科学学科教学中的问题意识与问题设计

程 俊, 马善恒, 王后雄

(1.华中师范大学 人工智能教育学部, 湖北 武汉 430079;2.广东省教育研究院, 广东 广州 510035;3.华中师范大学 教师教育学院, 湖北 武汉 430079)

学习是通过不同性质和类型的问题解决来实现的,学生批判精神、创新能力的培养依赖于优质的教学问题及学生问题意识的培养、问题解决能力的培养。问题是教学的核心要素,问题设计是教师的根本智慧,问题意识的培养是创新人才培养的重要前提。但是,在当下教研目光都聚焦于各种纷繁复杂的新概念、课堂教学的浅层化依然没有改观时,很多人忽视了教学中这个基础性、根本性的问题,就是课堂教学中问题设计的质量,设计怎样的问题才能更好地引发学生的问题意识、实现创造性的问题解决?因此,需要切实研究科学学科教学中的问题意识与问题设计。

一、科学学科教学中问题意识的价值

陶行知说“创造始于问题,有了问题才会思考,有了思考,才有解决问题的方法,才有找到独立思路的可能”[1]。一切发明创造都始于问题的发现,这正如苏格拉底所言“问题是接生婆,它能帮助新思想的诞生”[2]。由此可见,问题既是创造的起点,又是创造的动力。问题来源于哪里?来源于人的思维,来源于具有问题意识的人。科学学科教学中的问题意识的价值,主要体现在如下三方面。

(一)实现学科教学目标的内在意向

爱因斯坦提出“提出问题比解决问题更重要”[3]。有些心理学家认为,科学上很多重大进展与发明创造,与其说是问题的解决者促成的,毋宁说是问题的寻求者促进的[4]。可见,在很多学者看来,在整个问题解决过程中,问题意识比问题解决更重要。其中,对问题的寻求,体现的是一种问题意识。科学发展的脉络与本质就是质疑、探索与创新,而问题意识的培养是达成批判精神、创新能力的必然途径、本质诉求,所以,问题意识是科学学科教学目标的内在意向。因此,义务教育科学课程标准要求“保持好奇心和探究热情,乐于探究和实践”“不迷信权威,敢于大胆质疑,追求创新”[5]。

(二)激发学生深度思考的动力源泉

在西方,苏格拉底的助产术,集中表现在他经常采用的“诘问式”的形式中,以师生共同谈话、共商问题、获得知识为特征。柏拉图师承苏格拉底,提倡通过问答形式,提出问题、揭露矛盾,然后进行解决。亚里士多德则提出“吾爱吾师,吾尤爱真理”“思维从疑问和惊奇开始”[6]。在中国两千多年前,孔子就要求自己和学生“每事问”[7],认为“疑是思之始,学之端”[8],他的学生子夏提出“博学而笃志,切问而近思,仁在其中矣”[9],孟子提出 “尽信书,则不如无书”[10]的读书存疑的主张。可见,中外教育家都提倡,问题意识是探索与求知的动力源泉,它能激发学生的好奇心、想象力、求知欲,使学生成为学习的主人。

(三)建立促进知识建构的行为心向

知识是抽象概括的,知识只有通过问题化设计,以丰富的问题情境为载体,才能充分挖掘其意义系统,发挥其教育功能,使学生在真实的问题解决中实现知识的深度理解、广泛关联,而这个理解与关联不是自发的,需要问题意识的激发与调动,使学生在对比、归纳、迁移、想象等心理活动中逐步实现。因此,需要将问题意识的引发和培养作为核心素养培育的基本目标,作为问题情境创设、问题解决能力培养的前提,使之成为促进学生全身心投入、实现沉浸式学习、知识建构的行为心向,使学生从根本上杜绝记忆性、浅表性、机械重复训练式的学习。

问题意识的培养对于变革当下科学学科的学习方式、针对性地解决当下学生以做科学习题代替科学学习和科学实践探究的问题具有重要意义。因此,探索问题意识的培养、进行科学的问题设计是科学学科教学改进的重要课题。

