试论高中物理主体认知问题的情境设计逻辑

郭 拯

(慈溪市教育局教研室 浙江 宁波 315300)

探究性教学是指学生在教师所创设的学习情境中，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式，解决问题、获得知识与技能，内化情感态度与价值观的教学方式和教学过程.探究教学的精髓重在“探究设计”，探究设计的精髓重在“主体认知问题的情境设计”.

分析目前物理课堂教学中的问题情境设计，主要存在以下几个突出问题：

(1)简单化.问题情境设计限于教材显性内容，注重知识的识记性，轻视理解与评价性的问题情境；

(2)随意化.问题情境设计不符合学生的认知水平和年龄特征，没有考虑科学认识的内在规律；

(3)虚拟化.问题情境设计并没有建立在真切的物理实验探究基础上，教学呈现只留于语言表达和结论陈述，轻视问题探索的推演过程，学科教学特征不明显.

那么，如何有效地设计主体认知问题的情境，使课堂教学具有清晰的结构化逻辑脉络呢？本文试从以下几个方面进行论述.

1 主体认知问题情境的设计内涵

主体认知问题所揭示的知识具有其内在的逻辑结构，只有结构化知识才最易内化为学生的认知结构，而结构化的问题情境则为这种转化提供了心理空间，促进这种转化.具体体现为不同的教学环节有不同的问题情境设计，不同的问题情境表现出不同的互动关系构建，不同的互动关系表现出不同的教学活动主题.教学过程互动环节同构于不同类型的问题系统的认知情境环节，体现在3个对应关系上：

(1)问题探究难度与认知水平相协调——情境设计的前提；

(2)问题探究目标与教学目标相协调——情境设计的关键；

(3)问题的知识涵盖与认知内容相协调——认知问题的实质性保证.

在物理课堂教学中，应使问题情境结构、物理知识结构与学生认知结构三者和谐统一，相互促进.

2 如何进行主体认知问题情境的设计

问题情境设计的目的是引发认知冲突、提出研究问题、引导学生分析归纳并将学习迁移扩展.其主要特点就是在“问题解决中学习”，让学生就学科内容形成问题，通过“事情为什么会是这样的”，使学生主动、深入地激活原有经验，理解问题内涵，分析、推论生成新理解、新假设.

2.1 以科学思维方法重构问题情境的发展逻辑

知识间的逻辑关联反映的是科学研究的发展过程，逻辑间的关联一定存在物理学的思想方法.问题情境的生成与呈现是具有内在规律性的，物理情境是具有物理知识和物理思想的情境，科学思维方法是构建问题情境的重要依据.

案例分析1:以“电容的比值定义法”例谈问题情境设计.

“电容器与电容”教学环节的核心是运用“比值定义法“建立电容概念.考查这一概念的教学过程，多数教师的问题情境设计线索如下：

(1)研究电容器充放电过程，说明电容器是一个储存电荷的器件；

(3)类比迁移.将电容器所带电荷量与容器所储水量相比拟，内化概念内涵.

分析上述教学案例，其所设计的问题情境存在一定缺陷，我们说比较是抽象概念的前提，更是比值定义法的前提，它是确定研究对象之间差异性和共同性的思维过程和方法.比值定义法问题情境的构建分析如下：

第二，同中求异，阐述属性.即同一物理条件下，揭示共性反映的属性.问题情境设计：

第三，同异综合，揭示本质.由于物理现象的复杂性和多样性，决定了在构建“比值定义法的问题情境”时，一般方法是“由个别到一般、由部分到整体、由简单到复杂、有浅入深、由现象到本质”的顺序进行设计.其中的逻辑思维过程体现在“异中求同、同中求异、同异综合”中逐渐构建，进而揭示物理本质，其流程图可表示如下：

异中求同

同中求异→选取标准→同异综合

找出关键物理量→比 值→提示本质

比值定义法作为概念构建的一种重要方法，高中物理教学中与之同类情境构建的还有，诸如：加速度、电场强度、磁感应强度等，上述思维方法的问题情境构建具有一定的普通性.除了比值定义法之外，物理科学方法还有许多，如“理想模型方法”.

案例分析2:以“自由落体运动模型”例谈问题情境设计.

理想模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体.实际的物理过程都是诸多因素作用的结果，理想运动模型建立的核心思想是突出问题研究的主要方面，忽略次要因素的作用，只考虑主要因素引起的运动变化过程.它们以客观存在为原型的，作为抽象思维的结果，也是对客观事物的一种反映.让学生深刻体验到其中的物理学思想方法是问题情境构建的重要意义.过程如下：

(1)先演示在有空气阻力的情况下，羽毛和小铁片一起由静止下落，并未同时落地;

(2)将空气抽去一部分，羽毛和小铁片下落接近；

(3)再抽去一部分(几乎达真空)，羽毛和小铁片几乎同时落地；

(4)合理外推：在没有空气阻力的情况下，羽毛和小铁片一起由静止下落，将同时落地；

(5)反向扭转开关，放入空气再次对比刚才的情境，落地的时间差异又很大了.

