指向核心素養的具身化學科實踐
——以“轉彎問題”專題教學為例

浦建軍

(無錫市錫山區教師發展中心,江蘇 無錫 214100)

“何為素養?素養就是運用知識解決問題的能力.”[1]素養導向的課堂應該讓學生有真切的感受、深度的體驗、思維的碰撞和情智的發展.基于具身學習的具身化學科實踐,強調學習者要用身體卷入知識的原生產過程中去,在情境具身、物理具身、想象具身等多種具身方式中構建起“心智-身體-環境”3者相互交融的動態過程,有效提升學生的核心素養.本文以“轉彎問題”專題教學為例,基于具身學習視角,談談具身化學科實踐的探索.

1 “轉彎問題”教學內容的背景分析

從專題選擇看,“轉彎問題”源自人教版高中物理教材必修2第6章第4節“生活中的圓周運動”.筆者認為,“轉彎問題”不僅是本章內容的一次“小綜合”,而且是后續天體運動、帶電粒子在電磁場中的運動、單擺等問題“大綜合”的基礎.作為一節理論應用課,應該將學科知識和真實問題緊密相連,體現科學方法的顯化、科學思維的深化和學科知識的應用價值.生活中的圓周運動,更多體現在生活中的各種“轉彎現象”,如火車、汽車、自行車等在彎道行駛和飛機在空中盤旋等現象,如體育競技運動中場地自行車賽、速度滑冰、雪上空中技巧等,如游樂場旋轉木馬、海盜船、過山車等游樂項目,如雜技表演的“飛車”“水流星”等.從教材中的幾種典型現象如火車轉彎、汽車過拱橋等拓展至生活中的眾多“轉彎問題”,可以更好體現“從生活走向物理,從物理走向生活”的理念,更能培養學生的扎實學力和學科素養.

從認知結構看,學生通過認識圓周運動,拓展了對機械運動的類型、描述方式的認識.通過認識物體做圓周運動的條件,豐富了對運動和力的關系的理解.聚焦生活情境中各種“轉彎問題”,以具身學習的方式強化學科實踐,對生活中的典型圓周運動實例進行分析、概括和抽象,形成質點做勻速圓周運動的理想化模型來發展學生的模型建構能力、科學論證能力和質疑創新能力,促進所學知識的融會貫通,形成解決問題的認知策略.

2 “轉彎問題”專題教學的具身化學科實踐

學科實踐注重學習者的身體參與和親身經歷,倡導基于真實情境的問題、任務、項目式學習.具身認知視角下的教學設計突出“通過整合‘身體動作和經驗’將學生置于投入性的學習活動中(包括系列和系統的身體運動、想象和探索活動),以便在正式教學場景中利用行動和感知來發展學生對概念(抽象或具體)的理解”.[2]“轉彎問題”專題教學的具身化學科實踐,從“情境具身,問題情境中解決問題”“物理具身,真實體驗中深度探究”“想象具身,聯系遷移中提升能力”3個方面進行具身化學科實踐設計,如表1所示,進而讓學生在學習中深度體驗、深刻思維、深層發展.

表1 基于具身化學科實踐的教學設計

2.1 情境具身,問題情境中解決問題

情境是學生從經驗向知識轉化的橋梁,更是促進學生從知識掌握向素養轉化的抓手.知識情境化是知識活化并轉化為素養的必經途徑.[3]從教學的角度講,教師通過創設有意義、有啟發、有關聯的問題情境,讓學生參與其中,激活感官,經歷知識發現過程的“重演”,以此實現知識的情境化.情境具身是知識情境化的一種有效方式,通過呈現知識產生的熟悉場景,建立起生活、經驗和知識3者之間的深度聯系,使學習者產生感同身受的具身效應,在做思結合的具身學習中感受知識的原始形式,在去情境化的過程中綜合性調動思維解決問題.其教學流程如圖1所示.

圖1 教學流程

以探究汽車轉彎為例的情境具身可作如下設計.

