(1. 華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200241; 2. 廣東省深圳實驗學(xué)校中學(xué)部,廣東 深圳 518028)

“基于問題的學(xué)習(xí)”的科學(xué)推理能力培養(yǎng)探討——以“動能和動能定理”的教學(xué)為例

肖展望1劉碧君2

(1. 華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200241; 2. 廣東省深圳實驗學(xué)校中學(xué)部,廣東 深圳 518028)

科學(xué)推理作為科學(xué)探究中的重要環(huán)節(jié)與方法,在物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色。當(dāng)下的中學(xué)物理教學(xué)過程中普遍缺乏對學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng),物理知識的習(xí)得過程多為接受性的,沒有充分利用學(xué)生的原有認(rèn)知通過科學(xué)推理生成新知識。針對以上現(xiàn)狀,本文以“基于問題的學(xué)習(xí)”(PBL)教學(xué)法為基礎(chǔ),以高中“動能和動能定理”的教學(xué)為例，探討如何以問題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理,實現(xiàn)對學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)。

基于問題的學(xué)習(xí);科學(xué)推理;動能;動能定理

1 引言

科學(xué)推理(Scientific Reasoning)的概念最早由皮亞杰在其認(rèn)知發(fā)展理論中提出,是科學(xué)思維的一種高級形式,在個體獲取新知識、認(rèn)識世界的過程中發(fā)揮著重要的作用。按照推理的材料,科學(xué)推理可分為假設(shè)演繹推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關(guān)推理;按照推理的形式,又可分為歸納推理、演繹推理以及類比推理等。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”維度中與科學(xué)推理相關(guān)的描述有：“能從定性和定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論,具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力”,凸顯了科學(xué)推理在物理教學(xué)中的重要性?！盎趩栴}的學(xué)習(xí)”(Problem-Based Learning,簡稱PBL)是在建構(gòu)主義思潮影響下發(fā)展起來的一種以問題為驅(qū)動的學(xué)習(xí)方法。利用PBL教學(xué)法,將物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為推理案例,通過預(yù)設(shè)問題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理活動,可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的同時提升學(xué)生的科學(xué)推理能力。

2 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力的必要性分析

2009年在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于科學(xué)知識與科學(xué)推理能力的比較研究論文,該研究對比了中美兩國近6000名大學(xué)新生的物理測試成績和科學(xué)推理能力測試成績,發(fā)現(xiàn)中國學(xué)生的科學(xué)知識與科學(xué)推理能力并不成正相關(guān)。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),中國學(xué)生易采用直覺思維進(jìn)行推理,常會出現(xiàn)結(jié)論正確而理由錯誤的情形。事實上,在當(dāng)前的中學(xué)物理教學(xué)中,教師很少有意識地讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)歷一個完整的科學(xué)推理過程,往往重點關(guān)注陳述性知識的學(xué)習(xí),而忽略了程序性知識的學(xué)習(xí),導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)推理的意識較差。在一些探究實驗中,學(xué)生能夠進(jìn)行實驗操作,會進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,甚至對實驗的注意事項都非常熟悉,但是對于實驗方案與實驗?zāi)康闹g的邏輯關(guān)系卻并不清晰。一旦改變實驗方案或面對一些開放性、創(chuàng)新性的實驗,學(xué)生便會感到無從下手。

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論,中學(xué)階段的學(xué)生處于形式運(yùn)算階段,其思維發(fā)展到抽象邏輯推理水平,對命題能作出富有創(chuàng)造性的反映,能夠根據(jù)歸納或演繹等推理方式來解決問題。在中學(xué)物理教學(xué)中,應(yīng)該充分抓住這一認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵期,結(jié)合物理學(xué)科邏輯性、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點,對學(xué)生的科學(xué)推理能力進(jìn)行有效培養(yǎng),這對其核心素養(yǎng)的提高有著重要的意義。

3 PBL培養(yǎng)科學(xué)推理能力的操作模式

PBL是一種以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)以教師的預(yù)設(shè)問題為驅(qū)動,學(xué)生通過小組合作討論、實驗探究等進(jìn)行知識建構(gòu),將學(xué)習(xí)任務(wù)與有意義的問題情景進(jìn)行整合,最后在解決問題的過程中獲得知識,學(xué)習(xí)問題解決的思維方法。