二、科学学科教学中问题意识的内涵诠释

问题意识是一种积极的心理品质,在科学学科教学中,这种品质的培养极为重要。但是,培养问题意识从何处入手呢?须厘清问题意识的内涵,明晰问题意识与问题解决的内核关系,进而探析问题意识的培养路径。

(一)问题意识的内涵

什么是问题,《教育大百科全书(第H卷)》定义问题是由已知情况(如对现状的描述)、目标状态(如对期待的描述)和一系列操作(如从一种状态到另一种状态的程序和规则)组成[11]。美国心理学家纽厄尔与西蒙提出“问题是这样一种情境,个体想做某件事,但不能即刻知道做这件事所需要采取的一系列行动”[12]。据此,可以总结出科学教学中的问题应具有如下特征:(1)一定的意识性,即学生对问题的某个方面有一定的感知和解决的欲望;(2)答案或解决路径的不确定性,需要学生克服一定的障碍,经历一些思维挑战;(3)一定的解答基础,学生面对的问题与科学家不同,需要衔接一定的认知基础或者搭建适当的支架。

关于问题意识的内涵,姚本先明确提出“在认识活动中,经常意识到一些难以解决的、疑惑的实际问题或理论问题,并产生一种怀疑、困惑、焦虑、探究的心理状态,这种心理又驱使个体积极思维,不断提出问题和解决问题,这种问题性心理品质称为问题意识”[13]。周小山等认为问题意识是指问题成为学生感知和思维的对象,从而在学生心里造成一种悬而未决但又必须解决的求知状态;关文信认为问题意识是指个体对问题能够敏锐感知,不断地提出问题和解决问题的心理品质[14]。

根据以上学者对问题和问题意识内涵的分析,本研究将问题意识界定为“一种对问题敏锐感知、善于质疑,并急于通过探索、存疑、求证、对比分析等行动解决问题的积极心理品质”。其特征为:问题意识表现为一种质疑的态度;问题意识是一种思维品质,体现了思维的批判性、深刻性;问题意识体现为一种较为持久的反思状态,一种对认知不平衡的持续对比和思考;问题意识体现为一种强烈的解决问题、达到认识彼岸的欲望。

(二)问题意识与问题解决

在分析问题意识要素之前,先参照国内外学者研究得更为广泛的问题解决这一概念。问题解决(Problem Solving)一词源于认知心理学范畴,安德森(Anderson,1985)将其定义为由一定情境引起的,按照一定的目标,应用各种认知活动、技能等,经过一系列思维操作,使问题得以解决的过程[15]。而针对问题意识与问题解决的关系,学界划分的标准不一。20世纪初,杜威(Dewey,1910)提出了问题解决过程的五阶段模型:意识到困难的存在;鉴别出具体问题;搜集材料并对之整理,提出假设;演绎推理该假设;以实际行动验证假设[16]。到20世纪中后期,在现代认知心理学的基础上,基克 (Gick,1986)又提出了问题解决的四阶段模型:理解和表征问题;寻求解答;尝试解决;评价[17]。拜尔和李斯顿(Beyer &Liston,1996)则提出了问题解决有六个阶段:确定问题;呈现问题;选择或发现解决问题的策略和计划;执行计划或尝试新策略;总结;查核结果[18]。

综合上述观点,杜威的观点是问题解决包含问题意识,但绝大多数学者认为问题解决并不包含问题意识,而是包含基本的理解和表征问题、制订方案、尝试解决、检验与评价四步。而事实上,在当前教学实际情况下,学生常常没有选择问题的机会,是被动接受教师抛出的问题,甚至是练习,无论问题情境的真实度如何、问题的挑战性有多大,这些问题常常不是学生自主发现的,缺少了学生怀疑、提出问题的环节。因此,在问题解决之前,若能由学生自主产生怀疑、发现问题并进行识别,无疑是更高级的思维表现。当然,若教师抛出的问题在解决过程中引发了学生的质疑,又提出了新的问题,然后加以解决,这个过程中学生就体现了问题意识。

