淺談高中物理課堂經歷科學思維的任務式教學

唐黎明

(上海市寶山區(qū)教育學院，上海 201900)

1 聚焦科學思維

教育部制定的《普通高中物理課程標準(2017年版)》[1](簡稱《標準》)，正式提出了高中物理課程核心素養(yǎng)的4個方面，它們分別是物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任.

物理核心素養(yǎng)的4個方面是緊密聯系的.就一節(jié)物理課來說，物理知識方面的目標教學是顯性的，作為學習機智伴隨著的科學思維是隱性的、無法回避的，而物理觀念的形成是以物理知識的習得為基礎，所以物理觀念與科學思維聯系在一起；科學探究是一種學習方式，由于“效率”的原因，盡管一節(jié)課不可能經歷完整的科學探究程序，但可以經歷其中的某個或某些科學思維環(huán)節(jié)，因此科學探究也是離不開科學思維的，科學思維是科學探究中不可缺少的元素；在課堂上呈現以科學態(tài)度與責任為背景的物理事實性材料，通過這種事實性材料我們期待能潛移默化地提高學生科學態(tài)度與責任方面的品質，顯然這些事實性材料是建構物理知識的基礎，由此，又可以將物理觀念和科學態(tài)度與責任聯系在一起.所以在物理課堂教學中不可能將物理核心素養(yǎng)的4個方面絕對地分開或孤立，它們應該聯系在一起.

雖然物理核心素養(yǎng)的4個方面如此緊密地聯系在一起，但我們仍應當厘清它們之間的關系.就上面分析的科學思維和物理觀念、科學探究的關系來看，科學思維相對于物理觀念和科學探究的習得來說是一種先決性的學習條件，不具備一定科學思維素養(yǎng)的人要習得物理觀念和科學探究素養(yǎng)是有困難的；對于科學態(tài)度與責任的習得也是需要以一定的認知能力為前提條件的，這種認知能力主要就是科學思維素養(yǎng)，所以物理核心素養(yǎng)的4個方面中科學思維是能全面促進其他3個方面學習的，是最具有前提性的地位，其他3個方面的學習都是離不開科學思維素養(yǎng)，抓住了“科學思維”，其他3個方面就迎忍而解了.

就某一節(jié)課來講，或許科學探究素養(yǎng)作為教學重點是合理的，但是從常態(tài)的課堂實踐意義上來講，科學探究素養(yǎng)是最有價值的嗎？無論你是否意識到，平時的每節(jié)物理課幾乎都需要科學思維起作用，也就是說科學思維教育可以常態(tài)地進行.郅庭瑾認為“大量的事實和科學研究成果已經證明了思維訓練的有效性，亦即思維是可以教會，能夠通過教育得以改善和提高的”，并提出“為思維而教”.[2]朱智賢和林崇德認為思維是人腦對客觀事物的本質和事物內在的規(guī)律性關系的概括與間接的反映，[3]《標準》指出科學思維是從物理學視覺對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，所以科學思維是思維的一種特殊形式.既然思維可教，那么科學思維也可教.

總之，對于物理核心素養(yǎng)教育我們以科學思維素養(yǎng)的落實為抓手是合理的，當我們找到了一種有效的科學思維素養(yǎng)教育路徑，那么就可以常抓不懈，學生科學思維素養(yǎng)的提升，必將為物理觀念、科學探究和科學態(tài)度與責任的教育開劈道路，創(chuàng)造條件.那么如何在高中物理課堂上開展科學思維教育呢？筆者認為“高中物理課堂經歷科學思維的任務式教學”可以解決這一問題.

2 經歷科學思維，錘煉科學思維素養(yǎng)

從《標準》對科學思維的定義來看，科學思維存在于物理知識的獲取和運用過程中，只有通過物理學習才能經歷科學思維，只有通過反思物理學習過程才能考查其中的科學思維，在物理教學中有意識地引導學生“經歷科學思維”是科學思維教育的必由路徑.[1]“科學思維教育主要不是靠傳授，而是要靠學生自己去經歷和體驗，不能把科學思維當作知識來接受，不能只當旁觀者，要主動投入到知識建構的全過程中.”[4]這些觀點同樣表明，科學思維教育必須通過物理知識建構的過程去實現.

