基于科学思维水平进阶的问题情境设计

2023-08-11邓治国董友军

物理教师 2023年7期

邓治国董友军

(1. 广州市增城区中新中学,广东广州 511365; 2. 广州市教育研究院东院,广东广州 510700)

科学思维是物理学科核心素养之一,主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》根据问题情境的复杂程度、知识和技能的结构化程度、思维方式或价值观念的综合程度等,把科学思维划分为5级水平,其中科学思维水平2是“学考”的命题依据,科学思维水平4是“高考”的命题依据.本文基于科学思维水平进阶理念来研究问题情境,以期为教师在设计与实施问题情境教学时提供思路,更好地培养学生物理学科核心素养.

1 问题情境与科学思维进阶简介

1.1 问题情境界定

问题情境是指蕴含问题的情境,主要包括真实情境、实验情境、活动情境,其具有指向性、情境性、联系性、交互性、预设与生成性等特点.[1]问题情境中的“问题”,旨在引起学生的认知冲突,使学生的已有知识结构不能解决这个问题,从而产生消除这种“冲突”与“不平衡”的愿望.问题情境中的“情境”,旨在让“问题”具体化,并具有一定的复杂性和真实性.[2]

1.2 学习进阶层级与科学思维水平的对应关系

根据学习进阶理论,郭玉英教授团队把进阶水平划分为5个发展层级:[3]经验(Experience),即学生具有尚未关联的零散事实;映射(Mapping),即学生建立事实与术语之间关系;关联(Relation),即学生建立术语与多个事实关系;系统(System),即学生从系统角度协调变量关系;整合(Integration),即学生有学科观念与跨学科概念.从以上5个层级看出,学生的认知发展水平是从零散到系统、从具体到抽象、从简单到复杂的过程.

学习进阶层级与科学思维水平,它们呈现的认知发展规律,都是从低级到高级、从浅层到深层,因此它们存在一一对应关系,如表1所示.以该表作为问题情境设计依据与评价标准,可以明确培养科学思维的目标与路径,提升高中物理教学的针对性与有效性.

表1 学习进阶层级与科学思维水平

2 科学思维水平进阶的问题情境设计与分析

2.1 基于经验层级的问题情境

问题情境1:很久以前,人们根据日常经验,认为重物下落得快,轻物下落得慢.古希腊学者亚里士多德概括为“理论”:重的物体落地快,轻的物体落地慢.1589年,伽利略在比萨斜塔顶端,将一个重100 lb和一个重1 lb的铁球同时静止释放,出乎所有人意料,两个铁球不是重的铁球落地快,而是同时落到地上.

教师:从这则故事来看,亚里士多德和伽利略的观点,其证据分别是什么?

学生:亚里士多德的观点是源于日常经验,伽利略的观点是源于科学实验.

分析:此问题情境设计体现科学思维中“能对常见的物理现象进行简单分析;能区别观点和证据”,属于水平1.这个情境故事学生已有耳闻,问对错,不如谈观点的证据,也就是在问题的设计上求新角度.如再问两种观点的背景是什么?测量的工具是什么?引导学生理解日常经验与科学实验的价值与意义,同时为学习物理做个理念铺垫,即“实践是检验真理的唯一标准”.

2.2 基于映射层级的问题情境

问题情境2:如图1所示,两只弹簧秤,A弹簧秤固定在铁架台上,B弹簧秤沿水平方向缓慢用力拉A.请学生观察两只弹簧被拉长的先后顺序.

图1 相互作用力同时产生

学生:统计结果显示,近2/3学生认为是A弹簧先被拉长,然后B弹簧才被拉长.部分学生无法确定,少数学生认为是同时伸长.

教师:为什么A弹簧会被拉长?

学生:因为B弹簧给A拉力.

教师:你承认了B产生向右的力了,根据什么做出的判断?

学生:因为B弹簧伸长了.

教师:B弹簧为什么会伸长?

学生:因为A弹簧也拉B了.

教师:你也承认了A弹簧有向左的力了.究竟哪一个弹簧先被拉伸?

学生:……

分析:此问题情境设计体现科学思维中“能对比较简单的物理现象进行分析和推理,获得结论;能使用简单和直接的证据表达自己的观点”,属于水平2.情境的设计紧贴学生前概念,让学生产生思维冲突,学着用现象归纳原理.学生意识到“只有两个弹簧之间同时产生方向相反的作用力”才能解释实验现象.这一讨论过程收到了“以子之矛攻子之盾”的效果,是一种思维映射.

2.3基于关联层级的问题情境

问题情境3:在“超重和失重”的教学过程中,用图2所示的器材(粗糙的横杆上搁放两块异名极相对的环形磁铁)进行演示实验,可以加深对所学知识的理解.

图2 横杆上搁放两块异名极相对的环形磁铁

教师:由静止释放横杆,会观察到什么现象?

学生:磁铁对横杆的压力减小,因此磁力大于静摩擦力,两磁铁因为相互吸引而互相靠近.

