基于问题解决的科学思维培育策略

赵 莹

(江苏省无锡市辅仁高级中学，江苏 无锡 214123)

1 真实问题与常见问题

目前对问题的定义比较认可的是美国学者厄尔和西蒙所总结的定义,他们认为问题是这样一种情境:个体想做某件事,但不能马上知道完成这件事所需采取的一系列行动．[1]无论问题简单或复杂、抽象或具体、持续的时间长或短,每一个问题都包含3种成分(如图1所示)．

图1 问题的3种成分

按照问题的组织程度可以把问题分为结构不良问题(具有不明确的目标、条件和解答,又称为开放性问题)和结构良好问题(具有明确的目标、条件和解答,又称为封闭性问题)．真实问题则是指与生产生活实际直接相关联,往往属于结构不良问题．例如,“采取哪些措施,可以增加高速行驶汽车在紧急制动情形下的安全性”．单学科和跨学科结构良好的问题常被合称为常规问题,它也是学生在学习过程中最常遇到的问题．例如,“一辆以30 m/s匀速行驶的汽车,以2 m/s2加速度刹车,车能运动多远”．本文主要探讨,如何在解决真实问题和常规问题的过程中,提升学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维能力．

结构不良问题的解决可分为7个阶段(如图2所示),结构良好问题的解决可分为4个阶段(如图3所示)．[1]

图2 结构不良问题的解决步骤

图3 结构良好问题的解决步骤

2 借助问题解决提升学生科学思维能力的策略

2.1 借助真实问题解决,提升学生科学思维能力

2.1.1 借助真实问题解决,提升学生科学思维能力的案例

下面是笔者在课堂上的一个教学案例．原文为近500字的新闻报道,限于篇幅,笔者已剔除案例中部分与物理无关的信息．因为剔除信息的过程就是信息进行甄别、提取、局部表征的过程,而这些都是整体表征问题的前提,所以老师在实际课堂呈现给学生的应是案例的全文．

例1. ……发生一起恶性交通事故．一辆卡车急刹车,车上的水泥管却因惯性冲破挡板压扁了车头,司机被压在驾驶室中,当场毙命……据目击者介绍……车速并不快,行至沪闵公园门口的斑马线时,有几个行人从马路对面走来,卡车为避让而紧急刹车……大卡车上满载着6根长达十几米的水泥管子,却没有任何捆绑措施．其中的两根管子向前移动了近一米,整个车头已被完全压扁……为避免事故发生,请给驾驶员一个合理化的建议．

图4 真实问题解决实例

这是一个典型的真实问题,其结果有一定的开放性,笔者按照图4所示思路引导学生．学生经过一段时间的问题表征(局部、整体)、科学推理、科学论证后,形成了不少论证结论,典型的结论可小结为:降低车速,避免紧急刹车;将水泥管捆扎牢,增大水泥管与驾驶室间的距离;提高驾驶室后侧挡板的强度;注意观察路上情况,及时发现险情;生命至上的安全意识．学生还有很多创意,比如设计防滑垫、为驾驶室后侧挡板增加防撞缓冲装置、开发报警系统等等,这些都体现了他们一定的创新能力潜质．

2.1.2 借助真实问题解决,培育科学思维能力的范式

每一个真实问题解决的过程几乎都包含了模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维的各个方面．怎样借助真实问题的解决,更有效的培育学生的科学思维,笔者概括出了一个教学的范式(如图5所示)．这只是范式,并非一个严格的固定模式．

图5 借助真实问题培育科学思维能力的范式

2.2 借助常规问题解决培育科学思维的几点建议

常规问题是教学中最常见的问题,其在培育科学思维能力方面的作用不言而喻．关于此类的研究和文献也不少,笔者在此不再全面展开,仅提几点建议,供参考．

2.2.1 问题呈现适度“情境化”,提高学生表征问题的能力

学生今后的学习与生活中将会面对很多前所未有的、复杂的、不确定的问题场景,创造力是21世纪的必备品格．近年的高考考题与生产、生活紧密联系的趋势非常明显,考题也经常以情境化的方式呈现．情景化的问题里面蕴含着大量潜在的信息,什么有用,什么没用,都是不明确的,学生能够进行甄别,并把它提炼出来、组织起来,也是素养的表现．问题的答案可以存在一定的开放性,长期封闭性问题的练习,易使学生的思维形成一定的局限性,会影响对他们质疑创新能力的培养．

2.2.2 循序渐进建构模型,铺设解决问题的底层支架

模型建构是根据研究问题和情境,在对客观事物进行抽象和概括的基础上,构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程．在面对问题时,学生要能从复杂的情境中正确的表征问题,学会用联系的眼光看待事物,学会正确归因,选用合适的物理模型解决问题．建构模型有助于学生学会抓住事物的关键要素,加深他们对概念、过程和系统的理解,形成系统思维．

