浸润批判性思维的物理教学框架与策略——以人教版“动量守恒定律”教学为例

汪 明 任虎虎

(1.江苏省教育科学研究院,江苏南京 210013;2.华东师范大学,上海 200062;3.江苏省太仓高级中学,江苏太仓 215411)

批判性思维也叫“审辨式思维”,其最初的起源可以追溯到苏格拉底著名的“苏格拉底提问法”.在他的提问模式中,强调思考的清晰性和逻辑性,通过提问揭示对话者的思维盲点.杜威提出反思性思维,其认为反思性思维是一种解决经验存在问题的方法,是一种使经验不断重组和改造的方法.[1]恩尼斯认为:批判性思维是为决定信什么或做什么而进行的合理的、反省性的思维,这一定义被大多数人所认可.[2]

1 批判性思维与物理学科核心素养的关系

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中明确提出“培养具有批判性思维的意识,能基于证据大胆质疑,从不同角度思考问题”“能对已有结论有依据地质疑、采用不同方法分析解决问题”等.[3]可见,课程标准对批判性思维的培养提出了明确的要求,批判性思维与物理学科核心素养到底是什么关系呢?笔者认为物理学科核心素养是批判性思维在学科层面的具体表达,它们是充分融合、相辅相成的关系,如图1所示.

图1 批判性思维与物理学科核心素养的关系

依据批判性思维的定义:批判性思维是为决定信什么或做什么而进行合理的、反省性的思维.可以将其分为两个维度4个要素:信什么与做什么、合理性与反思性.

“信什么”反映了批判性思维的倾向,是情感和价值取向维度,指向观念建构.这里的观念不仅包括学科层面的、还包括价值层面的.“做什么”反映了批判性思维的技能,是迁移和问题解决维度,指向实践应用.这里的实践不仅包括外显的行为,也包括内隐的思维.“合理性”是批判性思维的基础,只有合乎学科逻辑、合乎学生认知逻辑,学生才可能去深入思考,合理性的实现需要基于证据进行分析、推理和论证.“反思性”是批判性思维的核心,只有引导学生对自己学习的过程、思维的方式与策略进行全面的反思内化,[4]才可能发展自己的认知图示、提升思维品质;才可能综合应用所学创造性地解决问题.

观念建构在学科层面的合理论证结果就体现为学科观念(即物理观念),观念建构在价值层面的反思与内化就体现为科学态度与责任.外显的、合理性的学科实践过程表现为科学探究,内隐的、反思性的实践过程表现为科学思维.

基于对课程标准的分析,物理学科核心素养的4个维度蕴含的批判性思维内容见表1.

表1

另外,物理学科核心素养的培养也离不开批判性思维,物理观念的形成需要批判性地自我反思,将事实、经验和问题等抽象内化向观念进阶;批判性思维是高阶思维的内核,同样也是科学思维的内核;科学探究中需要对实验方案进行批判性的论证、对实验误差和实验结论的得出进行批判性的分析;批判性思维过程本身就是培养严谨认真和公平公正的科学态度与责任的过程,批判性思维内蕴着积极反思的态度.[5]发展批判性思维的过程其实就是培养物理学科核心素养的过程.

2 浸润批判性思维的物理教学框架构建

浸润批判性思维的物理教学离不开良好的批判性思维环境支持,包括物理文化、境脉和资源等.物理学科的人文意蕴就是:求真、向善、臻美,所以求真、向善、臻美是物理教学的文化基石和价值追求.在此基础上构建的金字塔框架如图2所示.批判性思维环境的椭圆边界用虚线框,表示这里的环境没有绝对的界限,随着学习的深入可以不断向外扩展.元认知位于该框架的顶点,贯穿于教学全过程.通过引导学生对自己的思维发展进行持续反思,不断调试自己思考的方式与策略.

图2 浸润批判性思维的物理教学金字塔型框架

另外,在这个模型中,实线部分对应的内容(知识结构、思维技能和求真)有显性之意,虚线部分对应的内容(情感态度、向善和臻美)有隐性之意,共同构成物理教育的结构体系.这一框架也可称为“三三五”模式.

2.1 三基石(底边)

3个底边分别表示求真、向善和臻美,其中求真是物理教学的基础,也是批判性思维发展的动力源泉.向善是价值取向,一方面对于个人,在批判性思考的过程中要充分尊重其他学生的观点;另一方面对于社会,要让批判性思维为人类社会进步贡献力量.臻美是精神层面,在经历批判性思维后,让学生体会到物理学的逻辑美、简洁美、对称美和统一美.著名物理特级教师吴加澍也认为:真、善、美是物理教学的最高追求.[6]其实,在物理学发展史上,很多科学家也将真、善、美作为自己追求的最高价值和终极目标,如麦克斯韦和爱因斯坦等.

