指向高階思維的高中物理實(shí)驗(yàn)闖關(guān)教學(xué)策略探索
——以必修1“力的分解”一課為例

余耿華

(廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東 廣州 510220)

1 問題的提出

2017年版新課標(biāo)單獨(dú)將科學(xué)思維列出,而科學(xué)思維貫穿在其他要素之中,可見思維培養(yǎng)在教學(xué)中的重要地位．由于思維的復(fù)雜性,不同的研究者從不同的角度提出了自己對(duì)思維本質(zhì)的見解．美國教育家布魯姆將思維過程具體分為:記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造6個(gè)層次,其中分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造為高階思維．國內(nèi)鐘志賢教授認(rèn)為,高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力;從行為表現(xiàn)上分為分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造,從思維能力方面體現(xiàn)為問題求解、決策力、批判性及創(chuàng)造性思維能力．在當(dāng)前教學(xué)中,應(yīng)試的傾向往往導(dǎo)致部分師生重結(jié)論、重套路,學(xué)生思維能力停留在低階水平;另一方面,學(xué)生對(duì)游戲卻是欲罷不能、無師自通,學(xué)生的游戲思維進(jìn)階神速.受此啟發(fā),筆者嘗試基于具身認(rèn)知理論,將游戲中的闖關(guān)策略應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)之中,以期達(dá)到促進(jìn)學(xué)生高階思維進(jìn)階發(fā)展的目的.

2 指向高階思維的高中物理實(shí)驗(yàn)闖關(guān)教學(xué)策略

筆者根據(jù)具身認(rèn)知理論和課標(biāo)要求,結(jié)合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)設(shè)計(jì)闖關(guān)策略的大關(guān)(任務(wù))和小關(guān)(思維進(jìn)階問題鏈),學(xué)生具身在真實(shí)生活情境中,教師創(chuàng)設(shè)模擬演示或?qū)W生實(shí)驗(yàn),學(xué)生在任務(wù)(大關(guān))驅(qū)動(dòng)下,以思維進(jìn)階問題鏈(小關(guān))為引導(dǎo),自主參與教學(xué)活動(dòng)中,實(shí)現(xiàn)全身心融合,學(xué)生學(xué)習(xí)就像打游戲一樣不斷闖關(guān),學(xué)生高階思維在闖關(guān)中不斷發(fā)展;闖關(guān)示意圖如圖1所示.

圖1

3 運(yùn)用4個(gè)實(shí)驗(yàn)闖關(guān)策略,發(fā)展學(xué)生高階思維案例探討

3.1 大關(guān)1(設(shè)謎引入新課): “比賽”實(shí)驗(yàn)闖關(guān)

具身認(rèn)知理論認(rèn)為:教師能否引發(fā)學(xué)生的具身效應(yīng),學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否能產(chǎn)生具身體驗(yàn),都取決于教學(xué)情境的生動(dòng)性與逼真性,情境越生動(dòng)、越逼真就越能引發(fā)個(gè)體的身體體驗(yàn),而通過比賽闖關(guān)形式,更容易調(diào)動(dòng)學(xué)生全身心投入和感性形象思維,為后面的高階思維進(jìn)階提供思維基礎(chǔ);更容易引起學(xué)生對(duì)現(xiàn)象背后的思考,激發(fā)學(xué)生的求知欲和表現(xiàn)欲,維持積極的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),為后面的高階思維進(jìn)階發(fā)展提供身心支持和動(dòng)力．案例如下.

闖關(guān)基礎(chǔ):學(xué)生日常生活中前概念:借助順風(fēng)可以提供動(dòng)力行船;有些視野開闊學(xué)生了解過逆風(fēng)行船,但普遍了解不深.

闖關(guān)大關(guān)1:設(shè)置逆風(fēng)行船和順風(fēng)行船懸念,引起學(xué)生學(xué)習(xí)的強(qiáng)烈興趣和求知欲.

比賽1:逆風(fēng)行船比賽 (以12人為一大組,共四個(gè)大組).

進(jìn)階問題鏈.

小關(guān)1:實(shí)驗(yàn)器材如圖2，光滑導(dǎo)軌、小車(模擬船)、帆(用兩根一次性筷子和PVC板制作)、大功率吹風(fēng)機(jī)(2400 W);如圖2,認(rèn)真觀察和思考、討論,猜想在標(biāo)識(shí)的4個(gè)不同位置吹風(fēng),帆船是順風(fēng)還是逆風(fēng)運(yùn)動(dòng)?

圖2

小關(guān)2:先猜想,每大組(12人為一大組)選一個(gè)位置并派一代表上臺(tái)實(shí)驗(yàn)演示.

