基于思维型课堂教学的高中生物理科学思维培养策略

王鑫淼, 黄玉新

(宁夏师范学院 物理与电子信息工程学院,宁夏 固原 756099)

普通高中物理课程标准提出四个方面的核心素养,其中科学思维是核心素养的重要组成部分。《课标》指出,教师在物理课堂教学中,引导学生经历物理概念、物理规律的建构过程,是发展学生科学思维的重要途径。因此,合理设计思维型课堂教学,可以有效地引导学生进行思维过程,发展学生的物理科学思维。思维型课堂中,教师设计情境,学生在观察物理现象的过程中产生认知冲突,并在教师的引导下利用已有知识,通过分析、推理、探究、论证、交流、反思等一系列思维活动,在原有认知结构的基础上,同化、顺应出更为完善的认知结构。在构建新的认知结构的过程中,学生经历一系列的思维活动,从而使得思维能力得到发展,有效地培养学生的科学思维。

一、概念界定

(一)思维型课堂教学

林崇德和胡卫平指出,思维型课堂教学即在教学活动中,以聚焦思维结构的智力理论为基础,着眼于课堂教学中的思维活动,意在提高课堂的教学质量。其包括认知冲突、自主建构、自我监控和应用迁移在内的四个基本原理。此外,还提出了七个课堂要求,明确课堂教学目标;突出知识形成过程;联系已有知识经验;重视非智力因素的培养;训练学生的思维品质,提高智力能力;创设良好教学情境;分层教学,因材施教。[1]

(二)科学思维

科学思维包括科学抽象思维、科学形象思维、科学直觉思维、批判性思维、科学创造性思维。

在思维型课堂教学中,教师与学生之间相互交流,基于学生原有的科学思维能力特点及发展规律,通过科学的现象观察、实验设计、模型建构、概念形成、规律建立、知识总结、问题解决等教学活动,教师根据教材内容、学生的具体情况,选择适应学生终身发展的核心概念和实践活动,让学生产生认知冲突,激发学生学习动机和兴趣,联系已有的知识经验,在教师的引导下自主建构知识,在问题解决和自我反思的过程中,训练思维品质,提高智力和能力。

二、思维型课堂教学中高中生科学思维的培养策略

(一)通过进阶式教学,发展高中生科学抽象思维

学习是一个不断积累、强化的过程,学习进阶是学生在教师的引导下,对某个知识或技能,通过反复思考、不断熟悉、逐渐深化,在一段时间内,逐渐由难到易的发展过程。在组织教学活动时,按照“创设情境—观察现象—发现问题—分析问题—自主探究、合作探究—交流—总结反思”的进阶过程设计教学活动,帮助学生系统地学习知识,掌握知识的发现历程,形成系统的知识结构,为科学思维的发展奠定基础。

一是教师要选择合适的教学内容,分析相互间的关系,建立合理的逻辑结构。物理学科的教学内容包括物理观念、物理规律、物理实验、物理方法、物理思想等,这些内容之间都有着紧密的逻辑关系、因果关系等,抓住这些关系,对教学内容进行分析,对教学过程进行设计,使知识的传授具有严密的逻辑性。

二是引导学生掌握抽象思维的方法。抽象思维的方法主要有分析综合、抽象概括、归纳演绎、科学推理、类比等。在物理规律的教学过程中,学生要自主观察现象、分析现象,通过科学的推理和论证,从而得出物理规律。在物理概念的教学过程中,要让学生体验物理概念建构的过程,探寻概念形成的源头,引导学生对源头事物或现象进行分析、综合、比较等一系列思维过程,抽象概括得出科学概念。

三是突出实践操作,了解知识本质。物理是一门以实验为基础的学科,物理的许多原理都是通过物理实验得出的,让学生通过动手实验,主动探究,通过动脑进行积极的思维活动,对实验现象进行分析总结、抽象概括,得出物理概念或物理规律,锻炼学生的自主学习能力和动手能力的同时,又激发了学生学习物理的兴趣,培养了学生抽象思维能力。

(二)创设情境,形成表象,发展高中生科学形象思维

科学形象思维是以科学表象为思维材料进行的思维活动,科学表象是人头脑中的对以前接触过的科学事物形象的反映。科学形象是抽象思维发展的基本元素,科学形象思维的培养,有助于科学抽象思维的发展。

首先,巧用实验,形成正确的科学表象。通过演示实验和探究实验能很好地让学生感受到知识的形成过程,在学生头脑中形成正确的科学表象。如磁场的显化,可用磁铁吸引铁屑来形象表示,让学生通过铁屑在磁场中的分布,了解到磁场虽然看不见摸不着,但真实存在,同时了解磁铁周围磁感应强度的分布。