2.2 三维度(侧棱)

3个侧棱分别表示知识结构、思维技能和情感态度.现代批判性思维运动之父格拉泽认为:批判性思维是态度、知识和技能的综合体.知识是批判性思维的对象,并在批判性思考的过程中不断被优化形成系统化的知识结构,所以离开知识谈批判性思维就是空中楼阁.思维技能是批判性思维的重要内容,在物理教学中主要包括:解释、阐释、分析、评价、推理、论证、自我改进等能力.[7]由于物理学科比较抽象,在物理教学中发展批判性思维需要坚韧不拔的意志和严谨认真的态度,积极向上的情感和良好的学习态度是持续进行批判性思考的保障.

2.3 五层次(层级)

批判性思维在物理教学中主要表现为5个进阶的维度,从低到高依次为:体验与感知、质疑与假设、推理与论证、分析与评估、综合与创造.

首先,创设与学习主题相关的多元化、网络化物理情境脉络,引导学生进行亲身体验与感知,激发学生积极的情感和探究的热情.其次,随着探究的深入和问题的驱动,学生在新知和旧知之间有时会产生认知矛盾,进而引发疑问,在质疑的基础上进行合理假设.[8]再次,借助物理学习过程中的有效反馈,学生不断修正、改进自己的假设,在寻找证据进行反复论证的过程中,形成对物理学科本质的理性认识.从此,通过对学习的内容、过程与方式持续反思,做出合理性的评估,实现物理知识的意义化建构.最后,对所学习的物理知识与思想方法进行综合,迁移到陌生情境中创造性地解决复杂问题.

3 浸润批判性思维的物理教学策略

借助上述金字塔物理教学框架,能将批判性思维与物理教学充分融合,基于5个进阶的维度,对应的5个物理教学策略为:创设挑战情境、诱发认知冲突、促进体验与感知;把握问题本质、建立物理模型、促进质疑与假设;基于已有认知、进行自主建构、促进推理与论证;寻找有效证据、实现深度理解、促进分析与评估;解决实际问题、培养责任意识、促进创造与综合.下面以人教版新教材“动量守恒定律”教学为例进行说明.

3.1 创设挑战情境诱发认知冲突促进体验与感知

情境是物理教学基础,也是培养批判性等高阶思维的基础.通过创设开放性、挑战性的问题情境,一方面激发学生的探究热情,另一方面能有效诱发认知冲突.认知冲突是新情境与已有认知结构的暂时性矛盾和思维失衡,能促进学生深入思考,这是培养批判性思维的起点.

在“动量守恒定律”教学中,质量不同的两小车前端各固定一个强磁铁,同名磁极相对,用一小段细线将两个小车紧密连接起来,将它们放在玻璃板上,当烧断连接的细线时,观察到两小车在磁铁斥力的作用下向相反方向运动.

接下来将光滑的玻璃板放在跷跷板上,将上述实验放在这个跷跷板上完成,开始时让两个小车(中间用细线连接)在跷跷板上保持平衡,先让学生判断:如果烧断细线,两小车在向相反方向运动的过程中,跷跷板向哪边倾斜,学生都认为是向质量大的小车那边倾斜.接下来教师用火苗将细线烧断,发现两小车在跷跷板上运动的时间内(都未离开跷跷板),跷跷板竟然始终保持平衡,如图3所示.

图3 跷跷板实验

这个情境中让两质量不同的小车在跷跷板上开始阶段保持平衡有很大的挑战性,演示实验的结果极大地诱发了学生的认知冲突,激发求知的欲望.

3.2 把握问题本质建立物理模型促进质疑与假设

物理模型是在研究或解决物理学问题时,舍弃次要因素,抓住主要因素而建立的.建立模型的过程中需要对所研究问题的本质有清晰的认识,对相关影响因素进行分析.实际教学中,学生不可能一次就对问题本质有深刻的理解,需要经历“质疑—假设—验证”螺旋进阶的过程.

对于上述实验结果,有很多学生质疑,认为跷跷板可能发生了较小的倾斜,没有观察到,对于这个质疑尝试让学生自己提出假设与验证的方法.可以采用拍摄视频,用慢动作播放的方式验证,也可以增大两小车间的质量差,重新进行实验观察.还有学生认为实验过程比较短暂,跷跷板质量比较大,惯性大,可能还没来得及倾斜.对这个疑问可以引导学生建立物理模型,从理论上进行深入探讨,分析一般情况下两小车的运动过程,这正是本节课的重点内容.

由于采用表面较为光滑的玻璃板,所以可以认为两小车在光滑水平面上运动.另外,两小车在水平面上平动,可以将其看作质点,分别受到作用力和反作用力.具体模型为:光滑水平面上,质量为m1、m2固定有磁铁的小车,分别在恒力F1、F2的作用下沿同一直线向右运动,如图4所示,某一时刻,二者速度分别为v1、v2,经一段时间后,二者速度分别为v1'、v2'.

图4

这个模型的建构有承上启下的作用,既是前面实验与对问题本质认识的结果,也是后面进行推理论证的重要基础.

3.3 基于已有认知进行自主建构促进推理与论证

在已建立物理模型的基础上进行推理论证是物理学家们经常使用的方法,也是物理教学的重要策略.充分利用已经学习的知识与方法,对所研究的问题进行自主和合作的推理与论证,让新知识深深扎根于旧知识,[9]并在已有认知的“土壤”上不断“生长”,进而理解新知识的合理性,实现自主建构.这即为“求真”的过程,也是发展批判性思维的核心环节.

