試論科學思維素養(yǎng)之模型建構(gòu)要素的實質(zhì)與培養(yǎng)

陳 剛

(華東師范大學教師教育學院,上海 200062)

科學思維素養(yǎng)是物理學科核心素養(yǎng)組成成分,科學思維素養(yǎng)包含:模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.關(guān)于模型建構(gòu)“在物理學中,突出問題的主要因素,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并將其作為研究對象,是經(jīng)常采用的一種科學研究方法”.[1]關(guān)于模型建構(gòu)的教學建議:教師在教學中要讓學生體會建構(gòu)這些物理模型的思維方法,理解物理模型的適用條件……,教師引導學生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程是發(fā)展科學思維的重要途徑.[2]

從以上描述,我們可以了解到模型法是一種科學研究方法,那么

問題1:構(gòu)建物理模型過程中有哪些基本思維方法?

問題2:如何引導學生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程,從而達成培養(yǎng)學習者模型建構(gòu)能力的目標?

從學習者角度,模型建構(gòu)顯然是一個解決問題的過程.本文以問題解決相關(guān)研究對上述問題做出回答.

1 問題解決

認知心理學提出:問題解決是解決者運用認知策略從認知結(jié)構(gòu)中選擇出解決問題所需必要技能的過程.[3]

因此,問題是否能得到解決,取決于:其一,問題解決者是否具備解決問題的必要技能;其二,問題解決者是否具備解決問題的策略.

認知策略是提高問題解決效率的技能,是面對待解決的問題時,引導個體思考方向以選擇出并組合解決問題所需技能的技能.[4]解決問題的原則、途徑、環(huán)節(jié)、要素、思路、方法等,都是提高解決問題效率,從認知心理學視角,它們都屬于認知策略這一類學習結(jié)果,只是解決問題的效率存在差異,有些屬于解決問題的弱方法,有些屬于解決問題的強方法.[4](因為方法、策略屬于同一類學習結(jié)果,以下不做區(qū)分.)

認知策略的操作對象是個體已習得的、存儲于內(nèi)部認知結(jié)構(gòu)中的知識(廣義的知識,包含陳述性知識和程序性知識),因而,認知策略是對“內(nèi)”操作的技能;又因為認知策略是對解決問題所需必要技能的選擇、組合,因此,外顯可以表現(xiàn)為引導解決者思考方向的步驟.

如運用“慣性”概念解釋日常生活現(xiàn)象的方法,其一般步驟為:(1) 明確研究對象; (2) 確定研究對象原先處于的狀態(tài);(3) 突然發(fā)生何種變化;(4) 由于存在慣性,研究對象要保持原有狀態(tài);(5) 出現(xiàn)什么現(xiàn)象.

當學習者面對需要運用慣性概念解釋現(xiàn)象的問題時,上述步驟,可以引導學習者的思考方向,從認知結(jié)構(gòu)中逐一選擇出解決該問題所需的技能,提高學習者解決“慣性運用類”問題的效率.

2 模型建構(gòu)素養(yǎng)的實質(zhì)

2.1 模型建構(gòu)的過程

在學習中,個體如何建構(gòu)物理模型呢?本文以杠桿模型的建構(gòu)為例,嘗試做出解釋.

日常生活和生產(chǎn)中有許多運用杠桿的場合,如圖1所示.從圖1中杠桿情境到最終概括出杠桿模型,如圖2所示,即模型建構(gòu)的過程.

圖1 各種杠桿

圖2 杠桿模型

追尋學習者杠桿模型建構(gòu)過程,大致可能經(jīng)歷如下幾個階段.

2.1.1 學習者面對杠桿的實際情境

學習者面對如圖1所示實例.

2.1.2 學習者概括杠桿基本工作特征

問題:學習者如何從如圖1所示多個實例中提取出杠桿的基本特征?

從多個實例中,概括出杠桿這類對象的共性特征,實際需要學習者形成本課例“研究對象”與“工作的基本特征”間的聯(lián)系.

(1) 解決問題的機制.

個體形成兩個因素間的因果聯(lián)系的方法是邏輯的,主要有歸納推理中的求同法、差異法、求同求異法、共變法等.

[求同法] 求同法是通過考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場合,確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的,如果是,那么這個共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)可以如表1所示.