其次,直观教学,塑造形象思维。钱学森认为,直观性教学不仅是一种很好的教学手段,更是培养学生形象思维的源泉。充分利用生活中的材料、实验仪器或者现代科学技术等手段,将学生带入物理的场景中,通过实物、模型、影像、图片等,展示一些看不见摸不着的物质,例如电场、磁场,利用生动的形象来激发学生的兴趣,了解物理知识的本质,从而唤醒学生已有的知识,从已有的知识结构出发,通过同化、顺应、平衡等认知过程,主动学习新的知识,构建新的图式。

最后,贴近生产生活,丰富生活图景,积累科学表象。新课标要求物理教学要做到从生活走向物理,从物理走向社会。学生在日常生活中会形成丰富的生活经验、自然常识等生活图景,当生活图景与科学图景相一致或接近时,能促进学生形成正确的科学表象,从而有利于形象思维的发展。在教学过程中,选择贴近学生生活的例子,创造学生熟悉的情境,帮助学生将生活图景转化为正确的科学图景,促进科学形象的形成,从而提高学生的形象思维能力。

(三)通过物理学史,重视整体分析,发展高中生科学直觉思维

“科学直觉思维是人脑不借助于逻辑推理而综合运用已有知识、表象和经验知觉,以高度省略、简化、浓缩的方式洞察科学事物的实质,并迅速作出猜测、设想和突然领悟的思维。”[2]可见,培养直觉思维时,学生要具备大量的科学知识和科学经验,掌握直觉思维的科学方法,并能利用科学方法,根据已有知识和经验,迅速而准确地识别物理现象或物理问题的本质。

第一,融入物理学史,积累物理经验;联系生产生活及现代科技发展,积累多学科经验。物理学史中,有大量的科学家是利用直觉思维为物理学科的发展作出了贡献,例如爱因斯坦在直觉的启发下,提出等效原理,创立了广义相对论。通过科学家事迹的介绍,给学生树立很好的榜样形象;物理发展长河中,物理实验、物理故事的介绍也给学生带来大量的物理经验。物理学史的发展表明,具备多学科知识和方法的人更能作出重大贡献。例如,牛顿利用自己所发明的微积分,发现了万有引力,解释了行星绕太阳运动。在如今,学科高度分化对科学技术发展产生一定的消极影响,因此,让学生在日常生活中积累多学科的知识经验和方法是刻不容缓的。

第二,变换思维方式,重视整体分析。学科直觉思维具有整体性,从整体把握事物的本质特征,快速准确地依据猜想和假设,揭示物理现象或物理问题的本质。在解决物理问题、解释物理现象时,鼓励学生从整体进行分析,采用类比、假设、联想等方法,多途径、多方向地思考,抓住事物的整体特征,忽视次要因素,找到解决问题的方法。

第三,创设良好的课堂环境,鼓励学生勇于提问,大胆猜想。直觉最原始的形式便是猜想和假设。杨振宁指出,科学的路上,大部分的时间都花在了猜想上。在课堂上,鼓励学生根据已有的知识经验,对物理现象进行猜想和假设,即使是错误的,再引导学生对错误的猜想和假设进行推理、论证,最后得出正确的物理概念或物理规律。如在“机械能守恒定律”教学中,鼓励学生利用所学的知识,对新课引入时演示的“碰鼻实验”进行猜想,提出自己的见解,引导学生对自己的猜想进行推理论证,得出机械能守恒定律。

(四)巧妙设计教学方法,发展高中生科学批判性思维

批判性思维是科学思维的高阶形式之一,是学生根据已有的证据和知识,通过分析、评估、判断等批判性倾向,作出决策或解决问题。

一是问题引导式教学。学生以物理学知识为基础,根据教师所提出的问题进行探究、思考、讨论、反思,最后得以解决问题。学生在教师的引导下,通过创设的情境发现问题,带着问题进行思考,有目的地进行探究,再对探究的过程、结果进行反思,在整个过程中培养学生的批判性思维。同时可以利用问题引发学生的认知冲突,将问题设置在矛盾中,激发学生的学习动机和学习兴趣,主动思考问题,并自我反思问题形成的过程,引导学生进行思维活动。

二是小组合作式教学。教学的过程包括师生互动和生生互动。以教师为主导,学生为主体的小组合作式学习,可以更好地发展学生的批判性思维。合作过程中,每个学生都能主动参与到合作任务中,充分展现自己的能力。交流的过程中,在倾听他人看法的同时,对其看法和见解保持理性的质疑,经过科学的推理和论证得出自己的判断,有理有据地准确表述自己的观点,在合作学习过程中有效地发展学生的批判性思维。

三是实验探究式教学。利用科学探究发展学生批判性思维。科学探究的过程涉及提出问题、猜想假设、收集证据、合作交流、评价反思等,这些都有助于批判性思维的培养,批判性思维的发展也有助于科学探究能力的不断提高。如验证机械能守恒时,除了理论推理,还可利用打点计时器进行实验验证。组装自由落体的实验装置,在打出的纸带上选取恰当的点,通过计算进行验证,得出误差允许范围内物体在只受重力的作用下,机械能守恒,并得出机械能守恒的表达式。

