物理教学思想的价值取向下提升学生动手操作能力的困境与路径

李海权,崔海波

(玉林师范学院,广西玉林,537000)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称课程标准)明确指出,物理学引领着人类对自然奥秘的探索,深化着人类对自然界的认识,通过科学观察、实验探究、推理计算等形成系统的研究方法和理论体系,引导学生经历科学探究过程,学习科学研究方法,养成科学思维。[1]科学探究是培养学生科学思维的有效途径,也是学生认识物理、认识自然、认识未知世界的重要形式。科学探究离不开主体的动手操作,动手操作贯穿科学探究的始终。因为动手操作能力很大程度上影响了科学探究能力,所以培养学生的动手操作能力尤为重要。本文以初中物理为例,分析学生动手操作能力的不足之处,探究提升学生动手操作能力的路径。

一、物理教学思想的价值取向

在课程标准的指导下,结合学生的心理认知规律和教师教授的有效性,物理教学思想呈现出整体性、时代性、连续性、情境性和探究性等价值取向。

(一)整体性

整体性是指与物理教学密不可分的各种关系的总和,主要是物理教学与课程标准和学生身心发展水平之间的关系。课程标准是物理教材编写的总体性要求,是物理教学的指导性文件。课程标准引导教师教什么,如何教。与此同时,教学是复杂的过程,课程标准给出了具体方向,但在具体教学中,学生的认知能力、教师的教育教学水平都会影响教学效果。例如,人教版初中物理(2012版)(下同)的第一章内容是机械运动。“机械运动”是对小学数学中的物理入门内容“路程与速度”内容的衔接、课程标准的要求和学生身心发展水平而设定,故不是内容更为抽象的“电流和电路”。电流和电路等抽象内容应在学生的知识积累较为充分、身心发展较为成熟时以具体形象的教学方式讲授。在学生的不同阶段讲授不同的内容并不是随便设定的,而是受整体性制约。换言之,物理教学中的每一个细节都应从整体性出发,在物理教学和课程标准、学生身心发展水平中找到一种动态平衡,有效地提升物理教学的系统效能。

(二)时代性

时代性是指物理教学应紧跟时代的发展,基于经典知识与时代热点的结合,及时将物理理论应用于生活、科技和社会中,并在社会进程中不断完善相关理论。时代性要求课程标准教学内容和教学方法的更新。例如,教材第十章“生活用电”、第二十一章“信息的传递”、第二十二章“能源与可持续发展”分别从生活、科技、社会角度体现了物理知识是跟随时代的更新发展的。从当前的政策标准及研究来看,课程标准更注重过程性、探究性的学习,还关注新能源、新生活、新科技的进展。教学方法更注重可视化与虚拟化的融合。例如,近几年开展的空中课堂无疑是对物理教学可视化和虚拟化的最好呈现。这些都折射出了强烈的时代感。

(三)连续性

连续性是指物理理论在小学、中学和大学的各学段上的连续,在学生的学与教师的教之间的连续。具体表现为物理文化的连续、教学内容的连续、学生认知过程的连续和教师教学方法的连续。换言之,连续性是引导教学应该先教什么、再教什么,先用什么方法教、再用什么方法教等顺序关系的操作过程。此外,知识逻辑关系和主客体关系的连续是同时发生的。例如,教师在教授第二十章“电与磁”内容时,更应注重学生的做中学和学中做的主体性;教材仅是教师最重要的材料客体,而不是教学的唯一参考;学生也需在实践中意识到自己学习的主体性,修正主客体关系和知识逻辑关系,将各种关系寓于具体的实践中。

