基于批判性思维的物理学科素养培养的教学实践

肖建华

(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

1 缘起:“仁川宣言”引发的思考

随着大数据时代的到来,许多国家的教育已经把目光转向了人,转向了提升人的批判性思维和创造性能力．纵观世界各国应对未来教育的纲领性文件,几乎毫无例外地提到了“批判性思维”．2015年5月,联合国教科文组织在韩国召开的“世界教育论坛”,发表了《2030年教育:迈向全纳、公平、有质量的教育和全民终身学习》,即“仁川宣言”．这个宣言明确提出,未来的教育要确保全纳、公平、有质量的教育,增进全民终身学习机会;确保所有人打下扎实的知识基础,发展创造性及批判性思维和协作能力,培养好奇心、勇气及毅力．可见,“批判性思维”作为人的重要素养之一已经成为一种共识．那么,什么是批判性思维,在教学实践中应如何将批判性思维聚焦于高中物理学科素养?这是一个值得广大教育工作者深思的问题．

2 思索:以“知情、探析、求真”融于批判性思维的内涵

2.1 批判性思维的涵义与特点

到目前为止,批判性思维的定义仍在不断更新．美国学者摩尔和帕克对它的定义为:批判性思维指人对接受或拒绝任何事物、或对某种说法存疑的谨慎的、深思熟虑的决定,以及接受或拒绝某事物时的自信程度．[1]其核心在于经过独立思考,对知识审慎的分析、评价,从而得出自己的认知,能够自我反省;反对盲从、反对不加思考即对知识进行囫囵吞枣,要具有质疑精神．批判性思维的内涵是个体运用归纳推理、演绎推理的方法对问题进行效度化思考,是高级的思维素养,是科学精神的集中体现．[2]需要个体对整体各部分进行系统思维, 有效分析、评估、比较各种证据和观点,在审慎解析和分析的基础上得出相关结论．

2.2 基于学科特点的批判性思维的培养策略

批判性思维,即批判质疑,要求学生具有问题意识;能深度思考、综合判断;思维缜密、辩证分析;对于实际问题做出选择和决定．作为核心素养的关键词之一,批判质疑直指当前教育改革的难点和痛点．

在科学性特点显著的高中物理教学中,知情、探析、求真3个维度能较为有效地渗透批判性思维的培养．精确认知物理学科的文化基础知识,谓之“知情”;以实验为基础、数据等为论据进行探究分析、推理构建,谓之“探析”;以需要解决的实际问题为背景,进行问题本质的探索求真,谓之“求真”．文献查阅、实验验证、数据分析、理论探究、概念构建、专题讨论等,是开展教学实践的主要手段．

3 探寻:以批判性思维探微学科素养培养的教学实践

批判性思维最大的特点就是质疑与反思,把知识的表象和本质区分开来．批判性思维首先是一种认知活动,运用多种思维技巧和方法进行质疑、分析和评价的认知活动,只有反思性的思维活动才是批判性思维．反思性的思维就是要在质疑的基础上进行,其认知活动过程如图1所示.

图1

因此,以批判性思维培养学科素养的教学过程,就是要在充分进行质疑的基础上提出问题,进而细致地对问题进行分析并最终解决问题．

3.1 以批判性思维的养成培养知情的决策者

知情,即能正确理解物理现象的本质及物理概念、规律的内涵．物理学科中,通过对能引起认知冲突的问题的分析及深度解读,在物理观念的形成过程中,落实核心素养．

例1.在研究地球的公转时,地球能看作质点吗?

