大小居然不是一個確定的值，學生自然是困惑的，這個值到底跟什么有關呢，學生猜想可能跟安裝條件（即安裝時螺絲擰的松緊）有關，然后運用數(shù)字化傳感器進行實驗，驗證了猜想。這是一個基于批判性思維的論證式學習過程，學生學習過程如科學家探究過程一樣，基于完全真實的情境，不知道真正的答案是什么，但是會用科學的方法去猜想、推理、論證并完善，最終得出了令人信服的答案。

3 反思與總結(jié)

3.1 基于批判性思維的論證式習題教學是新高考下素養(yǎng)教學的必然選擇

物理教學應該為培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)而教，教學內(nèi)容和教學過程在本質(zhì)上都只是達成教學目標的方式，在知識和方法的建構過程中，形成學生對解決問題基本過程和方法的一般認知，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，才是教學最根本的目標。批判性思維是創(chuàng)造性思維的前提，而論證（理論論證和實驗論證）則是理性精神的開端，基于批判性思維開展論證式習題教學，是在高考指揮棒下對素養(yǎng)教學的積極響應。用論證式的學習過程促發(fā)高階思維的發(fā)生和生長，不僅能擺脫題海戰(zhàn)術，發(fā)展素養(yǎng)，還能從容應對高考，是教學從現(xiàn)實通向未來的有效途徑。

3.2 基于批判性思維的論證式習題教學的實施要點

習題教學是高層次的思維教學。如果說新課教學是學生追隨科學家的腳步，亦步亦趨的探究過程［6］，那么習題教學就是學生在不確定的新情境中，調(diào)用已有知識和方法，批判性解決問題的遷移論證過程，兼具批判性和創(chuàng)造性的特點。實施論證式習題教學，首先要選擇適合并值得開展論證式教學的話題。比如，對理想化模型建立條件的論證式討論、對已有結(jié)果成立條件的論證式研究、對解決問題方式合理性與全面的論證性……論證的話題除了試卷上的典型問題，還可以是生活中的一些問題，或者是學生遇到的困惑等。典型的、需要論證的話題一般都是極具探討性的，能夠指向高階思維，能夠最大程度地激發(fā)學生思維的能動性。其次，自由和質(zhì)疑的學習氛圍也是必不可少的。寬松自由的環(huán)境，學生才會有質(zhì)疑和論證的勇氣和激情，才能在思維碰撞中提高思維的成熟度［7］。寬松鼓勵的環(huán)境，也會使學生愿意去嘗試，即使嘗試錯了，也不會有太多的負擔，才能激發(fā)學生深層次的創(chuàng)造力。最后，要重視學生的主體思考過程。論證式教學過程中的質(zhì)疑和論證都需要學生經(jīng)過反復的思考和積淀，是一個“慢”的過程，不可能一蹴而就，需要教師有足夠的耐心去共同探討和靜待花開。這樣的教學是圍繞問題展開，問題的解決不一定局限于一個課時內(nèi)，“直覺—質(zhì)疑—論證—評估—完善”的過程可能需要多次反復，最后達成問題解決，教師要有耐心，在多次反復的引導、探討和等待中促進學生思維的生長和素養(yǎng)的養(yǎng)成。