(四)情境性

物理教学离不开具体环境,环境主要包括自然环境和人为环境。自然环境具有被选择性,教师需要选择最适合物理教学的环境。人为环境具有客观性和主观性,客观上课程标准规定了人为环境的内容;主观上教师的选择决定了人为环境的呈现方式和组织结构。例如,在第五章第5节“光的色散”中以彩虹为主题,教师在教授光的色散时可以选择真实的彩虹作为现实性情境(需要彩虹的天气实况方可授课),也可以利用“三棱镜或水+平面镜”模拟彩虹作为迁移性情境,还可以基于多媒体技术呈现彩虹作为虚拟性环境。此外,如果学生对光的色散较为熟悉(例如是一节光的色散复习课),教师在讲授该内容时可以采用口头描述的方式,勾起学生记忆中的彩虹,则该情境可称为想象性情境。

(五)探究性

探究即探索研究,探究原因。探究是对事情的原因、真相和问题的进一步探索追究,以期揭示因果关系。[2]基于物理教学特征,探究性可理解为在物理教学中探索物理现象与本质关系的逻辑推理过程。该逻辑思维过程包含以下五个步骤:感受到困难—困难的定位和定义—想到可能的答案或解决办法—对联想进行推理—通过进一步观察和实验肯定或否定自己的结论,即树立信念或放弃信念。[3]例如,在串联、并联的电路教学中,教师可以引入现实中的电路情境,对电路设计的困难进行具体描述,引导学生动手操作实验(给学生提供电阻、小灯泡和电池等实验素材),让学生合理且自由地猜想、推理,并得出相应结论。探究是一个需要尝试、需要充足时间、需要不断验证的过程,客观存在越是超出个体感知的范围,该问题则越值得探究,例如力、电和磁。看见的客体可以探究,看不见的客体更会引发个体的探究兴趣,从而培养学生的探究能力。

二、困境

(一)教学停留于理论层面,学生动手操作机会少

教学目标已由三维目标转向核心素养培养,物理知识已不是物理教学内容的唯一重点,培养学生的核心素养成为物理教学的重要责任。目前在一些物理教学实践中,物理教学仍以理论知识为重点,操作实验仍相对较少,物理实验设备的短缺导致学生无法按照课程标准要求做实验。例如,第二十一章“信息的传递”第1节“现代顺风耳——电话”,在讲授电话结构示意图时,老式电话是必备的教学工具,但许多学校并不一定有充足的教学资源储备。在教学中,教师往往只是以演示的方式代替学生做实验,这意味着学生有机会看实验,却无法做实验。有教师甚至认为该原理简单无须做任何演示,学生直接看课本即可。只看实验或无法接触实验皆剥夺了学生实践操作的机会,即学校的硬件设备储备和教师的教育教学理念制约了学生动手操作能力的培养。

(二)评价方式以考试为主,学生动手操作意识不强

目前教学质量的评价仍多以考试成绩为主要参考,因而学生参与教学的行为也多与考试有关。虽然部分学生不愿参与与考试无关或没有直接联系的教学活动,但是教师需要意识到,学生的动手操作对物理理论知识的认知和内化是有益的。例如,第十九章“生活用电”,是最容易被教师和学生忽略的内容。教师和学生皆认为没有机会观察家庭电路等现场案例,在教授与学习这部分内容时,往往仅是“看书—做题”模式,忽略了将理论知识应用到现实生活中。教师未起到积极引导作用,学生也没有动手操作的机会,导致学生的动手操作意识欠缺。

(三)偏向稳定性探究,忽视流动性探究

稳定性探究是探究已有的科学知识,是沿着事先的假设进行探究,不会超出假设。稳定性探究的功能主要在于验证已有的物理科学知识。[4]稳定性探究是在原有的假设和研究方式上进行探究,主要是获得知识而非创造知识。流动性探究则是突破原有的假设和研究方式,以批判性思维思考、发现新知识。在物理教学中,固然要重视稳定性探究以传授学生物理知识,但在素养教育的当下,流动性探究也应回归教育实践中。在传授知识时,教师同样应培养学生的思辨能力和批判性思维,思考现象发生的原因和可能出现的结果。教学改革应融合稳定性探究和流动性探究,进一步培养学生的核心素养。

