創(chuàng)設(shè)真實情境 顯性化科學(xué)思維

劉書云 彭朝陽

摘? ?要：科學(xué)思維伴隨著知識的學(xué)習(xí)而發(fā)生，但培養(yǎng)往往是隱性的。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生應(yīng)該在真實或接近真實的情境中完成對知識的建構(gòu)。以“自由落體運動”為例，創(chuàng)設(shè)真實情境，按照情境教學(xué)的一般步驟，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、推理，基于證據(jù)表達(dá)觀點，提出質(zhì)疑和抽象模型，顯性化科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;情境教學(xué);顯性化

教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[ 1 ]（簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中基本理念提到注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，而科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)論證、科學(xué)推理和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

《標(biāo)準(zhǔn)》指出科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，所以科學(xué)思維是思維的一種特殊形式[ 2 ]。思維在學(xué)生建構(gòu)知識體系的過程中起著不可忽視的作用，有大量的研究事實說明思維是可教的。但是，思維在形成過程中呈隱形，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中對科學(xué)思維水平的劃分，科學(xué)思維不是學(xué)會了某種知識，而是培養(yǎng)了學(xué)生能力。

教學(xué)情境就是以直觀的方式再現(xiàn)書本知識所表征的實際事務(wù)或者實際事務(wù)的相關(guān)背景[ 3 ]。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)者應(yīng)該在真實或接近于真實的情境中，用探究或自主發(fā)現(xiàn)的方法完成對知識的建構(gòu)，真實情境指真實世界的物理問題，而不是已經(jīng)被抽象好的物理模型[ 4 ]。情境教學(xué)是物理教學(xué)中常用的教學(xué)方法，而常見的情境類型包括生活化情境、科學(xué)史情境和實驗演示情境[ 3 ][ 5 ]。生活化情境的呈現(xiàn)形式有口頭表達(dá)、音頻視頻和圖像等，科學(xué)史情境的呈現(xiàn)方式有文字材料、口頭表達(dá)和珍貴圖像等，實驗演示情境的呈現(xiàn)方式包括視頻動畫、演示實驗和學(xué)生實驗等，是很好的教學(xué)載體。情境呈現(xiàn)的方式多樣，但教學(xué)效果各有不同，很多教師理解運用淺顯，且注重物理知識的教學(xué)，伴隨著物理知識學(xué)習(xí)而發(fā)生的科學(xué)思維往往被忽略。因此，本文提出創(chuàng)設(shè)真實情境，挖掘情境內(nèi)在，顯性化科學(xué)思維培養(yǎng)過程。

筆者嘗試創(chuàng)設(shè)真實情境聯(lián)系科學(xué)思維，為保證情境的真實性，創(chuàng)設(shè)的情境類型有生活情境和科學(xué)史情境，為展現(xiàn)顯性化科學(xué)思維過程，以“自由落體運動”為例，本節(jié)內(nèi)容學(xué)生擁有大量生活經(jīng)驗，便于創(chuàng)設(shè)生活化情境，教材科學(xué)史料豐富，具有創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境的基礎(chǔ)，兩種情境增強教學(xué)的趣味性，更容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，顯性化科學(xué)思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

1? 生活情境

生活情境是物理教學(xué)中常用的一種教學(xué)情境，是基于學(xué)生生活實際創(chuàng)設(shè)的真實情境，學(xué)生具有一定的感性認(rèn)知，由此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，積極主動探究學(xué)習(xí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。生活情境是物理教學(xué)中最常見的一種教學(xué)情境，一般遵循著創(chuàng)設(shè)生活情境、暴露前概念、糾正錯誤前概念和形成正確觀念的步驟，如圖1所示。

顯性化科學(xué)思維的生活情境依然遵循生活情境教學(xué)的一般步驟，情境教學(xué)中需要突出科學(xué)思維，創(chuàng)設(shè)生活情境引入教學(xué)，幫助學(xué)生表達(dá)出自己的觀點、基于現(xiàn)象推理論證和抽象出自由落體運動模型。以《標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)思維發(fā)展水平的劃分為評價標(biāo)準(zhǔn)，顯性化科學(xué)思維培養(yǎng)過程，如表1所示，具體教學(xué)過程如下。

1.1? 創(chuàng)設(shè)生活情境

生活情境：秋天是豐收的季節(jié)，果實熟透后就會自然下落，樹葉也會飄落，但是自然下落的果實容易摔壞（如圖2），而樹葉飄落卻安然無恙（如圖3），同時熟透的果實保存時間短，因此通常提前采摘。

情境來源于生活，學(xué)生熟悉生活中的場景甚至親身經(jīng)歷過，但是不知道該如何分析這一實際問題，但是學(xué)生擁有不同的前概念，這就是教學(xué)的切入點。