就《標準》闡述的課程結構來說，宏觀上有必修課程、選擇性必修課程和選修課程，這3類課程性質是從學業(yè)結構上來劃分的，而每一類課程下的“模塊”實際上是高中物理知識的內容模塊.這些“模塊”并不反映物理核心素養(yǎng)的內容結構.物理核心素養(yǎng)的點滴內容是依附在具體物理知識內容上的，也就是說《標準》并沒有給出物理核心素養(yǎng)的系統的具體內容.《標準》的意圖是物理核心素養(yǎng)的教育要通過物理知識的系統學習來實現，物理教學是物理核心素養(yǎng)教育的途徑；學生通過經歷物理學習，來經歷物理核心素養(yǎng)的錘煉，以達到《標準》倡導的物理核心素養(yǎng)教育的課程目標.基于《標準》的這樣一種結構和意圖，當我們要關注物理核心素養(yǎng)中科學思維教育時，就不得不采用在物理教學中以“經歷科學思維”的方式來培養(yǎng)科學思維.

3 學習任務承載科學思維

那么以怎樣的方式讓學生來經歷科學思維呢？讓學生完成承載科學思維的學習任務，是經歷科學思維的一種有效教學方式.例如，關于“振動”概念教學所設計的2個學習任務如下.

學習任務1： 在圖1-圖4中各振動物體有什么共同的運動特征？將結論填入表1中.

表1 學習任務1

圖1 振動的琴弦

圖2 振動的音叉

圖3 煽動的翅膀

圖4 擺動的鐘擺

學習任務2： 我們所說的振動是一種怎樣的運動？將結論填入表2中.

表2 學習任務2

面對這2個學習任務，在課堂上讓學生有足夠的時間獨立思考，抑或在教師的引導下可以分別得到解答如表3，表4.

表3 學習任務1的解答

表4 學習任務2的解答

反思這2個學習任務的解答過程可知，它們分別承載了抽象和概括的思維形式，完成這2個學習任務的過程就是經歷了這樣的思維過程，學生不僅主動建構了振動概念，而且也經歷了抽象和概括的思維訓練.

可見，在達成物理知識目標的過程中相應的思維性的學習任務是必不可少的.當學生不經歷這樣的學習任務，是不可能習得這一物理知識的.學生不經歷抽象和概括，就不可能習得振動概念，再如學生不經歷求同差異法的歸納推理過程，就不可能習得閉合回路中感應電流產生的條件，等等.[5]為了能夠在課堂上讓學生積極、自主地思考起來，對于依附實現物理知識目標的科學思維教育，就應該以物理知識形成過程為考察對象，設計相應的學習任務，通過完成學習任務，一方面習得相應的物理知識，另一方面體驗具體的科學思維.

通常來說，經歷單一思維環(huán)節(jié)很少就能實現課堂知識目標.為了實現課堂知識目標，教師需要對實現知識目標的思維過程進行詳細分析，合理規(guī)劃各思維環(huán)節(jié)，并將這些思維環(huán)節(jié)嵌入想要設計的系列學習任務中.這些系列學習任務實際上是引導學生發(fā)現物理知識的系列學習活動“路標”，或許有人認為這些“路標”是教師設計的既定學習路徑，不利于培養(yǎng)學生的自主探究精神，這樣的擔憂不是沒有道理的.針對不同的教學對象和不同的物理知識目標，把握好“預設”的度，是解決這一問題的一種策略，“預設”的適當性正是體現了教學現象中教師的主導作用.有意識地讓學生完成這種系列學習任務，和盲目地讓學生“試誤”相比，不僅提高了教學效率，更讓習得物理知識的必要思維過程明朗化，從而使在物理知識學習的過程中同時進行科學思維的顯性教育成為可能.在系列的學習任務中處于核心地位的思維性學習任務稱為核心學習任務，其他學習任務為這個核心學習任務的完成起到服務的作用，相應地被稱為輔助性學習任務.