观点1:不能看作质点．因为质点是指可以忽略大小体积形状、只有质量的物体,地球体积很大,不能忽略,因此不可以看作质点．

观点2:可以看作质点．因为在研究地球公转时,虽然地球很大,但其体积形状对研究问题的影响可以忽略不计,因此可以看作质点．

教学反思:在研究某些实际问题时,为了使实际问题简化,我们往往会抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,尽可能把复杂问题简单化.这是物理学上经常用到的一种研究问题的方法——科学抽象．质点,是高中生接触到的第一个理想化的物理模型．模型建立的过程,渗透着科学思想方法的形成．我们发现,在研究某些运动问题时,我们往往可以忽略物体的体积和形状,而把物体简化为一个有质量的点,我们把这样的点叫做质点．质点就是抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的理想化模型．因此,物体能否看成质点,关键要看所研究问题的性质,当物体的大小和形状对所研究问题的影响可以忽略不计时,可视物体为质点．注意: (1) 不能简单地认为很小的物体就可以看作质点,很大的物体就不能看作质点．如上例中研究地球绕太阳的公转,地球就可以看成质点．(2) 同一个物体在有些情况下可以看作质点,而在另一些情况下又不能看作质点．如:一列火车从北京开往上海、在研究运动时间或运行速度时,就可以把它看作质点;若计算它通过某座大桥所需时间时,则必须考虑火车的长度,就不可把它看作质点;若要研究车轮的转速,也不能把火车看作质点．因此对质点这一概念的批判性认知上,更倾向于具体问题具体分析．

教学反思:加速度是贯穿整个高中物理教学的最基本和最重要的概念,也是教学的难点．由于加速度是描述速度这一矢量变化快慢的物理量,具有一定的抽象性,何况在学生的生活经验中没有与加速度相关的知识．因此,在教学中可以通过实例组织学生思考讨论几个问题: ①“速度大”、“速度变化大”和“速度变化得快”所描述的运动是不一样的; ② 做变速运动的物体有的速度变化快,有的速度变化慢; ③ 研究物体速度变化的快慢是有意义的;④ 需要引入一个物理量来描述速度变化的快慢．这样,学生对为什么要研究这个问题从而引入比值法来定义加速度(包括问题是怎样提出来的);怎样进行研究(包括有哪些主要的物理现象、事实,运用了什么手段和方法等);通过研究得到怎样的结论(包括加速度是怎样定义的,数学表达式怎样);加速度的物理意义是什么(包括反映了怎样的本质属性,适用的条件和范围是什么);加速度这个物理量有什么重要的应用等,都有了清晰的认识．像这样在建立物理量的时候,交代物理思想和方法,搞清概念表达的属性,从量度公式中理解它们的物理过程与物理符号的真实内容,不因数学符号的形式化而忽视物理量的丰富内容,为以后运用比值法定义物理量打下了良好的基础．

3.2 以批判性思维的运作,培养探究与分析的思考者

探析即通过实验探究或理论分析得出相关结论,并能解决问题．在物理学科教学过程中,以实验为载体,自主发现问题,质疑反思,辅助以论证推理和理论分析,以此解决问题．从而在“自主发展”维度方面论证推理、实验探究,培养科学素养．

例3.“电源内阻”的教学时,先用1节干电池给小灯泡供电,小灯泡发光了．再串联1节旧的干电池(电源电动势大约1.2 V,内阻比较大)给小灯泡供电,猜想小灯泡的亮暗变化情况．

学生们几乎是异口同声:“会变亮”．真的会变亮吗?事实是变暗了!怎么回事?

教学反思:电源内阻是一个非常抽象的概念,学生理解起来比较困难,因为学生缺少经验和体验,而且初中阶段对“电源电压是恒定的”已经深入人心了．为了消除学生对“电源电压保持恒定”这个错误观念的认识,笔者设计了上例中的实验．面对出乎意料的实验现象,学生已经完全不能用已有的知识和经验来解释,就会对“电源电压保持恒定”产生怀疑和反思,同时暴露出原有认知的缺陷和不足,急需对原有的认知结构进行调整和完善,这样就极大激发了学生“追根溯源”的内驱力,有效培养了学生质疑反思的批判性思维能力．此情此景下,再引导学生深入分析灯泡变暗的原因,对电源内阻的理解就变得容易多了．

例4.在“研究影响平行板电容器电容大小的因素”的实验中,静电计测的是极板间的电势差还是极板所带的电荷量?