此外,发挥物理学史的育人功能。物理学史本身就是一部生动的教材,包含了丰富的科学问题,物理学的大厦是通过后人对前人提出的理论和假设不断质疑所堆砌起来的。还可以鼓励学生提问,培养质疑习惯。爱因斯坦说过,提出一个问题比解决一个问题更重要。在教学的过程中,通过创设情境,引发学生的认知冲突,激发学生的学习动机,引导学生对情境和物理现象进行提问,对知识进行深入的思考,从而养成合理的质疑习惯。

(五)通过实验探究、习题变式,发展高中生科学创造性思维

创造性思维是思维发展的高阶形式,是根据一定的目标和任务,运用已有的知识经验,在头脑中进行各种思维活动,形成新颖、独特、富有价值的观点。创造性思维的培养是一个系统的过程,需要丰富的知识基础、良好的环境、恰当的引导,既要转变观念,也要改变方法,是一项家校社协同的工作。

通过实验探究培养学生的创造性思维。在实验探究的过程中,学生要经历观察、操作、思维等过程,培养了学生的洞察力、动手能力和问题解决能力,为创造性思维的发展筑牢了坚实的基础。实验教学中,教师将实验原理、操作过程、研究问题等告诉学生,这样有助于学生在短时间内掌握实验的步骤,提高学生完成实验的成功率。但这样也会导致学生只是机械地按照教师的方法进行实验,自己没有经历发现实验原理、设计实验过程、选择数据分析方法等过程,不利于学生的创造性思维的发展。教师在实验探究时,可以只告诉学生需要研究的问题是什么,课前学生小组讨论探讨实验的原理,如何设计实验;课堂上,教师引导学生进行实验验证,最后分析总结,交流得出的实验结果,分享实验设计的想法。如验证“机械能守恒”时,教师在展示用自由落体装置进行验证后,鼓励学生课下思考讨论还可以用什么方式来验证机械能守恒,并在下一节课上组织学生进行交流,学生在分享自己方法的同时,倾听他人的想法。学生语言交流的过程也是思维碰撞的过程,从而实现批判性思维和创造性思维的提升。

通过习题变式,促进学生创造性思维发展。要深刻理解物理概念、物理规律,灵活运用物理方法和物理思想,就要在真实情境中分析物理现象,解决实际问题。高考练习题,教师往往要求学生掌握一种解题思路即可,习题课也只是为了讲解题目,但习题课同样也是培养学生创造性思维的主要途径。教师可抓住典型的题目,并对题目进行变式,鼓励学生一题多解;此外鼓励学生自己设计题目,小组之间自编习题,相互考察,在培养学生学习物理兴趣的同时,还深化了学生对物理知识的理解,有助于记忆和发展学生创造性思维。例如,探究机械能守恒定律的表达式,既是一个引导学生科学推理的过程,同时展示了自由落体运动中问题解决的过程与方法,还可以鼓励学生将动能定理与机械能守恒定律结合起来进行习题的编制。

多样化的作业设计。教学中,学生的作业可以是多样的,不仅有书面作业,还可以设计多样化的作业,让学生通过课后作业培养和提升创造性思维。物理学科的学习,离不开观察、实验、思维等过程。课下,教师可让学生利用所学的知识完成小发明或小制作,设计合理的物理模型,对实验装置进行修改等,在实践的过程中培养学生的操作能力、学习能力和创造力。此外,还可让学生课下了解物理规律或物理概念的发展与形成过程,通过对物理学史的了解,既有助于学生对知识的理解记忆,同时科学家们研究物理学的故事培养了学生严谨认真、实事求是、坚持不懈的科学态度与责任感,提升学生的创造性思维。在学习完“机械能守恒定律”的相关内容后,学生已知伽利略理想实验中,小球从一个斜面的任意一点下落,都可以到达另一个斜面上和释放点差不多等高的一点,但在摩擦力和空气阻力的作用下,小球会慢慢停下来。教师给学生一个斜面实验的装置,让学生利用所学知识,使小球在斜面装置上运动的时间更久。有的签字笔尾部装有弹簧,压下笔帽,笔尖就伸出。如果使笔的尾部朝下,向下按压,放手后,笔可向上弹起至一定高度。教师可让学生对签字笔进行改进,使其可以弹得更高。两个小制作分别体现了重力势能和动能的转化、弹性势能和动能的转化,促进学生对知识的理解,培养学生的创造力。

三、小结

教学的本质是为了培养学生的思维,而课堂是培养学生思维的最佳场所。高中物理课堂教学中,发展学生的科学思维能力是重要的教学目标。思维型课堂可以有效地将课堂教学集中在引导学生进行思维活动,培养学生的科学思维上。在思维型课堂教学中通过进阶式学习,发展高中生科学抽象思维;通过创设情境,形成表象,发展高中生科学形象思维;通过物理学史、重视整体分析,发展高中生科学直觉思维;通过巧妙设计教学方法,发展高中生科学批判性思维;通过实验探究、习题变式,发展高中生科学创造性思维。