基于批判性思维的高中物理论证式习题教学

陈新华，陶兆宝

常州市第一中学，江苏 常州 213003

习题教学是物理教学中的重要部分，也是提升学生解决问题能力的重要方式和手段。“双减”政策下，如何既减轻学生过重的作业负担，又有效落实核心素养的培养目标，是一线教师面临的重大挑战。基于批判性思维的论证式习题教学为解决这个问题提供了有效的方案和途径。

1 批判性思维与论证式教学

批判性思维是一种理性的、反思性的思维，其目的在于决定我们相信什么和做什么［1］。它有两个主要特征：第一，如何质疑，即“会提问”，这是批判性思维的起点；第二，如何判断，即“会解答”，这是批判性思维的目标。批判性思维作为高阶思维能力，是物理学科核心素养的重要组成部分。

培养学生的批判性思维，一般来讲是指培养学生批判性思维的能力，如分析、解释、推理、评价、论证等，这是解决问题的方法。从更深层次看，批判性思维也是一种思维倾向，如求真、开放、反思、理性等特质，这是思考问题的方式。批判性思维技能是可教、可测的。批判性思维倾向属于心智模式和价值取向，很难直接进行教学，只能在教学过程中通过潜移默化的过程促进学生元认知结构的变化来逐渐形成。

论证式教学是将论证活动引入课堂的一种教学方式，需要学生和教师围绕某一论题利用科学方法收集证据，并能解释和评价证据与观点之间的联系，最终达成共识［2］。论证式教学鼓励学生针对某一研究问题的解释进行论证或者辩护，让学生有机会通过讨论学习怎样提出、支持、评价或者修改自己的观点［3］，这样的过程与批判性思维的质疑、论证、评估、完善等思维过程高度重合。

论证式教学与批判性思维是密不可分的：一方面，论证式教学需要学生具备一定的批判性思维的能力；另一方面，论证式教学又能促进学生批判性思维的生长，培养学生的批判性思维能力。

2 基于批判性思维的论证式习题教学

本轮课程改革的目标是指向学生核心素养的发展，即培养学生在未来真实生活中解决问题的必备品格和关键能力。但教学中我们常常会有这样的困惑：当原始问题出现的时候，学生往往不具备迅速准确解决问题的能力。究其原因，还是学生对问题的理解不够深入，思维缺乏深刻性和批判性，一遇到新情境，要么套用公式，要么束手无策。折射到我们的教学中，学生的学习过程缺乏理性批判和论证的过程，获得结论的主要途径本质上主要是“传授”和“接受”，缺乏体验和反思，没有在解决问题的过程中形成专家思维［4］。

基于批判性思维的论证式习题教学指向学生解决问题能力的提升，通过初步理解—思考提问—探索求证—提升创新等环节，发展学生的分析理解、建构模型、质疑探究、推理论证、反思评估等能力素养，从而形成解决问题的专家思维，达到举一反三、以一当百的习题教学效果。这样的教学过程凸显了批判性思维“审辩”的特质，强调质疑和论证，让学生经历“直觉—评估—质疑—论证—评估—完善”的思维环节中的全部或部分，在螺旋递进的思维过程中解决问题，教学过程环环相扣、层层递进，实现学生思维从低阶向高阶的突破，培养真实情境中解决问题的一般能力。具体模式如图1所示。

图1 论证式习题教学模式图

2.1 指向“模型建构合理性”的论证式习题教学

物理是建构模型解决问题的一门学科，其目标指向解决问题，而主要方式是“建构模型”。模型作为一种重要的科学方法，具有解释科学现象、作出科学预见、形成科学发现、启发科学思维等功能［5］。而理想化模型则是联系现实和理想的桥梁和纽带，突出主要问题，忽略次要问题，将复杂问题简单化，是高中学生解决真实问题的主要方法之一。理想化模型的条件是什么？建模过程中如何界定主要问题和次要问题？如果都是凭直觉和记忆，学生就不具有解决新问题的能力。只有让学生通过质疑论证的过程，在比较的过程中区分主要因素和次要因素，才能让学生习得理想化模型建构的一般方法，获得解决问题的普遍联系和普遍规律。

2020年高考物理全国卷Ⅰ第3题就是一个很好的例子。这道题难度不大，总体得分率较高，但是这道题提供了真实且典型的问题情境，学生在建模和解决问题的过程中有很多不确定性，这样的不确定性需要学生不断地质疑推理和求证，这样的过程也就是批判性思维及问题解决能力的培养过程。笔者选取此题进行习题讲评，现笔录如下：