因此,若要切实改变当前教学实际中学生被动接受问题、盲目解答习题、没有机会质疑问题的现状,应使问题发现涵盖问题解决的前中后各环节,它们共同构成问题意识的培养要素。

(三)问题意识的培养

根据科学学科的特征,问题意识培养应包括发现问题、解决问题两个环节。

一切问题的产生都源于问题的发现,发现问题是学习活动、问题解决活动的关键。发现问题源于一定的认知基础,源于对学习的深度投入,源于对自身认知的困惑、焦虑与急于探索的欲望,因为这种问题内生于学生自身的认知体系,其针对性和自发性更强,因此其解决探索的欲望必然比教师给出的问题更为强烈,解决之后的学习成就感、意义感也必然更加强烈。所以,发现问题是学生自主学习开启的标志,是学生能力提升的前奏。

发现问题包含存疑和明确问题,存疑意味着先有简单的质疑。比如,在初中物理关于浮力的教学中,学生质疑“为何小球能在浴盆里浮起来”,而这样一个质疑的念头却不能反映学生真正的问题是什么。学生真正的问题可能是“因为球很小吗?”“球的材料是什么?”“球是否是空心的?”也可能是“水是热的吗?”还可能是“如果换作游泳池,还能浮起来吗?”存疑之后,若不能明确辨析问题,存疑就流于简单化,无法实现针对性的解决。

然后就是解决问题。分析问题意识的内涵,若只是发现了问题、但没有进行问题解决的尝试,便不能视之为具有强烈的问题意识,学生的疑问也得不到解决和证实,学生提问的价值没有得到充分体现,久而久之,提问的兴趣就会大大降低。因此,发现问题固然重要,但是解决问题是对发现问题的最大奖励。同时,在问题解决的过程中又可以随时发现新的或衍生的问题,可以反过来证实、证伪或拓展之前发现的问题。

可以看出,在解决问题的过程中,仍然有发现问题的机会。但是,并不能因此将发现问题归入解决问题的过程,因为这样的理解会导致教师完全漠视布置作业或提出问题之前学生的主观能动性、忽视学生已经存在的问题,而另外自行布置学生可能并不欢迎、并不需要的问题,浪费了学生的时间,也抑制了学生的问题意识。

因此,如图1所示,问题意识培养包括发现问题、解决问题两个相互交织融合的部分,其内在构成要素决定了问题意识也有强弱之分。存疑、明确问题、解决问题中的任何一步难以做到,都是问题意识不强的表现。问题意识强的表现是学生在解决问题的过程中不断存疑、明确问题,体现学生是问题解决的主体,具有分析、评价、反思与调控的能力,在问题解决过程中调用了高级的元认知能力。所以,在机械的习题训练中,教师长期漠视这个完整过程的重要性,而经常代替学生来完成某个步骤,甚至是全过程,学生无法获得问题意识的体验和培养。

图1 问题意识培养结构图

三、科学学科教学中的问题设计

由上述对问题意识的完整理解可知,教师进行问题设计的关键是让学生能有机会体验整个问题意识获得的过程,在问题意识的完整、多次、持久体验中获得问题意识的培养,获得发现问题并解决问题的自觉性、效能感。在科学教学中,这种问题意识的培养,需要以问题为导向,以教师高质量的问题设计为前提。问题的来源、问题设计的支架四要素、问题设计的策略三个方面共同作用是保证高质量问题设计的前提,使学生能动地探究建构、经历高阶思维的基本过程、追求持久理解的效果,及对问题意识的持续引发。

(一)科学问题的来源

具有学习价值的教学问题,其来源三要素:课标内容与学业要求、实验生产生活实际或学科发展史、学生认知障碍。三方面分别代表教学目标要求、化学知识的价值与意义、学生学习的实际困难与需求,分别能够指导问题解决的最终目标、问题设计的情境来源、问题的知识聚焦点与表达方式。

比如《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中有内容要求“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性质,认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响”[19]。相应学业要求有“能根据物质的性质分析实验室、生产、生活以及环境中的某些常见问题,说明妥善保存、合理使用化学品的常见方法”[20]。由此可以看出,课标特别重视学生对学习科学之后的价值判断、在遇到真实的生产生活情境时的行动选择。但是,现实教学中,教师反而忽视了这种教学价值的传递。那么选择什么样的真实情境能达到这一目标、又正好契合学生的认知障碍?以下是《84消毒液的性质及应用》一课发生的一段对话(如表1所示)。