例2.斜面—滑块模型是高中物理中最常见的模型之一．通过此类问题的解决,可以提高学生灵活应用隔离法、整体法解决问题的能力．图6甲所示,当斜面静止时,滑块分别处于:静止→匀速下滑→匀加速下滑等三种状态,讨论斜面和地面之间的摩擦力问题．在此基础上,再讨论图6乙所示,当小球与车厢相对静止时,按照斜面光滑和不光滑两种情况,分别讨论绳子与竖直方向夹角α和斜面倾角θ之间的关系．解析从略．

学生在解决新场景问题时,总会自觉或不自觉的应用已有的认知去表征问题、归类问题、寻找解决问题的图式,而模型建构教学则为此做好了最基础的思维准备．模型是转变、迁移的前提,是万变不离其宗的思维锚点,教师应该为转变而教、为迁移而教．经过梳理,笔者列出高中物理关于模型建构教学的部分实例,供参考．

2.2.3 借助函数思维的培育,提高学生科学论证的能力

以函数思维来审视物理中变量之间的关系,往往能够化难为易、化繁为简,起到事半功倍的作用,不但能提高学生的知识迁移能力,而且可以开阔学生的视野,加强学生对物理学习的深度,激发学生的兴趣．若在函数思维培养过程中常用一些函数术语进行教学,对教学过程进行的“显性化”处理,则学生遇到类似问题应用函数思维的“敏感度”会提高．常用的术语如:“自变量”、“应变量”、“表达式”、“定义域”、“值域”、“分段函数”及“函数的单调性”等．[3]

例3.人造卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为r,线速度为v,周期为T,要使卫星的周期变为2T,可以采取的办法是

(B)v不变,使轨道半径变为2r.

(C) 使卫星的高度增加r.

答案选(D),详解从略．解决该问题的关键是,关系式中分子上的物理量与分母上的物理量是独立量(一个物理量的变化不会引起其他量的连锁反应),还是关联量(与独立量相对)．在说一个物理量(应变量)与其他物理量(自变量)间是什么关系时,要保证一个自变量变化时,其他自变量能保持不变,即符合控制变量法的要求．由于知识水平和看问题的角度所限,学生容易犯上述错误,教师在教学中时常指导学生检验表达式中各自变量的独立性．

2.2.4 指导学生学会估算,提高学生科学推理的能力

图7

在讨论定量问题时,未必所有问题都是越精确越好,有时是没有必要,有时是不可能,也有时是既没必要也不可能．在研究某些问题时,甚至我们只要知道数量级即可以,如用油膜法估测分子的大小,应用万有引力定律估算天体间的距离等．矛盾论的哲学原理告诉我们,只有忽略次要矛盾,突出主要矛盾,抓住矛盾的主要方面,才能利于对问题的整体把握．

例4.一个小石子从离地某一高度处由静止自由落下,某摄影爱好者恰好拍到了它下落的一段轨迹AB.该爱好者用直尺量出轨迹的长度,如图7所示.已知曝光时间为10-3s,则小石子出发点离A点约为

(A) 6.5 m. (B) 10 m.

(C) 20 m. (D) 45 m.

虽然绝大部分学生选择了正确答案(C),但笔者在讲评的过程中,仍组织学生对这个问题进行了深入的探讨．首先,笔者在黑板上呈现了学生中几种常见的解法(略),其共同缺点是步骤较繁、运算量大;然后,笔者直接用AB段的平均速度代替A的速度,去求OA的间距;最后,笔者再问学生这种解法“靠谱”吗?不少学生第一感觉这样的做法有“瑕疵”,但就结果而言,好像还是可以接受的．[4]

2.2.5 借助物理学史中重大的“破与立”实例,培育学生质疑创新的精神

物理学不少规律的发现都经历了漫长而曲折的过程．通过此类问题的讨论,可以帮助学生竖立敢于质疑、勇于创新、不迷信权威的科学精神．

例5.人类在天体运动规律方面的认识,经历了“地心说→日心说→第谷的天文观测→开普勒三定律→万有引力定律”等阶段,其中布鲁诺为了日心说甚至付出了生命的代价;人类对电与磁关系的认识,经历了“电和磁各自独立发展阶段→奥斯特对电流磁效应的研究→安培对安培力的研究→法拉第发现电磁感应现象→麦克斯韦方程组的建立”等阶段;人们关于光的本性认识,经历了“光的粒子说→光的波动说→粒子说与波动说的争论阶段→光子说→光的波粒二象性”等阶段,其过程也是一波三折．[5]

3 结语

学生是社会主义事业的建设者和接班人,今后会面对各式各样的“问题”,而科学思维则是顺利解决这些“问题”的核心素养之一,其中的质疑创新精神对民族复兴更是至关重要,值得大家共同努力!