表1 求同法的結(jié)構(gòu)

(2) 本例確定杠桿工作特征所運用的方法.

本例中通過3個實例,概括出待研究的對象,是通過運用求同法實現(xiàn)的,如表2所示.

表2 求同法概括研究對象

此類,通過桿或棒類物體轉(zhuǎn)動完成任務(wù)的工具(簡單機械),即杠桿.

2.1.3 學習者明確杠桿的主要因素

問題:學習者如何確定研究對象的主要因素?

主要因素是研究對象必不可少的因素.從學習角度,同樣需要學習者形成待研究對象與相關(guān)因素間的因果關(guān)系.

(1) 解決問題的機制.

[差異法] 差異法是通過考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)和不出現(xiàn)的兩個場合,確定在這兩個場合中是否只有另外一個情況不同,如果是,那么這個不同情況與被研究現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)可以如表3所示.

表3 差異法的結(jié)構(gòu)

[求同求異法] 求同求異法是考察兩組事例,一組是由被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場合組成的,稱為正事例組;一組是由被研究現(xiàn)象不出現(xiàn)的若干場合組成的,稱為負事例組.如果在正事例組的各場合中只有一個共同的情況并且它在負事例組的各場合中又都不存在,那么,這個情況就是被研究現(xiàn)象的原因.其結(jié)構(gòu)如表4所示.

表4 求同求異法的結(jié)構(gòu)

(2) 本例確定杠桿的主要因素所運用的方法.

① “杠桿”與“受兩類轉(zhuǎn)動效果相反的力”有關(guān),如表5所示.

表5 求同法概括杠桿模型的主要因素

② “杠桿”與完成任務(wù)時棒的“硬”有關(guān).

在教學中,為了突出杠桿需要棒“硬”,提供如下實例.

實例1:用鑰匙撬盒蓋,鑰匙轉(zhuǎn)動撬起盒蓋,此時鑰匙是杠桿.

實例2:用吸管撬盒蓋(如圖3),吸管已變形,無法轉(zhuǎn)動撬起盒蓋,吸管不是杠桿.

圖3 吸管撬盒蓋

實例3:用吸管挑出杯中的檸檬片,吸管盡管有變形,仍完成將檸檬片挑(即撬)起,此種情況下吸管是杠桿.

通過以上3個實例,學習者識別出有效信息,遵循求同求異法形成“杠桿”此類簡單機械與棒在使用時的“硬”有關(guān)系,結(jié)構(gòu)如表6.

表6 求同求異法概括杠桿模型的主要因素

2.1.4 學習者明確杠桿的次要因素

問題:如何確定待研究對象的次要因素?

次要因素是指在引起結(jié)果發(fā)生的諸因素中起非主導和非決定作用的因素.簡言之,次要因素與結(jié)果的發(fā)生與否不存在必然關(guān)系.

(1) 解決問題的機制.

物理概念和規(guī)律學習過程中,除了要形成物理概念間存在定性、定量的因果關(guān)系,往往還需要排除兩個因素間不存在因果聯(lián)系.

排除兩個因素間不存在因果關(guān)系,是通過以因果關(guān)系為大前提的演繹推理實現(xiàn)的.

因果關(guān)系歸結(jié)為:等價的原因→等價的結(jié)果.

由此,可以獲得兩種前提:

前提1:如果本質(zhì)原因存在,則結(jié)果也應(yīng)存在.

前提2:如果本質(zhì)原因改變,則結(jié)果也應(yīng)變化.

以此為前提,可有兩種排除物理量因果聯(lián)系的演繹推理方式.

推理形式1:

如果A與B有因果聯(lián)系,則A變化,B亦變化.

推理形式2:

如果A與B有關(guān),則A不變化,B亦不變化.

(2) 本例確定排除杠桿次要因素運用的方法.

① 形狀不是杠桿的主要因素.

如圖1所示案例中,有直形棒、彎形棒,都屬杠桿.

如果A與B有因果聯(lián)系,則A變化,B亦變化.

② 材質(zhì)也不是杠桿的主要因素.

因為材質(zhì)不同,如吸管挑起檸檬片、鑰匙撬起盒蓋,它們都是杠桿.如同前述的演繹推理,可知材質(zhì)不是杠桿必不可少的因素,即為次要因素.