1.2? 具體教學(xué)過程

情境問題：由圖2與圖3可知蘋果與樹葉下落，試問兩者誰先落地？

生：蘋果

師：得出什么結(jié)論？

生：質(zhì)量越大物體下落越快。

師：我們用物理量描述物體下落快慢嗎？

生：速度。

師：總結(jié)一下，可以得到什么結(jié)論？

生：因為蘋果質(zhì)量大所以蘋果的速度大，即質(zhì)量越大的物體下落的速度越大。

師：現(xiàn)實生活中都是這樣嗎？

生：不是。

師：能舉出例子嗎？

生：兩張相同的紙，揉成一團(tuán)比展開的紙下落更快。

師：很好，什么造成這一現(xiàn)象呢？

生：可能與其他物理因素有關(guān)，比如形狀。

師：可以作出哪些猜想？

生2：物體下落速度可能與物體的體積有關(guān)。

生3：物體下落速度可能與物體的種類有關(guān)。

師：很好，通過剛剛的問答，同學(xué)們知道物體下落速度可能與質(zhì)量、形狀、體積有關(guān)，接下來我們探究影響物體下落的因素。

設(shè)計意圖：科學(xué)思維包括科學(xué)推理與科學(xué)論證，在具體教學(xué)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察情境，回答情境問題，學(xué)生由觀察、分析得出結(jié)論物體越重下落速度越快，即質(zhì)量越大的物體下落速度越大;又有理有據(jù)地對“物體質(zhì)量越大的物體下落速度越大”這一結(jié)論質(zhì)疑，舉例說明，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。

2? 科學(xué)史情境

物理學(xué)史是科學(xué)史的分支，是物理學(xué)科的重要組成部分，從物理學(xué)科的發(fā)展來看，物理學(xué)包含兩類重要的知識體系，一類是物理學(xué)的研究成果，另一類是物理學(xué)的研究。教學(xué)中構(gòu)建科學(xué)史情境，呈現(xiàn)科學(xué)家的研究歷程包括科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題、構(gòu)建模型、提出假設(shè)、驗證假設(shè)和得出結(jié)論，顯性化科學(xué)家的思維方式，有利于科學(xué)思維教學(xué)?？茖W(xué)史情境也是物理學(xué)科教學(xué)中常用的一種教學(xué)情境，有重歷科學(xué)家思維歷程、提出假設(shè)、模仿假設(shè)驗證途徑和得出結(jié)論的一般教學(xué)步驟，如圖4所示。

顯性化科學(xué)思維遵循科學(xué)史情境教學(xué)的一般步驟，創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生基于證據(jù)表達(dá)出自己的觀點、質(zhì)疑已有觀點、重歷科學(xué)家的研究途徑推理論證和建立自由落體運動模型。以《標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)思維發(fā)展水平的劃分為標(biāo)準(zhǔn)，顯性化科學(xué)思維，如表2所示，具體教學(xué)過程如下。

2.1? 創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境

科學(xué)史情境：亞里士多德通過觀察、歸納和總結(jié)等步驟得出結(jié)論，物體越重下落越快，伽利略經(jīng)由發(fā)現(xiàn)問題、提出假說、驗證假設(shè)和得出結(jié)論四個步驟得出結(jié)論，總結(jié)得出所有物體下落的一樣快，以及自由落體運動規(guī)律。

科學(xué)史情境來源于歷史，學(xué)生并沒有經(jīng)歷過，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過情境了解，判斷歷史觀點的正誤、陳述觀點、作出假設(shè)和驗證假設(shè)，從而學(xué)習(xí)歷史上科學(xué)家的思維方式和研究方法，顯性化科學(xué)思維。

2.2? 具體教學(xué)過程

2.2.1? 重歷科學(xué)家思維歷程

情境問題：同學(xué)們已經(jīng)了解亞里斯多德與伽利略如何做研究，請同學(xué)們總結(jié)一下兩者所用的方法？

生：亞里士多德通過觀察、歸納和總結(jié)的方法做研究，伽利略的方法有發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、驗證假設(shè)和得出結(jié)論四個步驟。

師：兩種方法怎么用？

生：觀察、歸納和總結(jié)通過觀察將事物的共性歸納在一起，用凝練的語言陳述，伽利略的方法不太懂。

師：很好，看來同學(xué)們對亞里士多德的方法已經(jīng)比較熟悉，伽利略的方法不熟悉也沒關(guān)系，后面我們一起學(xué)習(xí)。請問同學(xué)們支持兩者誰的觀點？

生1：我支持亞里士多德的觀點，亞里士多德的方法，總結(jié)我們生活中的物理現(xiàn)象得出結(jié)論越重的物體下落越快。

生2：我支持伽利略的觀點，當(dāng)我們將兩張重量相同的紙從同一高度釋放，揉成一團(tuán)比展開的紙下落更快，說明越重下落的越快是錯誤的。

師：很好，同學(xué)們的觀點有理有據(jù)，但兩個不同的結(jié)論說明存在物理因素影響物體下落，歷史上伽利略通過邏輯推導(dǎo)否定亞里士多德的觀點，同學(xué)們能用邏輯去論證嗎？

