浅谈高中物理课堂经历科学思维的任务式教学

唐黎明

(上海市宝山区教育学院，上海 201900)

1 聚焦科学思维

教育部制定的《普通高中物理课程标准(2017年版)》[1](简称《标准》)，正式提出了高中物理课程核心素养的4个方面，它们分别是物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任.

物理核心素养的4个方面是紧密联系的.就一节物理课来说，物理知识方面的目标教学是显性的，作为学习机智伴随着的科学思维是隐性的、无法回避的，而物理观念的形成是以物理知识的习得为基础，所以物理观念与科学思维联系在一起；科学探究是一种学习方式，由于“效率”的原因，尽管一节课不可能经历完整的科学探究程序，但可以经历其中的某个或某些科学思维环节，因此科学探究也是离不开科学思维的，科学思维是科学探究中不可缺少的元素；在课堂上呈现以科学态度与责任为背景的物理事实性材料，通过这种事实性材料我们期待能潜移默化地提高学生科学态度与责任方面的品质，显然这些事实性材料是建构物理知识的基础，由此，又可以将物理观念和科学态度与责任联系在一起.所以在物理课堂教学中不可能将物理核心素养的4个方面绝对地分开或孤立，它们应该联系在一起.

虽然物理核心素养的4个方面如此紧密地联系在一起，但我们仍应当厘清它们之间的关系.就上面分析的科学思维和物理观念、科学探究的关系来看，科学思维相对于物理观念和科学探究的习得来说是一种先决性的学习条件，不具备一定科学思维素养的人要习得物理观念和科学探究素养是有困难的；对于科学态度与责任的习得也是需要以一定的认知能力为前提条件的，这种认知能力主要就是科学思维素养，所以物理核心素养的4个方面中科学思维是能全面促进其他3个方面学习的，是最具有前提性的地位，其他3个方面的学习都是离不开科学思维素养，抓住了“科学思维”，其他3个方面就迎忍而解了.

就某一节课来讲，或许科学探究素养作为教学重点是合理的，但是从常态的课堂实践意义上来讲，科学探究素养是最有价值的吗？无论你是否意识到，平时的每节物理课几乎都需要科学思维起作用，也就是说科学思维教育可以常态地进行.郅庭瑾认为“大量的事实和科学研究成果已经证明了思维训练的有效性，亦即思维是可以教会，能够通过教育得以改善和提高的”，并提出“为思维而教”.[2]朱智贤和林崇德认为思维是人脑对客观事物的本质和事物内在的规律性关系的概括与间接的反映，[3]《标准》指出科学思维是从物理学视觉对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，所以科学思维是思维的一种特殊形式.既然思维可教，那么科学思维也可教.

总之，对于物理核心素养教育我们以科学思维素养的落实为抓手是合理的，当我们找到了一种有效的科学思维素养教育路径，那么就可以常抓不懈，学生科学思维素养的提升，必将为物理观念、科学探究和科学态度与责任的教育开劈道路，创造条件.那么如何在高中物理课堂上开展科学思维教育呢？笔者认为“高中物理课堂经历科学思维的任务式教学”可以解决这一问题.

2 经历科学思维，锤炼科学思维素养

从《标准》对科学思维的定义来看，科学思维存在于物理知识的获取和运用过程中，只有通过物理学习才能经历科学思维，只有通过反思物理学习过程才能考查其中的科学思维，在物理教学中有意识地引导学生“经历科学思维”是科学思维教育的必由路径.[1]“科学思维教育主要不是靠传授，而是要靠学生自己去经历和体验，不能把科学思维当作知识来接受，不能只当旁观者，要主动投入到知识建构的全过程中.”[4]这些观点同样表明，科学思维教育必须通过物理知识建构的过程去实现.

就《标准》阐述的课程结构来说，宏观上有必修课程、选择性必修课程和选修课程，这3类课程性质是从学业结构上来划分的，而每一类课程下的“模块”实际上是高中物理知识的内容模块.这些“模块”并不反映物理核心素养的内容结构.物理核心素养的点滴内容是依附在具体物理知识内容上的，也就是说《标准》并没有给出物理核心素养的系统的具体内容.《标准》的意图是物理核心素养的教育要通过物理知识的系统学习来实现，物理教学是物理核心素养教育的途径；学生通过经历物理学习，来经历物理核心素养的锤炼，以达到《标准》倡导的物理核心素养教育的课程目标.基于《标准》的这样一种结构和意图，当我们要关注物理核心素养中科学思维教育时，就不得不采用在物理教学中以“经历科学思维”的方式来培养科学思维.

3 学习任务承载科学思维

那么以怎样的方式让学生来经历科学思维呢？让学生完成承载科学思维的学习任务，是经历科学思维的一种有效教学方式.例如，关于“振动”概念教学所设计的2个学习任务如下.

学习任务1： 在图1-图4中各振动物体有什么共同的运动特征？将结论填入表1中.