比賽2:3人拔河比賽(以4人為一組,3人比賽,一人做裁判)

進(jìn)階問題鏈.

小關(guān)1:一根長1 m細(xì)繩(有3個(gè)小圈，分別在頭、中、尾部),選一名文靜的女同學(xué)用一根手指勾住繩的頭端,另一端為其余二人,讓他們拔河,你覺得誰會(huì)贏?實(shí)驗(yàn)比賽試一試;

小關(guān)2:文靜的女同學(xué)可以自己制定規(guī)則,各方均全力以付,你有無辦法讓文靜的女同學(xué)贏?(猜想→討論→再比賽)

設(shè)計(jì)意圖: ① 比賽1或2可選其一作為課堂引入或課后游戲．② 將教師演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生具身體驗(yàn)的比賽活動(dòng),體現(xiàn)學(xué)生的主體性,更容易激發(fā)學(xué)生感性形象思維,引起學(xué)生對(duì)現(xiàn)象背后的反思; ③ 將傳統(tǒng)DOE(即演示→觀察→解釋)演示實(shí)驗(yàn)策略變?yōu)镻OE(即預(yù)測(cè)→觀察→解釋)演示實(shí)驗(yàn)策略,學(xué)生預(yù)測(cè)往往與觀察結(jié)果不同,引發(fā)認(rèn)知沖突.通過質(zhì)疑、分析、評(píng)價(jià),從而有效促進(jìn)迷思概念的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)批判性、創(chuàng)新思維能力發(fā)展.

3.2 大關(guān)2(探究力的分解規(guī)律,并根據(jù)規(guī)律揭開謎底): “合作”實(shí)驗(yàn)闖關(guān)

具身認(rèn)知理論認(rèn)為:教學(xué)過程是對(duì)認(rèn)知、身體、環(huán)境3者的整合與運(yùn)用,不存在教師與學(xué)生之間曾經(jīng)的絕對(duì)主客體關(guān)系,教師、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境相互之間既是認(rèn)知的對(duì)象,也是認(rèn)知的主體;新課標(biāo)同樣倡導(dǎo)合作學(xué)習(xí),因此合作是必要策略;合作闖關(guān)可以是師生或生生合作形式,一般思維臺(tái)階較大的任務(wù)可以考慮合作闖關(guān)．案例如下.

闖關(guān)基礎(chǔ):學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過力的合成,掌握力的合成的法則是平行四邊形法則,猜想到力的分解是力的合成的逆過程,力的分解同樣符合平行四邊形法則.

闖關(guān)大關(guān)2:力的分解可以按力的效果來分解在理論上與實(shí)驗(yàn)上都是成立;然后根據(jù)力的分解揭秘逆風(fēng)行船力學(xué)原理,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新思維能力.

(1) 師生合作闖關(guān),體驗(yàn)重力作用效果.

① 定性體驗(yàn).

進(jìn)階問題鏈.

小關(guān)1: 請(qǐng)學(xué)生將桶裝水搬到講臺(tái)的手拉車(手拉車的側(cè)邊、底部貼有海綿);觀察海綿的形變,思考桶裝水的重力產(chǎn)生了什么效果?

學(xué)生: 海綿壓扁了,表明桶裝水的重力產(chǎn)生了垂直和平行斜面的效果.

小關(guān)2: 桶裝水的重力真的可以這樣分解嗎?可否定量實(shí)驗(yàn)研究?

圖3

② 定量體驗(yàn).

小關(guān)3: 如圖3,根據(jù)講臺(tái)的數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)器材,請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)．(包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、記錄表格、結(jié)論)．(4人一組,先小組交流,再上臺(tái)展示),

小關(guān)4: 你還可以設(shè)計(jì)怎樣的定量實(shí)驗(yàn)來研究?

實(shí)驗(yàn)過程: (1) 已知物體(圓環(huán))的重力G=0.76 N,當(dāng)θ分別為0°、30°、45°、60°、90°時(shí),力傳感器測(cè)出的G1測(cè)、G2測(cè)多大?(2)θ越大時(shí),G1、G2如何變化?完成表1.

表1

設(shè)計(jì)意圖: ① 從定性到定量、從感性到抽象、從生活到物理符合學(xué)生思維認(rèn)知發(fā)展．② 思維進(jìn)階:問題1:定性體驗(yàn)桶裝水重力作用效果,激發(fā)感性形象思維.問題2:真是這樣嗎?培養(yǎng)批判性思維;可否定量研究?引起學(xué)生質(zhì)疑、判斷、修正.問題3:如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?學(xué)生通過分析、判斷、綜合才能完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生決策思維能力發(fā)展,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到什么結(jié)論?學(xué)生通過觀察、分析數(shù)據(jù),歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論,促進(jìn)推理思維發(fā)展.問題4:還可以如何設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn),促進(jìn)創(chuàng)造性思維能力發(fā)展.