2.1.5 學習者概括出杠桿模型

在分析出杠桿的主要因素、次要因素后,可忽略形狀、材質(zhì)等次要因素,突出工作時桿或棒繞點轉(zhuǎn)動、受兩類轉(zhuǎn)動效果不同的力等主要因素,概括出如圖2中的杠桿模型.

2.2 模型建構(gòu)的實質(zhì)

模型建構(gòu)本質(zhì)上是學習者解決問題的過程.解決此類問題,也存在有助于提高解決者完成此項任務(wù)的策略或者說方法.結(jié)合杠桿模型建構(gòu)過程,可提出物理概念和規(guī)律學習中的模型法.

物理概念和規(guī)律學習中的模型法:通常用在提出問題環(huán)節(jié).若需抽象物理模型,其基本步驟為

(1) 從具體情境中初步確定待研究對象;

(2) 確定待研究對象以及屬性(通常用求同法等);

(3) 分析待研究屬性出現(xiàn)的必要條件(通常用差異法、共變法、求同法、求同求異法等);

(4) 分析待研究屬性的次要因素(通常用排除因果聯(lián)系的邏輯方法等);

(5) 突出主要因素、忽略次要因素,概括待研究的物理模型.

如果在物理課程學習中,當學習者面臨問題:如何抽象物理模型?上述步驟(1)～(5)可以幫助學習者有序地進行思考,避免低效率的盲目思考.

如果進一步追問:如何分析出待研究對象的主要因素?括號中相對具體的邏輯方法,又可以給予學習者一定思考方向,助力學習者解決這一子問題.

所以,模型建構(gòu)是在不同層次方法引導下解決問題的過程.在物理課堂學習中的抽象模型,大體上可以運用上述方法加以解決.

以上為對問題1的回答.

此處模型法揭示出課堂學習中形成研究對象共性特征、概括研究對象主要因素、排除研究對象次要因素等可用的邏輯方法,相較于文獻[1]描述性的界定,可以幫助學習者更好地理解模型法用在何處以及如何運用.

3 模型建構(gòu)的培養(yǎng)方案

如果模型建構(gòu)要求學習者經(jīng)歷運用模型法抽象物理模型的過程,那么實際教學中,教師就應(yīng)該遵循模型法的步驟,引導學習者經(jīng)歷模型化的每一子過程,并在每一子環(huán)節(jié)中引導學生識別相應(yīng)結(jié)論獲得的有效信息(根據(jù)結(jié)論獲得邏輯結(jié)構(gòu)),幫助學生最終抽象出物理模型.

例如杠桿模型建構(gòu)的教學(如表7所示)中,學生在形成“杠桿這類對象與棒轉(zhuǎn)動中受兩種相反作用效果的力”有關(guān)時,是運用求同法實現(xiàn)的,所以,教學中應(yīng)遵循求同法的邏輯結(jié)構(gòu)以及信息呈現(xiàn)方式,引導學生依次識別共同結(jié)果(步驟4,確定3個實例中的杠桿)、共同條件(步驟 5～6引導學生完成受力分析,為轉(zhuǎn)動效果分析提供必要信息;步驟7引導學生識別共同條件),并引導學生形成共同結(jié)果和共同條件間的聯(lián)系(步驟8,將杠桿與受轉(zhuǎn)動效果兩類力形成因果聯(lián)系).

表7 杠桿模型建構(gòu)的教學

以上教學步驟并不嚴格僵化,實際教學中,是引導學生先分析次要因素再分析主要因素,或先分析杠桿與“硬”的關(guān)系還是先分析杠桿與“受轉(zhuǎn)動效果”不同兩類力等,這都是可選擇的,但整體都應(yīng)包含模型法的各子步驟,每一具體子結(jié)論的獲得應(yīng)遵循結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu).

以上是針對問題2的回答.

經(jīng)過運用模型法抽象物理模型的教學,學習者能夠表現(xiàn)出從實際情境中有邏輯地抽象研究對象的基本屬性、能夠有序識別并有邏輯地確定研究對象存在的主要因素以及次要因素,進而忽略次要因素,突出主要因素,概括出待研究的物理對象,從而一定意義上達到培養(yǎng)學習者模型建構(gòu)能力的目標.