表1 学习任务1

图1 振动的琴弦

图2 振动的音叉

图3 煽动的翅膀

图4 摆动的钟摆

学习任务2： 我们所说的振动是一种怎样的运动？将结论填入表2中.

表2 学习任务2

面对这2个学习任务，在课堂上让学生有足够的时间独立思考，抑或在教师的引导下可以分别得到解答如表3，表4.

表3 学习任务1的解答

表4 学习任务2的解答

反思这2个学习任务的解答过程可知，它们分别承载了抽象和概括的思维形式，完成这2个学习任务的过程就是经历了这样的思维过程，学生不仅主动建构了振动概念，而且也经历了抽象和概括的思维训练.

可见，在达成物理知识目标的过程中相应的思维性的学习任务是必不可少的.当学生不经历这样的学习任务，是不可能习得这一物理知识的.学生不经历抽象和概括，就不可能习得振动概念，再如学生不经历求同差异法的归纳推理过程，就不可能习得闭合回路中感应电流产生的条件，等等.[5]为了能够在课堂上让学生积极、自主地思考起来，对于依附实现物理知识目标的科学思维教育，就应该以物理知识形成过程为考察对象，设计相应的学习任务，通过完成学习任务，一方面习得相应的物理知识，另一方面体验具体的科学思维.

通常来说，经历单一思维环节很少就能实现课堂知识目标.为了实现课堂知识目标，教师需要对实现知识目标的思维过程进行详细分析，合理规划各思维环节，并将这些思维环节嵌入想要设计的系列学习任务中.这些系列学习任务实际上是引导学生发现物理知识的系列学习活动“路标”，或许有人认为这些“路标”是教师设计的既定学习路径，不利于培养学生的自主探究精神，这样的担忧不是没有道理的.针对不同的教学对象和不同的物理知识目标，把握好“预设”的度，是解决这一问题的一种策略，“预设”的适当性正是体现了教学现象中教师的主导作用.有意识地让学生完成这种系列学习任务，和盲目地让学生“试误”相比，不仅提高了教学效率，更让习得物理知识的必要思维过程明朗化，从而使在物理知识学习的过程中同时进行科学思维的显性教育成为可能.在系列的学习任务中处于核心地位的思维性学习任务称为核心学习任务，其他学习任务为这个核心学习任务的完成起到服务的作用，相应地被称为辅助性学习任务.

4 任务式教学

当我们从承载科学思维的学习任务视角来思考高中物理课堂教学时，就有了高中物理课堂经历科学思维的任务式教学(以下简称任务式教学)的提法.所谓任务式教学是通过设计合理的学习任务，在高中物理课堂上引导学生完成这些任务，从而有意义地发现或建构需要学习的物理知识，同时经历科学思维锻炼的一种教学方式.对于教学，毫不例外地要关注3个方面：教什么？怎样教？教得如何？对于任务式教学也要明确这3方面的内涵.

教什么？回答的是教学目标问题.显然，任务式教学首先关注的是科学思维目标，它包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等目标要素.由于“人无法在真空中思考”，[6]科学思维需要通过加工物理知识才得以进行，所以科学思维目标是依懒物理知识目标的，物理知识目标是科学思维目标的源泉，只有在物理知识目标实现的过程中才能经受科学思维的锻炼，因而，任务式教学也必须关注物理知识目标.当然，任务式教学并不排斥物理核心素养方面的其他目标，实际进行的以任务式教学为导向的课堂，以物理知识目标为契机、以科学思维为学习机智、选编联系科学态度与责任的物理事实性材料和经历科学探究环节，来进行物理核心素养4方面的整合，也是可以做到的.我们把物理知识目标和科学思维目标作为任务式教学的基本目标，当从任务式教学角度来设计课堂教学时基本目标是首先应当考虑的.例如，为采用任务式教学方式的“自由落体运动”一课设计了下面4个教学目标.

目标1： 知道自由落体运动的条件，知道自由落体运动和落体本身无关，是一种初速度为0的匀加速直线运动；知道重力加速度；理解自由落体运动的3个公式(h-t，v-t和v-h公式).

目标2： 通过经历关于伽利略对落体运动研究的推理过程，感受归谬法和外推法.

目标3： 在有指导的条件下经历探究自由落体运动性质的过程，感受科学探究过程.

目标4： 通过阅读伽利略对日心说支持的史料，激发实事求是和坚持真理的科学精神.

其中目标1是关于物理知识的目标，目标2是关于科学思维的目标，目标3是关于科学探究的目标，目标4是关于科学态度与责任的目标.这4个方面的教学目标在一节课上得到了有机整合.