(2) 師生、生生合作闖關(guān),體驗(yàn)?zāi)骘L(fēng)行船.

進(jìn)階問題鏈.

小關(guān)1:如圖4,課堂引入時(shí)的逆風(fēng)行船,風(fēng)對(duì)帆的力方向如何?為什么?

圖4

學(xué)生爭論1:風(fēng)對(duì)帆的力沿風(fēng)的方向;學(xué)生爭論2:風(fēng)對(duì)帆的力垂直于帆;學(xué)生爭論后歸納(略).

小關(guān)2:風(fēng)力既然沿垂直于帆方向,為什么船不沿風(fēng)力方向前進(jìn)呢?

圖5

小關(guān)3:我們可否根據(jù)臺(tái)面的實(shí)驗(yàn)器材具身體驗(yàn)“逆風(fēng)行船”?如圖5參考黑板提示,以二人為一組,先體驗(yàn)、再思考逆風(fēng)行船的力學(xué)原理.

設(shè)計(jì)意圖: ① 學(xué)生在這里的迷思概念主要有二點(diǎn),迷思概念1:學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)為風(fēng)對(duì)帆的力沿風(fēng)的方向;迷思概念2:認(rèn)為船一定沿風(fēng)力的方向前進(jìn)．② 該內(nèi)容思維臺(tái)階較大,且問題1、2是后面學(xué)習(xí)的前提,教師要尊重學(xué)生個(gè)體水平發(fā)展的差異, 對(duì)起始進(jìn)階水平低的學(xué)生要給予及時(shí)的指導(dǎo)與幫助; ③ 合作闖關(guān)有利于思維發(fā)展層次不同的同學(xué)間互助,從而學(xué)會(huì)合作、交流; ④ 思維進(jìn)階:問題1:風(fēng)對(duì)帆的力方向如何?激發(fā)感性形象思維.風(fēng)對(duì)帆產(chǎn)生形變,產(chǎn)生彈力,彈力方向垂直帆,學(xué)生調(diào)用已有彈力概念分析真實(shí)的陌生情境,通過質(zhì)疑、遷移、分析,促進(jìn)問題求解和批判性思維能力發(fā)展.問題2:風(fēng)力既然沿垂直于帆方向,為什么船不是沿風(fēng)力方向前進(jìn)呢?學(xué)生通過質(zhì)疑、對(duì)船整體受力分析求解問題2,促進(jìn)整體和局部的辯證思維和批判性思維發(fā)展.問題3:學(xué)生如圖5具身體驗(yàn),先做后思或邊做邊思,通過如圖5類比、分析、評(píng)價(jià),在做中“悟”理,促進(jìn)問題求解和創(chuàng)造性思維發(fā)展.

3.3 大關(guān)3(自主探究生活中塔吊問題的力的分解): “自主”實(shí)驗(yàn)闖關(guān)

具身認(rèn)知理論認(rèn)為:認(rèn)知是身體在環(huán)境的主導(dǎo)下主動(dòng)去建構(gòu)而成,具有生成性;新課標(biāo)同樣倡導(dǎo)學(xué)生自主、有個(gè)性地學(xué)習(xí),筆者選取了教材中思維要求較低的內(nèi)容:分析塔吊力學(xué)原理,讓學(xué)生具身自主建模、自主探究．案例如下.

闖關(guān)基礎(chǔ):學(xué)生通過理論和實(shí)驗(yàn)研究,力的分解可以按力的效果分解,力的合成和分解的法則都是平行四邊形法則.

闖關(guān)大關(guān)3:學(xué)生自主建模、自主實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、自主理論分析真實(shí)生產(chǎn)情境,培養(yǎng)學(xué)生問題解決和創(chuàng)新思維高階思維能力.

進(jìn)階問題鏈.

圖6

小關(guān)1：展示建筑工地的塔吊圖片,構(gòu)建力學(xué)模型.

小關(guān)2: 根據(jù)臺(tái)面的實(shí)驗(yàn)器材,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),體驗(yàn)鉤碼重力產(chǎn)生的效果(圖6).

小關(guān)3: 按力的效果作出該鉤碼重力的分解示意圖.

問題4: 如果橡皮筋往下緩慢移動(dòng),手指和手掌感受的力如何變化?分析為什么?

