立于“元问题” 行于“做中学”

摘要：《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：课程实施的关键是基于物理核心素养的“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”四个维度，发展学生的关键能力、必备品格和价值观。物理教学应遵循物理教学规律，让教学基于核心素养，立于元问题，引领学生思维进阶，内化物理观念，发展科学思维，深度感悟探究，行于“做中学”，让学习进入真实实践。

关键词：元问题;做中学;物理核心素养

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2019）04A-0018-06

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：物理核心素养主要包含物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度，其中物理观念代表知识的内化，是其他核心素养的基础;科学思维和科学探究是关键能力;科学态度和责任是必备品格。《普通高中物理课程标准（2017年版）》一经发布，就引起一线教师的广泛关注，中学生学物理学什么？让中学生怎样学物理？怎样让中学生学物理？中学生学习物理的路径是怎样的？如何实现学科教学的知识技能目标走向三维目标达成，最终走向发展学生学科核心素养？等新旧问题再一次被推到前台。笔者基于近10年的学科实证研究和近30年的一线教育经验总结认为：广大物理教师必须用追问反思来引领教学实踐，基于物理学科特点，以认知科学理论、学习进阶理论和学习路径分析为指导，从认知理论、物理思维论、教学论、方法论、多元智能理论、实验论和课程论的视角，对学生物理学科的关键能力形成和必备品格培养进行系统思考，在行动和实证研究中，分析研究物理教学的核心要素，纠正教学行为偏差，追寻物理教学规律，让教学基于核心素养，立于抽象问题、原始问题、元问题引导思维进阶，以内化形成物理观念，深化发展科学思维，深度感悟科学探究，行于“做中学”探究，让学习进入真实实践，实现物理学习方式和学习行为的最优化。

一、立足“元问题”思考，培养学生物理核心素养

基于物理核心素养的教学，教师必须深刻理解“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”是对物理教学的纲领性要求。“物理观念”是对物理现象的基本认识，是学习物理概念与规律后形成的具有稳定心理特征的认知结构。这种结构化认知可以让学生在遇见需要解决的真实的问题时，能与所学的物理知识与技能进行迅速匹配，从而快速地找到问题解决的路径和方法。即当学生的物理观念形成后，学生能正确理解物理概念和规律，会对概念和规律深信不疑，懂得用物理的方法对概念和规律进行应用迁移。“科学思维”是物理学习与探究所需要的模型抽象、分析综合、推理论证、质疑批判等认知方式或思维方式，教学就要构建学习内容中与模型抽象、分析综合、推理论证、质疑批判等四个维度相匹配的思维（问题、实验等）载体，为教学铺设清晰的思维进阶路径，让学生在不同的实际情境过程中思考与应用。“科学探究”是指对一个现象进行研究的能力，是一种研究问题的程序与过程，如提出问题和假说，设计验证方案，依据证据来验证假说，得出符合逻辑与证据的结论等，教学中要搭建指向问题、证据、解释与交流等探究活动的平台，使教学能体现探究程序与过程。“科学态度与责任”是指在探究科学的学习过程中，对科学本质等形成基本认识态度和社会责任感[1]。综上所述：物理观念代表知识的内化，是其他核心素养的基础;科学思维和科学探究是关键能力;科学态度和责任是必备品格。

1.对关键能力与必备品格的再认识

华东师范大学崔允漷教授在研究世界各国及相关国际组织关于核心素养的定义的基础上，对“核心素养”做了这样的界定：个体在知识经济、信息化时代面对复杂的、不确定性的现实生活情境时，运用所学的知识、观念、思想、方法，解决真实的问题所表现出来的关键能力与必备品格。对物理学科核心素养而言，就是学生在物理学科学习后形成的一种行为习惯和思维惯性，外在行为表现出来的就是物理学科的关键能力与必备品格，它是相互依存的，并且交织在一起，如批判性思维、创造力、主动性、解决问题、风险评估、决策和建构性的感情管理等。