教师演示实验,验证了学生猜想.然后要求学生对磁铁进行受力分析.通过受力分析,学生知道磁铁在下落的过程中处于失重状态.

教师:若整体竖直向上抛出,磁铁会靠近吗?

学生:磁铁不会靠拢.

教师让磁铁竖直向上抛出,仍见磁铁吸拢.学生大感意外,教师顺势启发学生分析并解释所见的“反常”现象.

分析:此问题情境设计体现科学思维中“能对常见的物理现象进行分析和推理,获得结论并作出解释;能对已有观点质疑,从不同角度思考物理问题”,属于水平3.此过程呈现的设计方法是“预测—实验—解释”,相对于“实验—解释”而言更抓学生的心.让学生在不同的过程中分析物理现象,进一步明确概念的定义.学生的没想到往往埋伏着一个深刻的记忆点与开阔思维的机会,分析物体加速与减速过程变成了应用,过程一波三折思维反复激荡,最终能对已有观点质疑,从不同角度思考物理问题.

2.4 基于系统层级的问题情境

图3 密立根油滴实验

本情境以2022年高考物理广东卷第14题为蓝本,设计(1) 比例系数k;(2) 油滴A、B的带电荷量和电性;B上升距离h电势能的变化量;(3) 新油滴匀速运动速度的大小和方向3个问题.

解答问题的本质上是对匀速直线运动模型的反复确认.第(1)问是两个油滴均做匀速直线运动,模型显性,通过模型特点计算受力情况.第(2)问是加进电场后,油滴B因为受电场力而不平衡,后来又反方向匀速运动,进而可以用新的匀速模型来分析受力.第(3)问是油滴A和油滴B碰撞合并成新油滴AB,合并后从失衡到平衡,最终在两极板间匀速直线运动.对新油滴AB构建匀速模型,需要判断系统是否满足受力平衡的条件,如图4所示.若F电>2mg时,新油滴向上运动,空气阻力向下,如图4(a)所示,对新油滴AB由平衡条件F电=2mg+f可求得运动速度大小;若F电<2mg时,新油滴向下运动,空气阻力向上,如图4(b)所示,对新油滴AB由平衡条件F电+f=2mg可求得运动速度大小.

图4 油滴受力

分析:此问题情境设计体现科学思维中“能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型;能对综合性物理问题进行分析和推理,获得结论并作出解释”,属于水平4.情境考查隐性模型,也就是不能从现象中直接得出结论,要根据信息分析,抓住主要问题,忽略次要因素,必要时要转化视角,通过运动分析、受力分析等将隐性的复杂问题向显性转化.教学的重点是模型形成过程的分析,只有掌握建模的一般方法与思维才能在陌生的情境中敏感地发现建模的要素与条件.

2.5 基于整合层级的问题情境

问题情境5:请看图片5,这是国庆节笔者的一位朋友高速路上车祸照片.本来是快快乐乐去旅游,却遇到令人沮丧的交通事故,所以他拍了个照片发到了朋友圈.

图5 车祸照片

问题1:假如你是警察来办案,能找出汽车追尾的原因吗?通过观察现场现象,提取相关物理信息,填写表2.

表2

问题2:要判定两车是否有违反限速行为,需要提取哪些证据?

师生建构模型:经询问确定,前车司机在超车道上匀速行驶时,当看到前方因修路需改道右侧,但发现右侧车流较大不能换道,立即采取全力刹车,车刚停下来时被后车追尾,警察测量得到前车刹车痕迹长度s1=52 m(该路段超车道限速120 km/h).

师生建构模型:根据轮胎花纹与路面情况,查资料确定刹车过程的加速度约为a=6 m/s2.

生:将汽车刹车过程理想化为匀减速直线运动,由v12-v02=2as1,解得v1=25 m/s=90 km/h,则判断前车未超速行驶.

师生建构模型:后车在看到前车刹车尾灯亮后,立即采取全力刹车,警察测量得到后车的刹车痕迹长度s2=100 m,根据两车损坏程度及后车司机的回忆,警察确认后车以v2=36 km/h撞上前车.

师:能计算后车刹车前的速度吗?

生:由v32-v22=2as2,解得v3=36 m/s=130 km/h,则后车超速行驶.

问题3:交警进一步判断,后车是否未按要求保持安全距离?要判定两车的距离,需要进一步获得什么证据?

师生建构模型:经询问,前车司机为了早点回到家,已经连续驾驶5 h,后车司机驾驶时长约0.5 h,警察现场做了反应测试并调取行车数据确认两司机供述真实可信.一般健康成年人反应时间与连续驾驶时长关系如图6所示,则前车刹车瞬间,两车的距离为多少?

图6 成年人反应时间

生:根据“反应时间-连续驾驶时长”关系坐标图,我们知道前车司机的反应时间约为2.7 s,后车司机的反应时间约为0.5 s.