上述问题情境的设计所涉及的方法有,应用因果共变分析法、反向对比方法等.高中物理学科蕴含着十分丰富的科学思维方法，除上述例举的两种科学思维方法外，又如：控制变量法、演绎推理法、实验归纳法、类比法等等，这些内隐于科学思维方法中的具体化的逻辑结构是问题情境构建的重要依据.

所以，德国著名物理学家玻恩(1882～1970)说：“我荣获1954年的诺贝尔奖金，与其说是因为我所发表的著作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里面包括一个关于自然现象的新思想方法基础的发现.”

2．2 以学生的认知变化趋势预设教学环节的情境发展

相应的教学环节根植于系列探究问题的土壤中.课堂教学中，设计系列主体问题探究时，要提供有助于形成概括结论的情境化方法，引导学生通过分析比较等方法，以事实为论据归纳出概括性结论，进而实现教材呈现的知识逻辑向教学呈现的认知逻辑的情境发展.如以人教版新课程《物理·必修1》

“牛顿第一定律”一节内容为例.

案例分析3:以“牛顿第一定律”例谈教学环节的情境发展.

(1)教材呈现的知识逻辑

1)引用爱因斯坦的比喻，简述历史上关于“力和运动”的观点，引出物理学有效的“侦察”方法；

2)通过“理想实验”魅力展示，阐述伽利略的研究过程，揭示科学研究方法和物理本质,提出笛卡儿观点；

3)“牛顿物理学的基石——惯性定律”的揭示；

4)通过“思考与讨论”揭示物理学重要概念“惯性”与“质量”的关系.

考察这一经典课例的课堂教学，多数教师从生活现象着眼引出历史上的研究观点，然后通过理想实验得出伽利略观点，这一层面的教学设计相对比较到位，且有许多亮点.但从伽利略发展到笛卡儿，再从笛卡儿发展到牛顿的观点，这一深入思维层面的教学展开却缺乏有效系列问题的情境构建.从教学设计上而言，思维渐进地展示过程决定了系列问题的情境发展，系列问题的情境发展须以学生的认知变化趋势加以构建.这一教学环节的设计补充如下：

(2)教学呈现的认知逻辑

问题情境1)：教材为引出牛顿第一定律而阐述的伽利略理想实验，他的设计思想是怎样的？你认为他对“力和运动”的关系认识意味着什么？

问题情境2)：笛卡儿补充道：如果运动物体不受任何力的时候，它的运动速度数值和方向都不会改变，请分析他比伽利略的认识高明在哪些方面？

问题情境3)：牛顿第一定律表明了哪些内涵？牛顿的认识比前人更高明在哪些方面?

比较上面知识逻辑和认识逻辑系统，知识逻辑明确的是“学什么”，由教材系统决定；认知逻辑明确的是“怎么学”，由主体的认知规律决定.预设的认知逻辑使整体教学目标具体分解为一个个教学环节的过程性目标，并内化成学生期望的学习目标，以此“唤醒”学生的自主意识，诱导学生学习潜能的开发.

考查“牛顿第一定律”的整体教学情境设计，应注重从4种典型科学思维方法加以深入逐次有序构建：

1)控制变量法.实验探究，让小球从同一斜面上同一高度由静止滚下，观察分析现象；

2)合理外推法.假定平面越光滑，小球运动的距离就越大，若平面无摩擦小球就将永远做匀速运动；

3)理想化方法.无摩擦的运动就是一种理想化模型；

4)分析归纳法.如上述案例阐述，伽利略、笛卡儿、牛顿观点的思维渐进性发展.

教学环节的情境发展是以学生认知变化趋势为依据的逻辑发展过程，其关键在于学生能将亲身获得的知识、方法，纳入到主体认知结构中，形成知识迁移能力；并使教学设计的过程目标建立在内隐过程与外显行为相结合的可测量的操作性基础上.

我们说，物理教学内容按特点可以分为概念性教学内容、规律性教学内容、实验探究教学内容和应用性教学内容.以上案例仅是以规律性教学内容的粗略静态分析，在教学实际中对课堂教学的问题情境或系列问题情境的设计逻辑，要根据不同的教学内容、教学课型和学生实际情况，进行依据于物理科学方法的教学设计，引导知识的发展过程，使学生不仅能掌握知识，而且能知道所学的知识是用了什么方法得出的，从而让学生感觉到学习的真正意义.