为了一致地描述关键能力和必备品格在物理教学和学习环境中的作用，可从知识创造、技能获取和态度培养三个不同的教学和学习视角表达。在建构主义领域，知识的创造被理解为一个过程。在这个过程中，学生作为行为的实体，总是在原有经验知识的基础上学习。他们拥有大量直接参与学习物理学的知识要素（日常概念），但往往都是经验性的、零碎的或片面的，需要广泛重建他们的直觉知识才能创造出新的系统知识“建筑”（科学概念）。知识创造是知识的重建，它一定是在一个特定物理问题情境中发生的，让学生经历从日常概念到科学概念的建构认知发展进阶过程，才会对物理概念的意义和含义有深层理解。获得技能的流程与知识有明显的联系，技能发展也与物理内容密切相关，当学生对概念获得更深层次的理解时，他们就会运用实用技能并能将所学知识迁移至真实情境。如学生在获取加速度测量的实验技能时，学生依据对瞬时速度的深层理解，并根据问题情境，运用已有知识（微元法或极限定义法）制订探究计划，选择符合情境要求的方案，即利用打点计时器或光电门实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析，利用加速度定义或速度—时间图像得出结论。在这里获得技能的探究方法是符合建构主义理论的。伴随着创造知识和获得技能的过程，学生认知科学的热情和方式也得到了发展，促进了态度培养和价值观的形成。

2.用元问题提高学生的问题水平和思维能力

物理学是一门实验科学，观察和实验是获取物理思维材料的重要手段，但如果观察和实验不引出物理问题，决不会导致探索和研究过程。如德国物理学家伦琴在（1895年11月8日）获得X射线照片底板之前，美国物理学家古德斯比德和英国克鲁克斯就早已（1890年2月22日）获得，虽然他们都遇到了同样现象，但后者并未从观察到的物理事实中引出物理问题，这一从他们眼前闪过的“新事实”也就不能引起他们的研究。而伦琴则分析了“新事实”和旧理论间的矛盾冲突，引出了问题，并对此做出了研究，发现了X射线。这一事实启发人们：物理学的研究始于问题，“问题”是点燃思维的火种，正如杜威所说“思维的过程是一种事件的序列链，这一发展过程从反思开始移动到探究，再到批判性思维，最后得到比个人信仰和想象更为具体的‘可以证实的结论。思维不是自然发生的，但是它一定是由‘难题和疑问或‘一些困惑、混淆或怀疑引发的。观察者‘手头的数据不会提供解决方案，它们仅仅能够给人启示;而正是对‘解决方案的需要，维持和引导着反思性思维的整个过程;问题的本质决定了思考的结果，思考的结果控制着思维的过程。” [2]

问题始于思维，思维的发生就是反思—问题生成—探究、批判—解决问题的过程。立于问题又能促使思维向深度发展，“问题”是“思维”的载体，是培养“比较—概括—抽象”“分析—评价—创造”等深度思维的土壤，让学生在高层次认知水平上，触发发展高阶思维驱动力[3]。