設(shè)計(jì)意圖: ① 該內(nèi)容相對(duì)簡單,可讓學(xué)生具身體驗(yàn)一次完整的問題解決全過程,學(xué)生的思維也將經(jīng)歷一次由低到高的進(jìn)階過程．② 思維進(jìn)階:問題1:展示建筑工地的真實(shí)塔吊情境、然后建模,激發(fā)感性形象思維,促進(jìn)建模能力發(fā)展).問題2:具身真實(shí)體驗(yàn)鉤碼重力作用效果.問題3:作出該重力的分解,促進(jìn)問題求解能力發(fā)展.問題4:拓展提高,促進(jìn)創(chuàng)造性思維能力發(fā)展.

3.4 大關(guān)4(課后拓展應(yīng)用):“對(duì)比”實(shí)驗(yàn)闖關(guān)

對(duì)比是高階思維的重要行為,對(duì)比實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要方法;對(duì)于一些對(duì)比效果反差大的物理現(xiàn)象、規(guī)律,我們可以通過對(duì)比策略產(chǎn)生1+1>2效果.

“磨刀不誤砍柴功”是古語;但只是依靠“言傳”的方式學(xué)生很難深刻把握其本質(zhì),需要基于具身認(rèn)知的“身學(xué)”,讓學(xué)生具身深度體驗(yàn)真實(shí)的問題情景,并從中發(fā)現(xiàn)問題,促進(jìn)學(xué)生問題求解思維能力進(jìn)階．案例如下:

闖關(guān)基礎(chǔ):學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過力的分解可以按效果分解,分解法則是力的平行四邊形定則,學(xué)會(huì)運(yùn)用力的分解原理揭秘逆風(fēng)行船、自主研究塔吊力學(xué)原理.

闖關(guān)大關(guān)4:學(xué)生進(jìn)一步應(yīng)用力的分解自主研究生活生產(chǎn)中的實(shí)際問題,學(xué)生樹立正確的物理觀念,促進(jìn)學(xué)生問題求解和批判性思維能力發(fā)展.

進(jìn)階問題鏈.

小關(guān)1: 古語云“磨刀不誤砍柴功”,是真的嗎?可否用今天所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)研究?小關(guān)2∶2人為一組,桌面上分別有兩把用3D打印的小刀,一把是鋒利的,一把是鈍的,通過分別切蘿卜,體驗(yàn)?zāi)陌训陡菀浊刑}卜．小關(guān)3:建構(gòu)物理模型;小關(guān)4:根據(jù)力的作用效果,作出人對(duì)刀的壓力的分解示意圖,說明“磨刀不誤砍柴功”的力學(xué)原理.

設(shè)計(jì)意圖: ① 考慮到安全問題,采用3D打應(yīng)的塑料小刀; ② 思維進(jìn)階:該部分內(nèi)容相對(duì)簡單,可以讓學(xué)生具身體驗(yàn)完整的問題解決全過程,問題1:質(zhì)疑古語,培養(yǎng)批判思維.問題2:通過3D打印的鋒利和鈍的小刀分別切蘿卜,學(xué)生全身心對(duì)比體驗(yàn),放大效果,引起感性形象思維.問題3:建模,促進(jìn)建模思維能力發(fā)展.問題4:作出力的分解示意圖求證“磨刀不誤砍柴工的道理,促進(jìn)問題求解和批判性思維能力發(fā)展.

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)闖關(guān)策略以具身認(rèn)知理論為指導(dǎo),以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),給合學(xué)生最近發(fā)展區(qū),設(shè)計(jì)闖關(guān)的大關(guān)和小關(guān),大關(guān)一般為小模塊(任務(wù)),小關(guān)為具有思維進(jìn)階的闖關(guān)問題鏈.在教學(xué)過程中,教師根據(jù)真實(shí)生活情境,創(chuàng)設(shè)模擬演示或?qū)W生實(shí)驗(yàn),運(yùn)用比賽、合作、自主、對(duì)比闖關(guān)策略,學(xué)生的身體作為學(xué)習(xí)的起點(diǎn),全身心參與闖關(guān)過程,學(xué)生的心智、身體和環(huán)境三者緊緊融合在一起.學(xué)生在進(jìn)階問題鏈引導(dǎo)下逐級(jí)闖關(guān),思維在闖關(guān)中逐級(jí)進(jìn)階.在實(shí)際教學(xué)中,考慮到學(xué)生已有思維和知識(shí)水平的層次性,可以將多個(gè)問題同時(shí)拋出,讓思維層次不同的同學(xué)學(xué)習(xí),促進(jìn)學(xué)生合作、交流能力發(fā)展.具身體驗(yàn)的目的在于學(xué)生在全身心與環(huán)境互動(dòng)中,形成正確的物理觀念、提高科學(xué)思維水平和實(shí)驗(yàn)探究能力,樹立正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.