如图2所示，一同学表演荡秋千。已知秋千的两根绳长均为10 m，该同学和秋千踏板的总质量约为50 kg。绳的质量忽略不计，当该同学荡到秋千支架的正下方时，速度大小为8 m/s，此时每根绳子平均承受的拉力约为（ ）

图2 全国卷第3题图

A.200 N B.400 N

C.600 N D.800 N

【直觉】把人看作质点，且重心集中于绳末端，等效为单摆模型。在最低点由，知T=410 N。即每根绳子拉力约为410 N，故选B选项。

【质疑】同学身高1.6米左右，绳长10米，转动过程中真的可以把人当作质点来研究吗？

【论证】最低点的时候，人受到的合外力应该等于各点做圆周运动所需的向心力。因为离转轴的距离不一样，各点的向心加速度是不一样的，所以用微元和积分。设人的身高为l0，绳长为l，假设人的质量是均匀分布的，单位长度质量为取人为研究对象（图3），受力分析得：

图3 研究对象示意图

假设人的身高是1.6米，秋千踏板和人的质量均匀分布，代入数据，得T1=397.2 N。

假设把人看作是集中于秋千踏板上的一点，则l0=0，代入数据得T2=410 N。

【完善】相对误差小于5%，应该满足的一般条件是什么呢？

相对误差小于5%，即

代入数据可得：10l2+64l-608l0≥0

解得l≥5.23l0

若人的身高为1.6米，则绳的长度l≥5.23l0=8.37米，本题中绳长10米，符合要求。

【点评与小结】这道题难度中等，主要考查从荡秋千的原始情境中提取“单摆模型”解决问题的能力。学生的直觉就是解决问题时把人当作质点，把这个过程当作单摆模型。但是有些学生就会提出：绳长10米，人的身高1.6米左右，能不能把人当作质点？这是一个很好的问题，涉及理想化模型的建立条件。教师引导学生用数学、物理知识对这个质疑进行评估，发现经过严格的运算和估算，误差在5%以内，可以忽略次要因素，当作单摆模型。问题已经解决，可是具有批判性思维的学生会进一步发问、寻找可以当作质点的一般条件。最后，再用一般条件来验证本题的特殊数据，发现10米的绳长和人的身高搭配得非常巧妙，可以简化为单摆模型。至此，经历了“用已有知识方法去解决现有问题”的直觉阶段，到“为什么可以建立单摆模型”的质疑阶段，再到“寻求实证运算”的评估阶段。从知识到素养，从“会套用公式”到“会建立模型选择公式”，运用批判性思维不断对得到的结论进行反思与评估，并以此作为论证和完善的出发点，在解决问题的过程中收获思维的成长，真正实现了通过一道题解决一类题，通过一类题解决所有题，这也是我们物理教学最根本的目标。

2.2 指向“物理结论准确性”的论证式习题教学

批判性思维的一个重要特征就是质疑与论证，这也是创造性思维的起点，要求学生“不唯书、不唯师”，有自己独立的判断与思考。学生对物理结论的准确性提出质疑的时候，教师要鼓励和指导他们进行进一步的评估和论证，在发现问题和论证求索的过程中提升思维能力，增强自信，完善元认知结构。

2019年的扬州中考卷第29题，A同学在初中时就存在困惑，觉得题目解答太特殊，不能包含所有情况。但因为是中考题，不敢随便质疑，她便一直把这个困惑带到了高中，在和同学多次讨论都没有结果后，便把这个问题提交给了笔者。笔者没有直接给她解答，而是不断鼓励和指导她，从多角度寻找证据，来证明或证伪自己的想法。实录如下：

（扬州2019年中考卷）如图4所示是路边交通指示牌，通过横杆A、B与立柱相连，图中指示牌的总质量是300 kg，长为4 m，高为2.5 m，A、B间距离为1 m。（忽略指示牌与立柱之间的距离，g取10 N/kg），立柱对横杆B的作用力的方向是__________，大小是________。（本题答案为水平向左，6×103N）

图4 扬州中考卷第29题图

从题意和答案推测，其期望的解答为：立柱对横杆B的力的方向是水平向左，以A处为支点（图 5），由力矩平衡，G·AM=FB·AB，可得FB=6×103N。

图5 指示牌受力分析图

【质疑】横杆中的力一定沿横杆方向吗？如果A、B处都沿杆的方向，那么从力平衡的角度，谁在竖直方向上和重力G平衡呢？如果A处有竖直向上的分力，那么B处为什么就不能有竖直分力呢？