前车发现状况到踩刹车的时间间隔较长,从这一点来看对这起事故是有责任的.但计算两车距离应该从前车刹车灯亮,后车看到灯亮准备刹车开始计算.两车距离应该加上反应时间内后车匀速行驶的距离,有s3=v3t3=18 m.则两车的距离为s=s2+s3=118 m.

从这一部分的教学过程来看,延续拓展了情境背后的知识,“知其然,还能知其所以然”.如一个公式适用的条件,“全力刹车”可以看成摩擦力不变,符合匀变速运动模型的条件;一个公式计算需要哪些物理量,此过程中可以测量刹车距离,可以查阅获取加速度的大约数值与反应时间的坐标图,从而发现反应时间内汽车是匀速直线运动模型.

问题4:如果前车司机没有疲劳驾驶(公安交通管理部门依据《道路交通安全法实施条例》第六十二条第七款之规定:驾驶机动车不得有连续驾驶机动车超过4 h未停车休息或者停车休息时间少于20 min的行为,对违反法律规定的,公安交管部门可依法处罚),通过计算判断追尾事故能否避免?

生:通过“反应时间-连续驾驶时长”分析,若前车没有疲劳驾驶,则可以提前2.2 s刹车示意后车,并在这2.2 s里向前行驶s4=v1t4=55 m.也就是两车最大的距离可以为s总=s+s4=173 m.则根据v32-v42=2as总.计算碰撞前后车的碰撞速度v4为负,即在碰撞前已经停下来,故能避免追尾.

生:此过程还有其他解法,先算出后车刹车后停下来行驶的距离为s4=108 m

通过物理过程的分析,我们发现只要按照规定正确驾驶可以避免一场交通事故.通过客观的数据了解到超速、疲劳驾驶的危害性和保持安全距离的必要性.从这次追尾事故中我们还能学到什么呢?

师生:从这个事故中,我们能感到疲劳驾驶与超速驾驶都有自己可以理解的原因,例如前车赶着回家而长时间开车,车前方突发意外事件没有提前观察到;后车在超车道上超速行驶,对前车保持的距离也不是足够的.生活中,我们也会遇到类似的事情,由于赶时间而闯红灯,由于急着赶路而没看清路上的环境……,这些都是欲速而不达的表现,但归根究底就是不按交通规则开车,缺乏理性的逻辑思考.

分析:此问题情境设计体现科学思维中“能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型;能在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理,获得正确结论并作出解释;能考虑证据的可靠性,合理使用证据;能从多个视角审视检验结论,解决物理问题具有一定的新颖性”,属于水平5.这节课紧紧围绕生活情境“运动与力”的主题复习,学生要在不同状态下受力分析、多次建模、考虑现实因素等等,在应用中形成知识结构体验,问题步步递进直指各个思维层级.另一方面是站在第三方(警察)的角度反复挖掘情境背后的知识,处理题外的信息(成年人反应时间、刹车时的加速度),不断觉知规律形成的条件与应用技巧,感受物理服务生活.在面对复杂陌生的情境时,学生会沿着学科特定角度去科学地分析解释,能符合逻辑地进行推理判断,能提出解决问题的有效策略,也就是学生具有了科学的程序性经验和图式,而程序性经验和图式就是思维路径.[4]

3 用问题情境培养学生科学思维的教学建议

3.1情境要形象具体

高中生依然处于从形象思维到抽象思维养成的过渡时期,遇到真实问题会存在阅读理解的障碍,加上物理概念、规律本身比较抽象.杜威认为,思维不是自然发生的,思维的过程是由问题、困惑等引发、维持和驱动的.所以教师要观察学生的心理发展变化,选取学生感兴趣、容易理解、与旧的认知相关的问题情境进行教学.从熟悉的真实的生活、生产等场景中寻找适合的情境素材,用指向明确的问题触及学生的迷思处,反映出学生思维上的问题,教师针对问题引导,以达到学生思维方式的优化.

3.2 问题要循序渐进

郭玉英教授团队把学习进阶水平划分为5个发展层级.布鲁姆依据思维的复杂程度,从认知目标分类角度将思维过程分为记忆、理解、应用、分析、综合和评价6个层次.教师要以知识的动态生成为线索,以思维为中心,全方位、多角度训练学生的思维,循序渐进引领学生从感性到理性认识事物,引导学生在实验物理、理论物理的探寻过程中应用物理,从记忆到理解、从理解到应用、从应用到分析、从分析到综合、从综合到评价.

3.3 教学要以学生为主体

学生是教学主体,教师是教学主导,教师的一切教学行为,都是为了促进学生的学.教育心理学家奥苏贝尔说过,影响学习的唯一最重要因素,就是学生已经知道了什么,教师应据此进行教学.[5]因此教师要真正换位思考,把自己当成学生,而不是把学生当成自己.在情境中解决问题,学生要经历好奇、疑问、探索、解答的过程,而这个过程就是学生运用科学思维方法的过程;教师则需要围绕教学目标在学生体验与展示的基础上适时地点拨分析,围绕思维水平的进阶挖掘情境的科学思维要素,拓展问题情境的内容以开阔学生认知的边界.