物理学的研究始于问题，物理教学也应始于问题，针对物理问题对学生认知投入动机的激发、学生的元认知策略（包括完成任务时对目标的设定、计划、监控、评价以及对过程采取的必要的调整）、意志策略（指的是对注意的控制、影响的控制及努力地控制）调动的不同，可将物理教学中的物理问题概述为抽象问题、原始问题和元问题三类。“抽象问题”通常是指教学中学生所面对的大多数是教师通过对实际（原始）问题的合理分解、简化和抽象后形成的“问题”。这类“抽象问题”往往是为巩固物理概念、规律而人为加工出来的，与实际（原始）问题相距甚远。基于这种“抽象问题”的物理教学，只是为了巩固双基知识而设置的“记忆—理解—应用”层级的问题，属于低阶思维能力的问题，不利于促进思维向深度发展和激励学生的创新思维，更不利于培养学生发现问题和转化问题的创新能力。“原始问题”是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象问题。它具有以下特点：“是对现象的描述，没有对现象做任何程度的抽象;基本是文字的描述，通常没有任何已知条件，其中隐含的变量、常量等需要学生自己去设置;没有任何示意图，解决问题所需要的图像需要学生自己画出;对学生来说不是常规的，不能靠简单的模仿来解决;来自真实生活情境;具有趣味和魅力，能引起学生的思考、向学生提出智力挑战。”[4]基于“原始问题”的物理教学，因面对的是真实的问题情境，需要学生更多的认知参与，需要他们自主调动分析、综合、评价、创新等高阶思维活动，可以帮助学生表征知识，了解知识技能的应用情境，让学生尝试解决真实世界问题、完成真实情境任务，经历日常概念到科学概念建构的认知发展进阶过程，从而对概念的理解更深刻，发展更高的认知加工水平和高阶思维能力。“元问题”是比普通问题（抽象问题和原始问题）进一层，通常涉及价值论、方法论层面的问题，是最根本、层次最高的问题，即为能引起问题的问题。正如物理学家理查德·费恩曼在打油诗所述问题：“我想知道这是为什么，我想知道为什么我想知道这是为什么，我想知道究竟为什么我非要知道我为什么想知道这是为什么”。在问题教学中引入元问题，就是利用以“问”引“问”策略设置“问题情景”，将“情景串”变成“问题串”，用元问题启发学生问题思考的方向，不断追问“问题”，激发认知的原动力，激活学生的思维。正如鲁利亚所说：“在人有适当的动机而使课题变得迫切了，并且它的解决成为必要的了;当人要从他所处的情境中走出来，而又没有现成的（先天的或习惯的）解决办法时，只有在这种场合思维才出现。”[5]元问题将会最大限度激发深度学习动机并维持认知投入，更大程度地提高学生认知投入的质量，提升思维品质的深刻性、独创性、批判性和灵活性。

综上所述，物理教学指向核心素养，基于抽象问题、面向原始问题、立于“元问题”，激发学生质疑，给学生发现问题、提出问题的机会，使学生既会“学”又会“问”，可避免单一抽象的问题教学。如“去两头重中间”，不能给学生提供真实的原始问题情境，只凸显演算和推导过程，导致科学思维中直觉思维缺位。因此，让“元问题”成为跟进发展物理学科的关键能力与必备品格的原动力、驱动力，用“元问题”引领学生内化物理观念、发展科学思维、实现科学探究、培养科学态度与责任，伴随形成价值观念，才是物理教学的核心要义。

二、行于“做中学”探究，让学习进入真實实践

物理学是基于观察与实验，建构理想模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的理论体系和研究方法的一门自然科学领域的基础学科。创设物理教学情境，让学习进入真实实践，对培养学生学科核心素养，发展学科关键能力、必备品格、价值观念具有关键作用。如在物理规律的探究教学中，基于实验资源创设情境，让学生在情境中发现和提炼问题，对问题的可能答案做出假设（预测），并根据问题情境，运用已有知识制订探究计划，选择符合情境要求的实验资源进行实验，获取客观、真实的数据，通过对数据的分析形成关于物理规律的结论。这与杜威《探究认识论》的内核所提倡的探究相吻合，让学生经历杜威所述的探究的几个维度，即“由问题情境引发的‘解题需要（探究的动因），实验性的‘亲历者认识论（探究的实质），‘理智在场（探究的保障），‘思维五阶段法（探究的模式），有根据的断言（探究的结果）。”[6]（如图1）只有这样的“做中学”，才能表现出具备“科学思维、科学探究”的“关键能力”，“有效思维的态度、融身实践和个人发展与时代责任担当”的“必备品格”，“尊重事实”的“价值观念”。