PBL教學(xué)法培養(yǎng)科學(xué)推理能力的操作模式如圖1所示，其中問題是課程組織的核心,學(xué)生是致力于推理活動的主體,教師是學(xué)生解決問題時的指導(dǎo)者和伙伴。首先教師需要結(jié)合生活實例創(chuàng)設(shè)問題情境,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。在教師的問題啟發(fā)下探明學(xué)生的原有認(rèn)知,明確學(xué)生已掌握的物理概念與規(guī)律;教師引導(dǎo)學(xué)生針對問題提出假設(shè),以問題為線索,靈活運(yùn)用實驗探究、邏輯思維和數(shù)學(xué)推導(dǎo)等多種方法進(jìn)行推理,獲得證據(jù),學(xué)生對推理過程和結(jié)果進(jìn)行自評。教師將學(xué)生收集的證據(jù)進(jìn)行匯總分析,并評價證據(jù)是否能有效驗證假設(shè)。在整個教學(xué)過程中需要師生、生生之間的互動,教師要對整個推理過程進(jìn)行實時監(jiān)控及引導(dǎo),最后將本節(jié)的知識系統(tǒng)化、條理化輸出,同時向?qū)W生顯化教學(xué)過程中所用的科學(xué)推理方法。

圖1

4 運(yùn)用PBL教學(xué)法的“動能和動能定理”教學(xué)案例分析

“動能和動能定理”是高中物理“功和能”板塊中的核心內(nèi)容,從初中對動能的定性研究上升到定量研究,而動能定理又將合力的功與物體動能的變化形成了聯(lián)系,極大地方便了學(xué)生對多過程問題的求解。學(xué)生在本節(jié)的學(xué)習(xí)中容易對動能的表達(dá)式進(jìn)行機(jī)械記憶,對合力做功的過程和物體動能變化之間的邏輯關(guān)系認(rèn)識模糊。筆者對人教版物理必修2中該部分的課程設(shè)計順序做了一些調(diào)整,同時將動能、動能定理及其相關(guān)實驗探究過程整合為一個包含科學(xué)推理的有機(jī)整體,運(yùn)用PBL教學(xué)法讓學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)知識的同時提升科學(xué)推理能力。

4.1 創(chuàng)設(shè)問題情境,明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

播放“子彈擊穿西瓜”“飛馳的高鐵列車”的視頻讓學(xué)生回憶動能的定義，此前對重力勢能的認(rèn)識從定性走向了定量,高中階段對動能的學(xué)習(xí)同樣如此。

問題1:怎樣計算物體動能的大小,動能的表達(dá)式是什么?

播放“F1賽車啟動”“神舟一號飛船發(fā)射”的視頻,賽車和飛船的狀態(tài)均從靜止到運(yùn)動,獲得了動能。

問題2:根據(jù)功能關(guān)系,做功導(dǎo)致物體具有的能量發(fā)生變化,那么是什么力做功使物體動能發(fā)生了變化?

開門見山,直奔主題,這兩個問題并非是讓學(xué)生立即進(jìn)行討論和回答,目的在于讓學(xué)生明確接下來所要解決的關(guān)鍵問題,以此作為推理的導(dǎo)向。

4.2 探明原有認(rèn)知,尋找推理出發(fā)點

問題3:請回顧初中學(xué)過的有關(guān)動能的知識,動能的大小和什么因素有關(guān)呢?如何探究?

再現(xiàn)初中探究“動能大小影響因素”的實驗(如圖2)，本實驗讓鋼球從斜面上滑下獲得動能,通過比較鋼球撞擊木塊后木塊滑動距離的大小定性比較鋼球動能的大小。該實驗采用控制變量法進(jìn)行兩組實驗,甲組實驗中鋼球質(zhì)量相同，下滑高度不同,得到的結(jié)論為速度越大的鋼球動能越大;乙組實驗中鋼球質(zhì)量不同，從同一高度滑下,得到的結(jié)論為質(zhì)量越大的鋼球動能越大,從而定性確定了影響動能大小的兩個因素——速度、質(zhì)量。本環(huán)節(jié)以學(xué)生的原有知識經(jīng)驗作為起點,采用控制變量法，定性討論、推理,避免直接進(jìn)入定量討論,可以讓學(xué)生處于科學(xué)推理的心理準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖2

4.3 問題引領(lǐng)推理過程,提出假設(shè)，尋找證據(jù)

知道了物體動能的大小同時與物體的質(zhì)量、速度都呈正相關(guān),但定量關(guān)系依然不明確,學(xué)生會猜測動能可能的表達(dá)式為Ek=kmv、Ek=kmv2、Ek=km2v……既然直接尋找動能的表達(dá)式遇到困難,不妨轉(zhuǎn)換一下思路,從功能關(guān)系的角度入手,轉(zhuǎn)而關(guān)注物體動能變化的這一過程。

問題4:F1賽車啟動和神舟一號發(fā)射的過程中,它們的動能都發(fā)生了變化,物理情景有什么共同點?能通過歸納找出引起物體動能變化的內(nèi)在原因嗎?