4 任務式教學

當我們從承載科學思維的學習任務視角來思考高中物理課堂教學時，就有了高中物理課堂經歷科學思維的任務式教學(以下簡稱任務式教學)的提法.所謂任務式教學是通過設計合理的學習任務，在高中物理課堂上引導學生完成這些任務，從而有意義地發(fā)現或建構需要學習的物理知識，同時經歷科學思維鍛煉的一種教學方式.對于教學，毫不例外地要關注3個方面：教什么？怎樣教？教得如何？對于任務式教學也要明確這3方面的內涵.

教什么？回答的是教學目標問題.顯然，任務式教學首先關注的是科學思維目標，它包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等目標要素.由于“人無法在真空中思考”，[6]科學思維需要通過加工物理知識才得以進行，所以科學思維目標是依懶物理知識目標的，物理知識目標是科學思維目標的源泉，只有在物理知識目標實現的過程中才能經受科學思維的鍛煉，因而，任務式教學也必須關注物理知識目標.當然，任務式教學并不排斥物理核心素養(yǎng)方面的其他目標，實際進行的以任務式教學為導向的課堂，以物理知識目標為契機、以科學思維為學習機智、選編聯系科學態(tài)度與責任的物理事實性材料和經歷科學探究環(huán)節(jié)，來進行物理核心素養(yǎng)4方面的整合，也是可以做到的.我們把物理知識目標和科學思維目標作為任務式教學的基本目標，當從任務式教學角度來設計課堂教學時基本目標是首先應當考慮的.例如，為采用任務式教學方式的“自由落體運動”一課設計了下面4個教學目標.

目標1： 知道自由落體運動的條件，知道自由落體運動和落體本身無關，是一種初速度為0的勻加速直線運動；知道重力加速度；理解自由落體運動的3個公式(h-t，v-t和v-h公式).

目標2： 通過經歷關于伽利略對落體運動研究的推理過程，感受歸謬法和外推法.

目標3： 在有指導的條件下經歷探究自由落體運動性質的過程，感受科學探究過程.

目標4： 通過閱讀伽利略對日心說支持的史料，激發(fā)實事求是和堅持真理的科學精神.

其中目標1是關于物理知識的目標，目標2是關于科學思維的目標，目標3是關于科學探究的目標，目標4是關于科學態(tài)度與責任的目標.這4個方面的教學目標在一節(jié)課上得到了有機整合.

圖5

怎樣教？回答的是教學策略問題.任務式教學是發(fā)現學習原理的運用，“發(fā)現應當是一些有指導的活動，即由教師安排活動，讓學生在活動中搜索、操作、探究和調查，學生進而獲得與活動領域相關的新知識，還獲得問題解決的一般技能.”[7]任務式教學以學習任務為“指導”手段，要求學生自主得出結論，學習任務的采用本身就代表了一種教學策略.在實際的課堂教學中，當學生面臨學習任務有困難時，教師進行“打通思維”的提示是必需的，打通思維是為了讓學生思維能夠朝著發(fā)現目標的方向持續(xù)下去，如果將結論直接告訴給學生，那么就違背了發(fā)現的初衷.關于左手定則的教學通常會做圖5-圖8情景下的實驗.

圖6

圖7

圖8

在設計的實驗記錄單上要求學生分別記下這4次實驗情況下的磁場方向、電流方向和安培力方向，并要求用實物(12根彩棒等)搭建這3個方向，4次分別搭建的結果如圖9-圖12所示.