引导学生利用已有知识尝试推理论证这些物理量之间的关系.如果规定以向右为正方向,对于小车m1,由动量定理有(F1-F21)t=m1v1'-m1v1;对于小车m2,由动量定理有(F2+F12)t=m2v2'-m2v2.再由牛顿第三定律可知:F21=F12.将两个式子的左边和右边分别相加,得到(F2+F1)t=(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2).

如果将两小车看作一个系统,(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2)即为系统的动量变化量,上述式子即为两小车m1、m2组成系统的动量定理表达式.如果F2+F1=0,即系统的合外力为0,系统的总动量守恒,此即为系统动量守恒的条件.

在开始的跷跷板情境中:由于两小车放在光滑的玻璃平面上,运动距离较短,近似满足动量守恒的条件.并且开始时两小车处于静止状态,系统总动量为0,这样可以推理得到m1v1'=m2v2'.此式对每个时刻都成立,则一段时间内的平均速度代入也成立,两边同时乘以运动时间Δt,得到m1x1=m2x2.也就是满足杠杆平衡条件,所以两小车运动过程中跷跷板保持平衡.

基于牛顿第三定律和动量定理进行推理论证,从理论上得到了系统动量守恒的条件及其内容.

3.4 寻找有效证据实现深度理解促进分析与评估

批判性思维是基于事实证据的分析与反思,在教学中一方面可以给学生提供正、反两方面的证据,让学生进行分析和甄选出有效证据,进行证实或证伪;[10]另一方面也可以让学生自主或合作寻找证据来支撑自己的观点.在对证据进行分析和反思的基础上,促进对知识背后蕴含的逻辑美、对称美进行深度理解.

如何寻找实验证据进一步研究动量守恒定律呢?教师可以放手让学生设计方案.

学生提出方案1:用以前“探究加速度与力、质量的关系”的装置,将两个小车分别平衡摩擦力,从而满足动量守恒的条件,然后用一个运动小车撞击静止的小车,撞击后粘在一起继续运动,用打点计时器测量碰撞前后的速度.

方案2:将两个小车放在气垫导轨上实验,用两个光电门测量碰撞前后的速度.对于两种方案让学生进行综合评价和辩证分析,培养学生的批判性思维能力.经过协商后发现用气垫导来进行实验,操作过程和数据处理比较方便,接下来让学生用此装置小组合作进行实验探究,如图5所示.

图5 小组实验探究

进行数据处理,归纳综合得出实验结论后,让学生对本实验的过程进行反思和质疑:有学生提出光电门只能测量碰撞前后匀速运动阶段的速度,那么在碰撞的动态过程中,是否也满足动量守恒呢?这里可以用DIS平台的速度传感器,测出两小车的vt图像,在两小车碰撞端各固定一个强磁铁,并且同名磁极相对,延长相互作用的时间,如图6所示,进行数据分析.

图6 用DIS平台研究碰撞过程中系统的总动量

通过从理论分析到实验探究、从特殊状态到一般状态,帮助学生对动量守恒定律进行多维度分析,深刻理解其系统性、矢量性和普适性,也有助于提升学习对物理学对称美、统一美的认知.[11]

3.5 解决实际问题培养责任意识促进综合与创造

解决实际问题是批判性思维的重要维度,也是培养批判性思维的重要方式.学生在对实际问题进行解决的过程中需要对纷繁复杂的信息进行辨析,需要经历构建物理模型、分析综合和论证评估等过程.[12]并且实际问题往往与社会发展紧密联系,有助于增强学生的社会责任感,这也是物理教学“向善”的过程.

外太空小行星来犯是地球生命面临的潜在灾难性威胁,尽管发生概率极低,但危害极大.2022年12月15日在浙江省杭州市和金华市一带,一颗超亮火流星刺破了夜空,引发了社会热议和国内学者对行星防御问题研究的重视.针对经典动能撞击在预警时间较短的条件下无法有效防御大尺寸小行星的问题,中国科学院国家空间科学中心提出了“以石击石”的防御方案,被国际同行公认为是可行的方案.

直径在100 m以上的小行星质量一般可以达到数百万吨,而用来防御的组合撞击体质量只有100～200 t,在“以石击石”方案中,如何实现防御目标的呢?请学生课后查阅相关资料,利用已有的知识、结合工程技术条件提出属于自己的解决方案.这个实际问题的解决不仅有助于所学知识的迁移应用,还有助于增强学生的人类命运共同体意识和社会责任感.

物理学是一门以实验为基础、以理性思维为中心的学科,培养批判性思维能力是物理学科教学的核心内容和本源目标,即物理学科教学为批判性思维能力的培养提供了广阔的实践场域.只有充分理解批判性思维与物理学科核心素养的内在逻辑关联,才能将批判性思维有效浸润到物理教学中并发展之.本文基于物理学科本质构建了浸润批判性思维的物理教学金字塔框架,并总结凝炼了相应的教学策略,期许为一线教师的教学实践提供可借鉴的范式.