圖2 汽車在水平公路彎道上行駛

壓彎或者吊彎,是一項膽量、技術完美融合的冒險運動.通常在高速通過彎道時出現.如圖2所示為汽車在水平公路彎道上行駛的照片.

任務1.學生模擬汽車過彎道時身體做出的應對.

任務2.若汽車過彎時不發生側滑,試定性分析汽車的安全速度多大?

任務3.若汽車受到的最大靜摩擦力等于車重的0.7倍,已知圖2中雙向四車道總寬度約為15 m,試分析汽車轉彎的最大速度能否超過25 m/s?[4]

任務4.若要增大汽車過彎時的安全速度,可以從哪些方面作出改進?

圖3 汽車在彎道處行駛

任務5.如圖3所示,若3輛車過彎道時均不發生側滑,哪輛車的安全速度最大?

設計意圖：探秘“壓彎”問題情境,充分利用學生敢于冒險、尋求刺激的心理,通過看、談、做等多種具身方式,讓學生充分融入情境,不斷反芻已有經驗,有效激發高品質的思維活動,深刻理解向心力與速度之間的物理關聯.任務1和2讓學生在模擬“壓彎”活動中,從身體感知到理性思維,以做思結合的方式構建勻速圓周運動的模型,探尋向心力的來源,深化學生運動與相互作用的物理觀念.任務3是一個具備問題劣構性的原始物理問題,注重思維的靈活性和綜合性,在真實學力的培養上體現獨特的教育價值.問題4以開放性提問探討提升安全速度的不同方式,培養學生的思維開放性和靈活性.任務5圍繞真實問題解決,對斜面上的汽車進行受力分析、質疑、探究循證、理論推導,形成新的認知：“傾斜的方式”可以巧妙獲取更大的向心力,保障較大的安全速度.

2.2 物理具身,真實體驗中深度探究

“具身性和直接性”強調認知過程要擺脫過多的普遍抽象的概念化知識和符號的傳輸,更多地讓認知者自身去直接體驗和經歷……[5]物理具身的實質就是具身操作,抓住物理實驗是手腦并用的實踐活動的特征,精心設計物理實驗,透過現象看本質,動作與思維相結合,以“做”“思”“議”的方式,在多樣化“做”中促進具身體驗,在多視角“思”中促進思維體驗,在多維度“議”中促進認知體驗.通過深度體驗,讓學生像科學家那樣“獨立”嘗試用各種方法研究問題,評價、質疑、 論證、創新,實證意識與批判思維能力得到加強.基于物理具身的體驗性活動設計架構如圖4所示.

圖4 體驗性活動設計架構

以探究火車轉彎為例的物理具身可作如下設計：

復興號高速列車的最高時速可達350 km,其又是如何安全通過鐵路彎道的?

圖5 有機玻璃制作的轉彎軌道

活動1.如圖5所示,用有機玻璃制成轉彎軌道,嵌入木板固定,直軌道一端適當抬起,下面加可移動的楔形木塊,以調節軌道高度,控制小車轉彎速度.小車以較小和較大速度通過水平彎道,請學生觀察與思考,看到了什么?說明了什么?(實驗過程現場攝像,慢動作播放)

活動2.學生仔細觀察火車軌道、車輪的結構圖片,教師展示自制模型,請學生嘗試利用牛頓第二運動定律解釋火車轉彎.

活動3.如圖6所示,學生首先用教師提供的自制圓柱形車輪+軌道模型模擬火車轉彎,車輪從軌道上滑落;學生用兩個一次性紙杯做成的簡易車輪再次進行實驗,車輪沒有從軌道上滑落.學生解釋原因.

圖6 自制彎道

活動 4.如圖7所示為車輪+軌道的3種設計方案,請學生討論哪種方案最合理.