圖9

圖10

圖11

圖12

接下來給出的學習任務是：判斷能否通過轉動圖10-圖12所示的裝置，使得它們分別與圖9重合？根據結果，你能進一步得出什么結論？

通過操作學生容易發(fā)現是“重合的”，從“重合”現象我們希望學生能進一步得出這樣的結論——盡管各次實驗中磁場方向、電流方向和安培力方向不盡相同，但3個方向之間有必然的聯系，用其中的一個裝置就能把這種關系表示出來.事實上很少有這樣的學生由“重合”得到類似的領悟，并能有較好的表達.這就需要教師通過言語引導思維，例如，轉動裝置時盡管改變了磁場、電流或安培力的實際指向，但改變了這3個方向之間的關系嗎？“重合”表明了4個裝置各自反應的這3個方向之間的關系相同嗎？“重合”表明了這4個裝置可以相互替代嗎？這些設問引導學生從注意3個方向的實際指向，轉移到注意3個方向之間的關系上，并指導大部分學生能成功地發(fā)現“3個方向”之間有確定的關系.當學生都領悟到了這種方向關系，接下去的教學環(huán)節(jié)就是如何表述這種方向關系的問題，對于學生來說，左手定則只是用來表述這種方向關系的一種可選擇的描述.這就是一個任務式教學的典型例子，在本例中學生不僅習得了左手定則，而且經歷了求同法的推理方式.[5]

教得如何？這是一個教學評價問題，可以從任務式教學實施的過程和結果來評價.為了確保在課堂上實際進行的任務式教學按既定要求貫徹，需要對設計的學習任務進行評價，又需要對任務式教學過程進行評價.學習任務評價關心收集與所設計的學習任務有關的信息，任務式教學過程評價關心在任務式教學發(fā)生時收集與教學活動有關的信息.為了判斷任務式教學的有效性、是否需要調整任務式教學策略等，為任務式教學研究提供最直接的價值參考，需要進行課后作業(yè)評價，課后作業(yè)評價需要收集與針對任務式教學所設計的課后作業(yè)有關的信息.為了方便地實施任務式教學評價，分別開發(fā)了3個評價量表工具：學習任務評價量表、任務式教學過程評價量表和課后作業(yè)評價量表，如表5-表7所示.

這3個評價量表都可以作為任務式教學設計的行動指南，是教學設計者自評的依據.作為同行來說，通常在觀察課堂教學時使用前2個評價量表，課后使用第3個評價量表，由3個評價量表各自獲得的信息，可以對一堂實施任務式教學的課進行綜合性的評價.

表5 學習任務評價量表

評分說明：10分～8分為好；7分～5分為較好；4分～1分為一般.

表6 任務式教學過程評價量表

評分說明： 10分～8分為好；7分～5分為較好；4分～1分為一般.

表7 課后作業(yè)評價量表

評分說明：10分～8分為好；7分～5分為較好；4分～1分為一般.

5 任務式教學的價值

任務式教學將促進教師在備課時關注物理知識建構的思維過程，避免了教師在思考教案宏觀結構的同時，疏忽了教學過程中學生思維任務的細節(jié)安排，避免了教師在課堂中即興發(fā)揮可能產生的無效或失誤.任務式教學設計將為傳統備課注入新的元素，基于任務式教學設計的高中物理課堂實踐形態(tài)開展起來，將促進教學觀念由重結論、輕過程向重過程和重結論的轉變.

任務式教學將安排學生自主完成學習任務，他們會親歷科學思維，體驗物理知識獲得的成就感，這將極大地激發(fā)他們的求知欲和學習熱情.所以，持續(xù)成功地開展任務式教學不僅讓他們磨礪了科學思維，獲得了豐富的物理知識，而且培養(yǎng)了他們探究物理的志趣.

任務式教學的研究將揭示高中物理教師專業(yè)性的一種標志——對建構某一物理知識必要思維的鑒別能力.不少學生沒有學懂物理，很可能是沒有經歷這種建構物理知識的必要思維過程.我們可以要求高中物理教師對某一物理知識形成的必要思維進行鑒別，并能夠將這種思維由所設計的學習任務來承載，善于完成這種學習任務設計的教師，我們認為他具有較好的物理教師專業(yè)性，所以評價這種學習任務可以作為判斷高中物理教師專業(yè)化程度的一個方法.

任務式教學抓住了物理核心素養(yǎng)中的關鍵方面——科學思維，排解了物理核心素養(yǎng)教育在實踐中的疑難點，將為物理核心素養(yǎng)全面走進課堂提供實質性的突破口，為物理核心素養(yǎng)教育的實踐提供一種有效的、新穎教學方式，我們將期待任務式教學的實踐研究成果.