很多学生都认为静电计测的是极板所带的电荷量．理由是:① 验电器测的就是电荷量,静电计和验电器结构几乎相同;② 极板间的电势差即电压应该由电压表测量．

教学反思:为了解决学生中的一些似是而非的观念,就必须引导学生弄清楚几个关键问题．① 静电计是由验电器改装而来的,本身其实就是一个电容器,金属球(含金属杆、指针)相当于电容器的一个电极,金属外壳也相当于一个电极,它们之间是绝缘的．其电容的大小由金属壳的几何尺寸的大小和金属杆及指针的长短、位置所决定．指针的张角变化对静电计的电容的影响很小,故在指针转动过程中可近似认为静电计的电容值不变．② 本实验中,将平行板电容器与静电计并接,平行板电容器的电容远大于静电计的电容,从平行板电容器上迁移到静电计上的电荷量极小,可以近似认为平行板电容器电量不变．③ 电压表工作必须有电流通过,而静电计指针的张角取决于其电荷量q,据q=CU,可以认为静电计电容不随张角而改变,那么,其电荷量与电势差成正比,又由于静电平衡时静电计两极板上的电势差与平行板电容器相等,因此静电计指针的张角取决于平行板电容器两极板上的电势差．当静电计指针张角变大时,说明平行板电容器的电势差变大,反之则变小．这样就实现了用静电计定性测量电势差的功能．

3.3 以批判性思维的实践,培养求真的探索者

物理的“求真”,是指追求与探求真实的、与物理客观事实相符的思维与活动,它是科学素养的重要组成部分．物理作为与社会生产生活联系最为紧密的学科之一,在教学中用科学的方法激发学生的求真意识,培养学生的求真精神,普及基本的科学素养,培养敢于求真、勇于创新的探索能力,这份责任义不容辞．

例5.要认识原子核内部的情况,必须把核“打开”进行“观察”．然而,原子核被强大的核力约束,只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击,才能把它“打开”．那么怎样才能获得高能粒子?

观点1:利用电场加速,设计如图2所示．

自我质疑:要获得高能粒子,就必须尽量提高加速电压,但实际能达到的电压值总是有限的,用单级电场加速粒子,获得的能量不够大,只能达到几十万eV至几MeV．如何突破电压限制,使带电粒子获得更大的能量?

图2 一级加速电场

观点2:多级电场加速,如图3所示,这样每个电场的电压不必很高,就可使粒子获得足够大的能量．

自我质疑:按图3所示的方案,真能实现多级加速吗?

观点3:这个方案不可能获得高能量的带电粒子.从图3可以看出,在相邻两级加速电场的中间,还夹着一个反向电场,当带电粒子通过它们时,将会受到阻碍作用．如何消除减速电场的影响?

观点4:可以采用静电屏蔽．用金属圆筒代替原来的极板．这样,既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场,又使得圆筒内部的场强为0,从而消除了减速电场的不利影响．如图4所示．

图4 多级加速电场(毛胚2)

观点5:为了简化装置,我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压,如图5所示．

图5 完善后的多级加速电场

自我质疑:如果我们要加速一带正电的粒子,若电源的极性保持恒定(始终为A正B负),你认为这个粒子能够“一路顺风”,不断加速吗?

观点6:不能．为了实现带电粒子的多级加速,应该采用交变电源,使粒子进入每一级都能继续加速．并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契,步调一致,即要满足同步条件．这就是直线加速器的设计方案及原理．

自我质疑:直线加速器固然有其优点,但它的设备一字儿排开,往往显得拖沓冗长．能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速,又不必增加设备长度的方法?

观点7:利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点,可使它重返电场,再次加速．

于是,回旋加速器的设计就在学生的自我质疑、自我反思、自主探索中完成了．

教学反思:疑问是思维的源头,问题是探索的中心．教学中,把教材内容有机地划分成若干个探究阶段,让学生自我发现问题、尝试性地提出解决问题的方案,自我评价,自我质疑,自我改进．在整个过程中,思路由学生讲,优劣由学生辨,解决问题方案由学生提,既有学生的积极参与、拾级攀登,又有教师的点拨引导、及时调控.通过师生双边的信息交流,不断地将教学活动引向深入,使学生在获取新知的同时,还亲身领悟到科学研究的思想方法,进一步培养了他们的科学素养．

4 结束语

学科素养在学科教学中的实践是一个逐步发展逐步成熟的过程,需要多层次、多维度地探索才能落实．在物理学科教学中,课前多论证教学设计,增强理性思维;课堂上多倾听学生的观点,获得值得质疑反思的问题案例;课后多反思自己的教学过程,提升能力．特别需要关注创设能引发深度思考的课堂问题情境,以“知情”的状态、“求真”的态度、“探析”的方法,最终实现学生的批判性思维、创新精神和实践能力的培养目标,以及教师教育教学水平和质量的全面提高．