提示：重物與輕物對比，若兩者連接在一起呢？

生：我知道，物體重的下落的快，輕物下落的慢，當(dāng)兩者相連，兩個物體相連質(zhì)量疊加，下落的比單個重物快，又從速度的角度看，速度為重物與輕物速度的平均值下落比單個重物慢，兩個結(jié)論矛盾。

師：很好，看來同學(xué)們是真的明白了，接下來請大家根據(jù)已知作出猜想，究竟是什么因素影響物體下落？

......

生：物體下落受空氣阻力影響。

師：同學(xué)們能抽象出自由落體運動的模型嗎？

生：可以，只受重力作用的物體由靜止開始下落的運動就叫自由落體運動。

設(shè)計意圖：科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新是組成科學(xué)思維的要素，在重歷科學(xué)家思維歷程的過程中，教師以建立自由落體運動模型為最終目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生對已知觀點進(jìn)行判斷，尋求支撐點闡述自我觀點，顯性化科學(xué)論證與質(zhì)疑創(chuàng)新，最終完成對自由落體運動的模型建構(gòu)。

2.2.2? 提出假設(shè)

師：現(xiàn)在我們建立了自由落體運動模型，自由落體運動有什么規(guī)律呢？

生：會不會是做勻速直線運動？

師：沒錯，是直線運動，是勻速嗎？

生：不是，物體越落越快。

師：同學(xué)們不妨對相關(guān)物理量作出假設(shè)。

生：速度v隨位移x的增加而增大，隨速度v隨時間t變化。

師：具體是怎樣呢？

生：不知道。

師：沒關(guān)系，我們來看一下伽利略作出的假設(shè)，伽利略堅信“自然界總是習(xí)慣于運用于最簡單和最容易的手段”，于是假設(shè)v∝t或v∝x，同學(xué)們認(rèn)為兩個假設(shè)哪一個更合理呢？

生：v∝t更加合理，遵從伽利略“自然界總是習(xí)慣于運用于最簡單和最容易的手段”的信念，類比勻加速直線運動的速度與位移公式，速度隨時間的變化更加簡單。

師：很好，我們假設(shè)v∝t。

設(shè)計意圖：科學(xué)推理是組成科學(xué)思維的要素，在提出假設(shè)的過程教師不斷提出問題，引導(dǎo)學(xué)生基于已知信息去分析、推理，最終提出假設(shè)，顯性化科學(xué)推理。

2.2.3? 模仿假設(shè)驗證途徑

師：同學(xué)們的假設(shè)和伽利略相同，伽利略所在年代有沙漏、刻度尺等簡單工具，若我們也只利用一些簡單工具，該怎樣去測量？

生：時間可以用秒表或手機(jī)軟件測量，速度是瞬時速度，能不能用平均速度代替？

師：平均速度確實能代替瞬時速度，但是在這里真的可行？

生：可以替代，但是會很麻煩。

師：沒錯，同學(xué)們能不能轉(zhuǎn)換假設(shè)v∝t的表達(dá)式？

生：能不能類比勻變速直線運動中v∝t，則x∝t2。

師：很棒，伽利略通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出有v∝t，則x∝t2，請同學(xué)們觀察演示實驗。

演示實驗：從不同的高度釋放物體，測出下落時間，并記錄數(shù)據(jù)。

師：同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象？

生：物體下落太快，時間太短。

師：會導(dǎo)致什么結(jié)果？

生：實驗誤差大。

師：沒錯，實驗誤差太大，而伽利略當(dāng)時也是如此，但伽利略通過增加運動時間，斜槽實驗，間接證明假設(shè)。

設(shè)計意圖：模仿假設(shè)驗證途徑中，不局限學(xué)生表達(dá)不同觀點的思維，只是需要教師引導(dǎo)在科學(xué)家的研究思路上前行，科學(xué)家可能是幾百年前做的實驗，但在有限的條件下，他們的實驗往往是最簡潔，沿著這一途徑不斷激活學(xué)生思維，表達(dá)他們的觀點，顯性化科學(xué)思維。

3? 小結(jié)

創(chuàng)設(shè)情境落腳于真，情境類型有生活化情境和科學(xué)史情境，兩者都是發(fā)生在真實世界的物理事件，抽象出兩種情境教學(xué)的一般步驟，沿著一般步驟教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、推理，基于證據(jù)表達(dá)觀點提出質(zhì)疑和抽象模型，以《標(biāo)準(zhǔn)》對科學(xué)思維發(fā)展水平為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，顯性化科學(xué)思維，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

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