1.“做中学”的界定

这里所谓的“做中学”是源于杜威（John Dewey）的“做中学”“原型”，发展于参与性认知、探究认识论这两种教学思想。参与性认知认为，认知的获得是认知者通过各种体验活动与认知对象交互作用的结果，即基于个人的身体、经验、实践、行动的参与以及情境、生活等互动基础上生成知识的过程。认知是通过亲历参与而获得的，知识就是一种参与行为，参与是一种认知手段。参与包括实验参与、知识参与、道德参与和审美参与等。探究认识论认为，知识的对象是有指导的实验操作所产生的后果，而不是充足存在于认知以前的东西，在物理教学中，主要体现为“探究是儿童对‘情境的探究，情境是儿童‘探究中的情境，知识是不断被诊断的儿童活动的假设，三者统一于做中学。”[7]“做中学”在于增进认知，也如杜威表述的“他怎样获得这种知识，这个问题为自然地学校教育方法提供了线索。这个答案就是，不是通过阅读书本或倾听关于火或事物性质的说明，而是自己烧一下或自己吃东西，那就是做些事情。” [8]也就是说，学习便是事件与儿童的相遇，学习的过程是儿童主动参与、积极探究的过程，“做”是手段，“学”既是目的也是过程，“做中学”便是参与性认知。“做中学”既可以看作是一种教学原则和教育理念，也可看作是一种教学内容和方法，同时也是一个教育过程，其基本要义旨在以学生参与来架构课程，以“亲历”经验的获得为核心旨趣，在情境化的教学场域中，通过学生的各种“做”——观察、实验、探究、游戏等来组织实施教学。杜威的认识论是“探究认识论”，其学习观是“探究学习观”，从“做”中学、反思参与、理智指导等都是其内涵的体现。

考虑到杜威对当代中国的巨大影响力，更要厘清我们所提倡的“做中学”，不是指追求浅薄兴趣、偏重动手操作、放松学术标准等。如果是这样，将会对物理教育带来屏障，譬如：首先会给物理模型建构带来问题，因为生活中根本找不到“物体在不受外力影响的情况下，保持匀速直线运动”的实验或实例，它只能通过伽利略斜面实验加推理（即实验+思维推理）来建构。在教学中引领学生建模时，是无法通过实验或实例来直接演示或列举实例说明，最多只能通过虚拟实验（如用FLASH）模拟来丰富学生直观思维素材。类似“匀速直线运动”这样的简化理想模型，在高中物理教学中还有很多，譬如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、匀强电场、理想变压器、匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程等[9]。这些简化的理想模型与实验的真实情况大相径庭，都需要“经历过程”“体会思维方式”，才能通过高度抽象思维做到“抽象”，学生才能认识物理模型在探索自然规律中的作用，实现对概念、规律的理解和把握。更为准确地讲，笔者所提倡的“做中学”应该扩展到杜威所提倡的“参与”，参与不仅仅强调行动，还强调思考，超越了“做”的范畴，着眼于关键能力、必备品格和价值观念的教学统整。

2.“做中学”的运用

物理学是自然领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。物理学基于观察和实验，物理模型的建立、物理概念的形成、物理规律的提出，物理学中许多重大的发现都是在观察、实验的基础上进行思维的结果。在物理教学中，学生在对物理知识建构之前往往已具备了一定的感性的前认知，只不过这些认知大多是纯经验性、碎片化的，与科学概念表征之间仍然有一定距离。当教师以多种实验资源为基础，为学生创设真实的情境化学习和应用环境，让学生在特殊物理情境下对这些碎片知识进行解析、重构，亲历物理问题的解决过程，并建构相对完整的科学概念和观念，这些重构过程就为学生“做中学”勾勒出可能的学习路径。这不仅遵从杜威教育思想，同时与皮亚杰的“发生认识论”、布鲁纳的“螺旋式的课程设计”、维果茨基的“最近发展区”和奥苏贝尔的“有意义学习”理论观点也是相统一，是对课程与教学论中“应为学生设定怎样的学习路径”这一核心问题的回应。学习路径为学生提供学习图景，刻画出学生思维的发展过程，其课堂进阶进程如图2所示。学习进阶的“进”是描述学生的认知发展方向，而“阶”则是指发展过程中的关键点，也就是建立在进阶变量基础上的、学生认知发展的“脚踏点”。正是一个个连续的“阶”将学习的起点和终点连接起来，形成学生在学习某一主题概念时，思维所遵循的连贯的、由简单到复杂的、典型的学习路径。帮助学习者找到认知发展过程中用于“踏脚”的具体“台阶”，为学习者的认知发展提供支撑，以进阶为路径实施教学，依循精心预设的“实验之阶”“问题之阶”，可以快速甚至自发地让学生触景“生情”“生疑”“解惑”，提高学生“做中学”的效度，实现学生思维品质的精致化发展，即让学习进入真实实践，实现学习的有效进阶。