三、路径

学生动手操作能力的提升应立足于教学整体规划,其内部结构主要是由时空逻辑和实践逻辑构成的整体(图1)。时空逻辑和实践逻辑不应有不可逾越的鸿沟,而应互相渗透。时代性和情境性是教学思想时空逻辑的映射,记录了教学思想的演变轨迹。情境性并非单独存在,而是寓于时代性之中。连续性和探究性是实践逻辑的内在要求,在时代性和情境性之间相互作用,通过不断地提供指导和接收反馈得以实现。此外,探究性以连续性为基础并不断地实现知识、能力和素质的拓展。

图1 教学整体规划

物理教学思想的价值取向在初中物理教科书中分布广泛。基于课程标准和物理教学实践,本文统计了对教学有重大影响的物理教学思想的价值取向,具体如表1所示。整体性主要从教学内容重点、难点的协调性方面进行统计。时代性主要从当代社会、生活、科技等方面进行统计。连续性主要从新旧知识衔接的相关度进行统计。情境性主要从师生的日常生活方面进行统计。探究性主要从教科书中“想想议议”和“动手动脑学物理”板块设计进行统计。由表1可知,教学思想价值取向在物理教学中的分布不均匀。不同的类型有着不同的教学样态,学生动手操作方式也呈现多样化,主要有三种形态:时代性和情境性融合型、探究性主导型、整体性和连续性跨学科反思型。

表1 初中物理教学思想的分布

(一)时代性和情境性融合型

时代性在宏观上反映了物理教学内容,情境性在微观上反映了物理实验,尤其是学生动手操作的环境。物理实验反映了科技进步的轨迹,也记录着学生探索物理世界的过程。时代性制约了情境性的呈现形式,情境性从不同侧面反映了时代性的各种样态。人的活动记录了历史时代,物理教科书则记录了某一时期的人类活动。学生动手操作即以不同的形式复现人类历史活动而非简单的重复,是孕育着学生发现未知世界的新路径。时代性和情境性的融合既体现了历史的诉求,也体现了学习者的主观能动性,有助于将物理教学融入生活和工作,真正实现学中做和做中学。

时代性和情境性的融合广泛存在于物理教学中。例如,第十二章“简单机械”以提高学生的动手操作能力为导向,基于时代性和情境性的物理教学可以这样展开。首先,定位经典文化。该章主题为“简单机械”,其基本元素是杆、轮和链条。这些元素在人类活动和当代科技中普遍存在,为学生的动手操作提供了天然的前提条件。例如,古代在建造宫殿时利用木棒搬动巨大的石材、现代的筷子夹菜、剪刀剪纸和设计赛艇船桨等都体现了杠杆原理。再如,水龙头、门锁、方向盘和自行车都体现了轮和轴链的作用。其次,寻找时代契合点。简单的杆、轮和链条作为机械的组成部分,寓于复杂的工程之中,特别是科学、技术、工程和数学高度融合的当代。例如,简单机械普遍运用于太空工程中。问天机械臂长度只有约5米,有7个自由度,但承载能力为3000千克。问天机械臂能真实模拟人手臂的灵活转动,通过旋转结构,在前后左右的任何角度和部位都能抓取物体,并且可以在问天实验舱表面爬行。[5]最后,创设多样化情境。第一,教师可以播放现场直播视频,带领学生实时观看问天机械臂的运作过程,并讲解问天机械臂的结构和功能。第二,根据问天机械臂的结构,教师可以提示学生动手模拟制作7个自由度的机械臂,动手操作机械臂,并测试、评价其功能。第三,学生可以观察科技馆中的机械臂模型,与教科书中的理论“对话”,培养学生从理论中来,到实践中去,再回归理论中的科学素养,将虚拟性情境、迁移性情境、现场性情境多样化的组合应用于物理教学中,提高教学情境的丰富度。