表1 问题设计三要素融合案例

然而,在老师亲手做了84消毒液与洁厕灵混用冒氯气的实验后,仍然有学生认为能混用。那么,生活中发生这样的惨剧就不奇怪了。由此可见,课堂中真问题的提出和解决显得多么可贵!教学的第一要务就是要让学生学会生活,这样的问题,将学生和普通公民在生活中遇到的困惑直接暴露出来加以解决。但是,实践中发现,很多老师都讲过这个问题,但并没有结合生活中的实际情境,也没有给学生暴露认知障碍的过程,所以学生没有经历问题引发、自主解决的过程,这样重要的安全问题和价值判断并没有深刻地融入学生的认知结构,没有自然养成学生的基本素养。因此,有价值的科学问题一定要是三要素充分融合的问题。

(二)问题设计的支架

课堂问题区别于考试问题,考试问题需要学生独立思考来解决,整体考察大多数学生的平均水平,每个问题的设问方式与难度控制受限于考试功能的发挥,并且不需要活动设计。但课堂问题一定是针对当下此班学生的学情,应设置能使所有学生能力进阶的问题。因此,考试问题不能简单地拿来作为课堂教学问题,应进行综合设计才能发挥问题的教学功能。

根据科学知识的特征及问题意识引发的目标,提出问题设计的支架四要素,分别是:知识选择、情境设置、问题结构、活动设计。

1.知识选择

《布卢姆教育目标分类学(修订版)》将具体知识分类为事实性知识、概念性知识、程序性知识、元认知知识[21]。事实性知识,是学习者在掌握某一学科或解决问题时必须知道的基本要素;概念性知识,是指一个整体结构中基本要素之间的关系;程序性知识,是“如何做事的知识”;元认知知识,是关于一般的认知知识和自我认知的知识[22]。

根据这一在全世界广为认可的知识分类方法,科学教学中元认知知识的掌握是学习达到高境界的表现。事实性知识应是一般学生通过自我学习就能掌握的知识,事实性知识、概念性知识是程序性知识、元认知知识学习的基础,多项事实性知识的组合可能形成概念性知识,对概念性知识、程序性知识的评价、选择和综合应用可能形成元认知知识。因此,科学教学中的问题设计应该导向概念性知识、程序性知识的运用,最终是元认知知识的获得。

2.情境设置

“唯有使知识和技能回到个人生活、社会生活和职业世界的具体情节中去探究与实践,方有素养的形成与发展。”[23]否则学生获得的知识,除了在课堂、应试等结构简单的问题中有效,却难以在其他复杂的、不可预测的生活情境中灵活地迁移与运用,难以对学生的情感和科学精神起到激励作用[24]。素养是运用知识、技能与态度解决不可预测情境的高级能力,不仅能帮助学生应对那种新颖的、有难度的应试问题,更能解决实际生活、实验探究中面对的真实问题,培养学生创造性地独立解决问题的能力[25]。因此,科学教学中的问题应是以真实情境为载体的问题,情境应来源于科学与社会、生产、生活、环境的关系,一般分为生产生活情境、实验探究情境、化学史料情境和学术探索情境,这既是科学学习最好的载体,也是科学学习最终的价值归宿。通过问题的情境化设计,形成丰富的知识应用变式,引发对知识的深度理解、本质理解,实现对知识的广泛迁移。

问题中的情境一般分为无情境或虚假情境型、单一情境型(单一熟悉型、单一陌生型)、综合情境型(综合熟悉型、综合陌生型)。综合性越强、陌生度越大,问题的创新性和问题解决的难度越大。

3.问题结构

依据结构性的不同,乔纳森将问题分为良构问题(Well-Structured)和劣构问题(Ill-Structured)。良构问题一般是指已知条件规范、明确,有可知的、可理解的解决方法,有正确、统一的答案,且有一套完整的解决问题的方法或规则;而劣构问题目标界定含糊不清,具有多种解决方法、途径或根本不存在解决方法,没有公认的解决方法[26]。很显然,针对培养学生问题意识的问题,需要的是劣构问题,劣构问题的开放性与不确定性能给学生发现问题的空间和机会,并且不同的学生可能有不同的疑问、不同的解决方案。将问题嵌入真实的任务情境之中,并调整其问题解答的不确定性或多样性,是设计劣构性问题的好方法。