【评估】可以假设A处和B处都既有水平分力，也有竖直分力，进行严格运算论证。

【理论论证】以指示牌为研究对象，假设A处受力的水平分量为FAx、竖直分量为FAy，B处受力的水平分量为FBx、竖直分量为FBy。

由受力平衡关系可得

FAy+FBy=G，FAx=FBx

以A为支点，由力矩平衡关系可得

G·AM=FBx·AB

解得FBx=6×103N

【评估】水平方向A、B处的分力大小相等，FAx=FBx=6×103N。竖直方向 FAy+FBy=G=3 000 N，FAy和FBy的具体数值不确定，应该跟安装时的初始条件有关。

【质疑】是真的吗？竖直分量不确定？

【评估】可以通过实验来验证。

【实验论证】找一块均匀木板，在A、B处接入力传感器，改变A、B处固定螺丝的松紧，看A、B处的力是否会发生变化（图6）。

图6 传感器实验图

【评估】实验结果显示，根据A、B处固定情况的不一样，两处的受力情况的确会有变化。所以，原始题目虽然是中考题，但是设问不够严谨，这个题的结果具有不确定性。FBy=0时，可以得到试题答案，但这是所有情况中极为特殊的一个例子，不能作为必然结论。

【点评与小结】“大胆质疑,谨慎断言”，说起来容易，做起来难，特别是一个初中生想要质疑一道大市中考卷上的题目。学生在思考的过程中发现了问题，层层递进提出了系列问题：如果B处的受力方向是水平的，谁来平衡竖直方向的重力？发现A处要有竖直分力。进一步提出：A处有竖直分力，为什么B处不能有竖直方向的分力？从而想到要用最一般的方法分别设两个方向的分力来解决这个问题。理论推导得到的力的大小居然不是一个确定的值，学生自然是困惑的，这个值到底跟什么有关呢，学生猜想可能跟安装条件（即安装时螺丝拧的松紧）有关，然后运用数字化传感器进行实验，验证了猜想。这是一个基于批判性思维的论证式学习过程，学生学习过程如科学家探究过程一样，基于完全真实的情境，不知道真正的答案是什么，但是会用科学的方法去猜想、推理、论证并完善，最终得出了令人信服的答案。

3 反思与总结

3.1 基于批判性思维的论证式习题教学是新高考下素养教学的必然选择

物理教学应该为培养学生的核心素养而教，教学内容和教学过程在本质上都只是达成教学目标的方式，在知识和方法的建构过程中，形成学生对解决问题基本过程和方法的一般认知，培养学生的核心素养，才是教学最根本的目标。批判性思维是创造性思维的前提，而论证（理论论证和实验论证）则是理性精神的开端，基于批判性思维开展论证式习题教学，是在高考指挥棒下对素养教学的积极响应。用论证式的学习过程促发高阶思维的发生和生长，不仅能摆脱题海战术，发展素养，还能从容应对高考，是教学从现实通向未来的有效途径。

3.2 基于批判性思维的论证式习题教学的实施要点

习题教学是高层次的思维教学。如果说新课教学是学生追随科学家的脚步，亦步亦趋的探究过程［6］，那么习题教学就是学生在不确定的新情境中，调用已有知识和方法，批判性解决问题的迁移论证过程，兼具批判性和创造性的特点。实施论证式习题教学，首先要选择适合并值得开展论证式教学的话题。比如，对理想化模型建立条件的论证式讨论、对已有结果成立条件的论证式研究、对解决问题方式合理性与全面的论证性……论证的话题除了试卷上的典型问题，还可以是生活中的一些问题，或者是学生遇到的困惑等。典型的、需要论证的话题一般都是极具探讨性的，能够指向高阶思维，能够最大程度地激发学生思维的能动性。其次，自由和质疑的学习氛围也是必不可少的。宽松自由的环境，学生才会有质疑和论证的勇气和激情，才能在思维碰撞中提高思维的成熟度［7］。宽松鼓励的环境，也会使学生愿意去尝试，即使尝试错了，也不会有太多的负担，才能激发学生深层次的创造力。最后，要重视学生的主体思考过程。论证式教学过程中的质疑和论证都需要学生经过反复的思考和积淀，是一个“慢”的过程，不可能一蹴而就，需要教师有足够的耐心去共同探讨和静待花开。这样的教学是围绕问题展开，问题的解决不一定局限于一个课时内，“直觉—质疑—论证—评估—完善”的过程可能需要多次反复，最后达成问题解决，教师要有耐心，在多次反复的引导、探讨和等待中促进学生思维的生长和素养的养成。