例如：进行《曲线运动的速度方向》教学时，依据图2所示“做中学”课堂进阶进程设计教学流程（如图3），学生通过视频观察：（1）旋转砂轮上的火星、观察火星颗粒飞出;（2）链球运动，观察飞出链球方向。激发问题：做曲线运动的物体运动速度是沿什么方向？为聚焦问题，设计演示实验：向旋转陀螺顶上滴红墨水，观察墨水飞出方向并描画墨水飞出轨迹（为猜想提供依据）。通过观察体验提出猜想：曲线运动的速度方向可能沿曲线的切线方向（提出假设）。为了检验猜想，进一步设计实验探究（设计可以任意改变长短的磁性塑条，实验时可不断改变磁性塑条长短，来改变沿磁性塑条做曲线运动的鼠标滚球出口位置，保留的磁性塑条位置示动，根据每次在鼠标滚球上涂上红墨水標记，记录实验信息），分析现象得出：钢球在任意曲线的导轨内运动，离开导轨时沿切线方向飞出。同时理智理论分析，佐证得出结论，最后进行实践关联和实践应用。

整个教学过程是在落实“做中学”教学策略中发生的，学生的学习是进入真实实践，行于“做中学”探究，亲历知识建构过程;是在真实情境中发现和聚焦问题并引发“解题”需要;是在“亲历”实验中获取结论的。在这一“做中学”的知识建构过程中，更为重要的是着眼于让学生体验把情境中的一段经历转化为一个物理过程，进而把情境的故事情节转化为某种物理现象，并把描述情境的文字转化为具体的物理量，把情境中需要完成的工作转化为相应的物理问题要求来表征，把问题中的实际情境转化为解决问题的物理条件。正如杜威所言：“一切反省的探究都是从一个问题的情境出发的，而且这种情境不能用它本身来解决它自己的问题。只有把这个情境本身所没有的材料引入这个情境之后，这个发生问题的情境才转化而成为一个解决了问题的情境。”[10]进而提高学生物理学科的关键能力和必备品格，同时伴随内化形成稳定的物理观念的“副产品”。

通过观察、比较、分析、综合、抽象、概括、判断、推理、类比、归纳等物理思维方法，实施对实验“阶”引发冲突的问题“阶”的思考，从而引领学生主动思维，促进学生灵感生成，培养科学思维。教学设计将知识融入实验“阶”的情景，情景隐含问题“阶”，通过有效的设疑与引思，展开求知的生动过程，将“情景串”变成“问题串”，用一个个连续的实验情境和问题“阶”将学习的起点和终点连接起来。用问题“阶”为学生思维定向，在真实实践的情景中（做中学）激活学生的思维;用问题“阶”帮助学生妙悟知识的真谛，用问题“阶”对教与学进行及时诊断与反馈，基于物理学科特点，用实验“阶”激发“问题”，用问题“阶”引领思维，使物理教学立于“元问题”，行于“做中学”，为学生深度学习物理铺设有效的学习路径。

参考文献：

[1]张飞.指向物理核心素养的教学目标分析与设计[J].中学物理教学参考， 2018（10）：5.

[2]王帅.国外的高阶思维及其教学方式[J].上海教育科研，2011（9）：31.

[3]张飞.基于实验情境驱动 发展高阶思维能力[J].中学物理教学参考， 2016（10）：19.

[4]邢红军.原始问题教学：物理教育改革的新视域[J].课程教材教法， 2007（5）：53.

[5]曹玉芳.物理问题与“问题教学”的相关探讨[J].教育研究与评论（中学教育教学）， 2010（6）：67.

[6][7][8][10]邹红军，柳海民.杜威的“探究认识论”与探究学习[J].全球教育展望，2018（5）：63，64，65，66-67.

[9]丁道勇.警惕“做中学”：杜威参与理论辩正[J].全球教育展望， 2017（8）：19-20.