图5

怎样教？回答的是教学策略问题.任务式教学是发现学习原理的运用，“发现应当是一些有指导的活动，即由教师安排活动，让学生在活动中搜索、操作、探究和调查，学生进而获得与活动领域相关的新知识，还获得问题解决的一般技能.”[7]任务式教学以学习任务为“指导”手段，要求学生自主得出结论，学习任务的采用本身就代表了一种教学策略.在实际的课堂教学中，当学生面临学习任务有困难时，教师进行“打通思维”的提示是必需的，打通思维是为了让学生思维能够朝着发现目标的方向持续下去，如果将结论直接告诉给学生，那么就违背了发现的初衷.关于左手定则的教学通常会做图5-图8情景下的实验.

图6

图7

图8

在设计的实验记录单上要求学生分别记下这4次实验情况下的磁场方向、电流方向和安培力方向，并要求用实物(12根彩棒等)搭建这3个方向，4次分别搭建的结果如图9-图12所示.

图9

图10

图11

图12

接下来给出的学习任务是：判断能否通过转动图10-图12所示的装置，使得它们分别与图9重合？根据结果，你能进一步得出什么结论？

通过操作学生容易发现是“重合的”，从“重合”现象我们希望学生能进一步得出这样的结论——尽管各次实验中磁场方向、电流方向和安培力方向不尽相同，但3个方向之间有必然的联系，用其中的一个装置就能把这种关系表示出来.事实上很少有这样的学生由“重合”得到类似的领悟，并能有较好的表达.这就需要教师通过言语引导思维，例如，转动装置时尽管改变了磁场、电流或安培力的实际指向，但改变了这3个方向之间的关系吗？“重合”表明了4个装置各自反应的这3个方向之间的关系相同吗？“重合”表明了这4个装置可以相互替代吗？这些设问引导学生从注意3个方向的实际指向，转移到注意3个方向之间的关系上，并指导大部分学生能成功地发现“3个方向”之间有确定的关系.当学生都领悟到了这种方向关系，接下去的教学环节就是如何表述这种方向关系的问题，对于学生来说，左手定则只是用来表述这种方向关系的一种可选择的描述.这就是一个任务式教学的典型例子，在本例中学生不仅习得了左手定则，而且经历了求同法的推理方式.[5]

教得如何？这是一个教学评价问题，可以从任务式教学实施的过程和结果来评价.为了确保在课堂上实际进行的任务式教学按既定要求贯彻，需要对设计的学习任务进行评价，又需要对任务式教学过程进行评价.学习任务评价关心收集与所设计的学习任务有关的信息，任务式教学过程评价关心在任务式教学发生时收集与教学活动有关的信息.为了判断任务式教学的有效性、是否需要调整任务式教学策略等，为任务式教学研究提供最直接的价值参考，需要进行课后作业评价，课后作业评价需要收集与针对任务式教学所设计的课后作业有关的信息.为了方便地实施任务式教学评价，分别开发了3个评价量表工具：学习任务评价量表、任务式教学过程评价量表和课后作业评价量表，如表5-表7所示.

这3个评价量表都可以作为任务式教学设计的行动指南，是教学设计者自评的依据.作为同行来说，通常在观察课堂教学时使用前2个评价量表，课后使用第3个评价量表，由3个评价量表各自获得的信息，可以对一堂实施任务式教学的课进行综合性的评价.

表5 学习任务评价量表

评分说明：10分～8分为好；7分～5分为较好；4分～1分为一般.

表6 任务式教学过程评价量表

评分说明： 10分～8分为好；7分～5分为较好；4分～1分为一般.

表7 课后作业评价量表

评分说明：10分～8分为好；7分～5分为较好；4分～1分为一般.

5 任务式教学的价值

任务式教学将促进教师在备课时关注物理知识建构的思维过程，避免了教师在思考教案宏观结构的同时，疏忽了教学过程中学生思维任务的细节安排，避免了教师在课堂中即兴发挥可能产生的无效或失误.任务式教学设计将为传统备课注入新的元素，基于任务式教学设计的高中物理课堂实践形态开展起来，将促进教学观念由重结论、轻过程向重过程和重结论的转变.

任务式教学将安排学生自主完成学习任务，他们会亲历科学思维，体验物理知识获得的成就感，这将极大地激发他们的求知欲和学习热情.所以，持续成功地开展任务式教学不仅让他们磨砺了科学思维，获得了丰富的物理知识，而且培养了他们探究物理的志趣.

任务式教学的研究将揭示高中物理教师专业性的一种标志——对建构某一物理知识必要思维的鉴别能力.不少学生没有学懂物理，很可能是没有经历这种建构物理知识的必要思维过程.我们可以要求高中物理教师对某一物理知识形成的必要思维进行鉴别，并能够将这种思维由所设计的学习任务来承载，善于完成这种学习任务设计的教师，我们认为他具有较好的物理教师专业性，所以评价这种学习任务可以作为判断高中物理教师专业化程度的一个方法.

任务式教学抓住了物理核心素养中的关键方面——科学思维，排解了物理核心素养教育在实践中的疑难点，将为物理核心素养全面走进课堂提供实质性的突破口，为物理核心素养教育的实践提供一种有效的、新颖教学方式，我们将期待任务式教学的实践研究成果.