(二)探究性主导型

探究是一种人的活动,人的想法在一定程度上影响着做法。思想在物理教学中的启迪作用较为重要。为激发学生的探究欲望,物理实验应是在特殊环境中开展的、具有挑战性的实践活动。思维过程和探究方式是重要因素,思维过程应包括“感受困难—困难的定位与定义—可能的答案或解决方法—联想与推理—树立或放弃信念”环节,探究方式应包括“分析时代发展与创设情境—厘清核心概念发展史—独立猜想、小组合作、咨询专家—回忆经历、现场体验、设计实验—评价与反思”等环节。以上各环节都应在具体的实践中自主践行,尊重理论与实践的统一。

无论是教师的教还是学生的学都离不开探究。探究是多样化的,但也是有共性的。以初中物理第二十章第5节的探究过程为例,具体分析探究的程序,如表2所示。

表2 探究的程序与操作

物理教学基于思维过程的五个环节实施,探究方式相对灵活,具有可选择性。在第一环节中,教师可以结合社会可持续发展的理念,基于绿色环保,提出当前时代的诉求,或提出应对旧能源枯竭的新能源战略,从历史发展的视角引导学生思考能源是否可以被替代,从生活情境引导学生想象:电如何改变了人类生活方式?在情境中提出困难:电是如何产生的?在科学领域是如何思考的?在第二个环节中,教师可以提出以下问题:作为核心概念的电是什么?自然的电与人造的电又有怎样的联系?这些问题都可以回归到对电的发现、电生磁的历史性探索之中,从而使学生理解困难是什么,实现对困难的定位与定义。在第三个环节中,教师可以“电的产生”为问题,自由让学生选择个体独立猜想、小组合作、咨询专家等形式开展探究活动。例如,教师可提问:电产生的机理是一个极其复杂的过程,具体表现在电的产生需要什么材料,需要什么程序。在第四个环节中,教师需要引导学生像科学家一样做实验,基于自己的经历和体验进行联想和推理,验证自己的设想及结论。在第五个环节中,通过一系列稳定性探究,树立磁生电的信念,实现新知识的学习。此时,教师需要提问:磁生电是不是产生电的唯一方式?这引导学生开展流动性探究,让学生批判信念或树立信念,培育学生的批判性思维。

(三)整体性和连续性跨学科反思型

和其他人类社会活动一样,物理教学也具有内在发展的整体性和连续性。在近现代的物理教学中,逐渐形成了较为科学的知识逻辑结构。例如,物理课程的开设时间、课时安排、知识讲授的顺序及难易程度等都具有稳定的内在规定。可以说,物理教学是在教材整体设计上展开的连续实践。例如,在初中物理第一章第1节“长度和时间的测量”中,可以基于“现象—本质—应用”的教学设计实现学生对技术和社会的认识。首先,教师引导学生观察生活,预测物体、时间的长度,分析测量工具的结构和工作原理,并动手准确操作测量工具。其次,教师引导学生评价各类测量工具的优缺点,例如:直尺与游标卡尺在测量精度上有什么区别?为什么电子表的测量精度要比机械表更高?最后,教师鼓励学生制作不同精度的测量工具,学生思考直尺与游标卡尺的出现时间及出现目的,培育学生追根溯源的优良精神。这种教学方式使基于整体性和连续性,科学、技术和社会的存在方式得以在物理体系中呈现,为学生的动手操作提供多样化的实践空间。

综上所述,物理教学思想的价值取向贯穿物理教学的始终。无论是教材的解读还是教师的教学策略规划;无论是学生的新知识学习还是师生的动手实验,无不彰显着整体性、时代性、连续性、情境性和探究性等特征。在物理教学改革中,物理教学思想的价值取向是师生共同发展的重要参照,能够创造学习动手操作能力的实践新样态,能够为学生以后的物理学习打下坚实的基础。