圖7 3種設計方案

設計意圖：該設計重構教學內容,強化3方面體驗,突出素養導向.一是加強具身體驗,3次對比實驗從“做實驗”走向“做中學”：水平彎道與傾斜彎道對比,為“傾斜方式提供向心力”提供事實證據;圓柱形車輪和圓錐形車輪對比,打破傳統認知,引導學生從彎道的傾斜設計向車輪的設計深入;同軸連接的內外車輪行駛路徑對比,以可視化的方式為圓柱形車輪的不合理性尋找理據.二是加強思維體驗,從“淺層學”走向“深度學”：綜合應用受力分析、坐標系建立、矢量分解、物理規律選用等知識和方法,理論上深入剖析火車轉彎原理;構建圓周運動同軸轉動模型,明晰內外輪相同時間內走過的路程不同,圓柱形車輪必然導致外輪從鐵軌滑落.三是加強認知體驗,從“學中議”到“用中學”：結合圓錐形車輪的運動、受力特點,探討鐵軌的擺放、枕木的設計等問題,從課內向課外延伸,從課本到學以致用.

2.3 想象具身,聯系遷移中能力提升

具身學習強調的“具身性”不僅指身體的參與,認知者的思維也具有“具身性”,即學生可以在思維、聯想的過程中進行情境模擬和體驗.根據Black提出的具身活動類型,在學習活動中可以讓學生通過“看”和“做”(物理具身)獲得直接經驗,然后通過“想”( 想象具身)將新舊經驗聯系起來,最后產生能促進所學內容遷移發生的任務,達成“看”“做”“想”的相輔相成、三位一體,從而促進知識的理解、遷移、應用.教師通過問題連接經驗,指導學生進行充分的想象或者構思,獲得具身感受和經驗,喚醒思維,促進深層次的信息加工,經歷回憶和提取、想象和推理、論證和概括等系列化思維過程,以想象具身的方式調用相應的物理概念、模型和規律,將所學知識和方法合理遷移至新的問題情境,分析解決相關問題,并能發現問題或質疑,實現既關注外部活動(“看”或“做”),也重視內隱的認知、建構、領悟、遷移(“想”).想象具身視角下以遷移能力為核心的設計流程如圖8所示.

圖8 流程圖

以探究飛機空中轉彎為例的想象具身可作如下設計：

飛機在空中的盤旋、翻滾、俯沖等各種機動飛行動作,均是“轉彎”的表現形式,也是體現飛機的優越機動性能的重要標準.

問題1.學生張開雙臂充當飛機機翼,模擬飛機在空中水平轉彎的情形,交流自己的觀點.

問題2.如圖9所示,學生分析飛機空中水平轉彎和豎直平面內俯沖時的向心力來源.

圖9 飛機飛行圖

圖10 不同情境中的共同物理本質

問題3.直升飛機沒有機翼,它是如何實現空中轉彎的?請自主查閱資料學習并交流.

設計意圖：飛機轉彎相比于汽車、火車轉彎,直接體驗的機會較少,受力情況也比較復雜.問題1讓學生張開雙臂模擬飛機轉彎,在身體操作中自主連接經驗,基于想象推理,找到類似于公路、鐵路、自行車賽道的實際支持面對物體產生的支持力,即機翼上下表面因壓強差產生的作用力,在受力分析中發現不同情境中的共同物理本質(如圖10所示).進而設置新情境問題,讓學生自主根據聯想和經驗性直覺把握好分析解決“轉彎”問題的本質——從圓周運動的模型建構和向心力的來源入手,實現學習理解、應用實踐、遷移創新的學科能力提升.

3 結語

杜威曾經說過“思維和知識都來源于經驗”,但具身哲學則強調,這種經驗不是“意識的經驗”,而是“身體的經驗”.心理學家Margaret Wilson在《具身認知的六個觀點》中指出：認知需要發生在具體的生活環境中;認知是為了實踐,只停留在認知層面是難以為繼的.生活的學科意義就是要構建學科與生活、觀念與經驗的雙向融合,讓教學變成學科實踐.教師需要深研教材、聯系生活、關注學情,創造性地使用教材,用具身化的方式開展學科實踐,體現學習的意義和學科的價值,提升學生的核心素養.