但是,科学课堂教学中的问题解决与科学家或者现实生活中的问题解决又应有所不同,因为课堂教学中的问题解决受制于学生当下的认知水平,而且其能力的培养不必一蹴而就,可以是随着年龄与认知的增长而逐步进阶。因此,问题设计的劣构程度应该认真斟酌。可以通过调节问题解决的探究性和创新性、答案的开放性来调节问题的适构性。让学生在适构性问题的解决中充分调用相关知识,建立已有认知与新知识之间的桥梁,实现同化与顺应。

4.活动设计

苏霍姆林斯基说:“当知识与积极的活动紧密联系在一起的时候,学习才能成为孩子们精神生活的一部分。”[27]杜威认为,“教学应从学生的经验和活动出发,使学生在游戏和工作中,采用与儿童和青年在校外从事的活动类似的活动形式”[28]。活动教学思想强调学生应是学习参与的主体,不再是被动的听众甚至旁观者,而是主动的参与者与操作者,在与自然、社会情境的交互作用中真正地认识自我、找到自我、觉醒自我并提升自我。这种自我感的实现,需要通过活动建立起知识与学生自我的联结,要从知识回归到学生自我[29]。使学生在知行合一的理论与实践结合中充分学习、全面学习、沉浸式学习。

活动设计的目的主要是帮助学生明确必要的学习活动方式、经历与过程。当然,并非所有的问题都要进行活动设计,主要是针对课堂承载重要认知思路与方法、发展核心素养的关键问题,如概念的建立与同化、规律的理解与应用、物质性质的预测与检验等。活动设计的目的:一是给更多学生思考参与的机会;二是在探究质疑与相互启发中发展对知识的深度理解与关联、提升关键能力;三是达成学生自我评价与认知调控。活动方式主要包括独立思考、设计探究、研讨评价等。

将上述支架的四个要素建构成如图2所示的模型。四个要素中,知识选择、情境设置、问题结构决定着问题的难易程度、思维能力培养的层级、认知迁移的远近,但是活动设计决定着学生参与与投入的方式、评价与反思的深度、情感体验与感悟的程度。四个要素形成合力,达成素养培育的目标。

图2 问题设计的支架四要素模型

(三)问题设计的策略

问题设计的策略是指设计出高质量教学问题的方案、方法与路径组合,包括选定教材单元知识点、寻找并确定问题的来源要素,然后逐项确定支架四要素的层级,探索出问题层级进阶的序列,并在序列中选择问题组来开展教学。

以高中化学选择性必修课程内容“化学反应速率的测定”教学为例,按照问题三个来源融合的原则,选择的知识点应该是“学会用多种方法测定真实化学反应的速率”,选择的真实情境来源于化学实验或生产生活,学生的认知障碍是:在非溶液、非混合气体或混合状态体系中,不知如何设计和选择可供计算的物理变量。问题设计支架四要素的层次应帮助精准突破这一认知障碍。问题设计支架四要素进阶使用方法如表2所示[30]。

表2 问题设计支架四要素进阶案例

由表2可见,A、B两种问题以浅层的事实性知识为教学目标,采用的是虚假或单一真实情境,没有设问的价值;C、D、E以程序性、概念性知识,甚至是元认知知识为教学目标,问题情境真实,答案具有一定的开放性,会给不同的学生带来不同的学习体验与收获,能引发认知冲突与重组、引发新问题,其中C可以根据课堂设问层次及学生发展的需要、补充进行活动设计;D、E因为情境的综合性、真实性,问题结构的劣构性,能引发合作探究与高阶思维。但是每个问题应何时使用,选择哪几个问题组合使用,要根据学生实际进行综合判断。

针对目前基础教育一定程度存在的表面化、浅层化教学,学生被动接受习题训练,探究能力创新意识缺乏的教学现状,问题意识的唤醒显得尤为必要,因此,以引发问题意识、提高问题解决能力为目的的高质量问题设计,才能彰显科学教育的价值、才能助力于创新能力的培养。▲