教師引導(dǎo)學(xué)生展開討論,此處將賽車和飛船的運(yùn)動當(dāng)做直線運(yùn)動的物理模型，并對它們進(jìn)行受力分析,分析其所受合力F。對于同一個質(zhì)量不變的物體,只要速度大小發(fā)生了變化,即存在加速度a,物體動能則改變，即：合力F≠0→a≠0→速度大小變化→動能變化，合力F=0→a=0→速度大小不變→動能不變。

再從做功的角度分析,物體動能改變時合力做功WF≠0,反之WF=0。至此,教師引導(dǎo)學(xué)生將歸納推理的結(jié)果形成結(jié)論:動能的變化不依賴于某一個力是否做功,而取決于合力是否對物體做了功。

此問題為本節(jié)學(xué)習(xí)中的邏輯關(guān)鍵點,從動能變化的過程出發(fā),對物體進(jìn)行受力分析、運(yùn)動狀態(tài)的分析以及功能關(guān)系的分析。通過歸納推理中的求同法和求異法,得出動能變化的原因,將其作為定量討論的出發(fā)點。

問題5:重力做功對應(yīng)重力勢能的變化,合力做功對應(yīng)動能的變化,能否進(jìn)行類比推理，從而找到動能的表達(dá)式?

重力做功和重力勢能的關(guān)系表示為WG=mgh1-mgh2,可以提醒學(xué)生大膽假設(shè):在動能變化這一過程中,也應(yīng)出現(xiàn)類似形式的等式,等式左邊為合力的功,等式右邊為動能的變化。簡化模型如圖3所示，一個質(zhì)量為m的物體,在恒力F的作用下做直線運(yùn)動,速度由v1變到了v2,發(fā)生的位移為x。

圖3

圖4

在本環(huán)節(jié)學(xué)生進(jìn)行分組實驗，驗證假設(shè),各個小組呈現(xiàn)各自的驗證結(jié)果,通過小組內(nèi)和小組間的討論,對實驗過程及驗證結(jié)果進(jìn)行自評,教師將每個小組的結(jié)果進(jìn)行匯總。

4.4 評價推理結(jié)果,統(tǒng)一結(jié)論

圖5

4.5 知識系統(tǒng)化與方法顯化

上述教學(xué)過程重點關(guān)注學(xué)生思維的發(fā)展,教師還需完善本節(jié)的知識結(jié)構(gòu),比如動能的標(biāo)矢性,動能定理的應(yīng)用步驟以及在變力做功中的普適性,筆者將本節(jié)知識以清單的形式系統(tǒng)化輸出,使知識能在學(xué)生的大腦中條理化,并能舉例應(yīng)用。教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧整個科學(xué)推理過程,明確指出教學(xué)過程中運(yùn)用的控制變量推理、歸納推理、類比推理等科學(xué)推理方法,梳理、顯化科學(xué)推理方法,方便學(xué)生理解并在相似的問題情境中進(jìn)行遷移。

5 小結(jié)

整個教學(xué)過程沒有讓學(xué)生機(jī)械地記住動能的表達(dá)式,而是進(jìn)行了主動的、有意義的建構(gòu),動能定理的推出也是水到渠成,通過層層深入的問題,體會科學(xué)推理思維的連續(xù)性。本節(jié)內(nèi)容本身理論性較強(qiáng),但經(jīng)歷這樣一個以問題為驅(qū)動的科學(xué)推理過程后,像是在經(jīng)歷一個“破案”的過程,讓學(xué)生體驗發(fā)現(xiàn)的快樂。總之,利用PBL教學(xué)法,以問題引領(lǐng)科學(xué)推理,關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知過程,構(gòu)建合作型、探究型、思維型課堂,能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,有效提升學(xué)生的科學(xué)推理能力,順應(yīng)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

[1] Lei Bao, Tianfan Cai, Kathy Koenig, Kai Fang, Jing Han, Jing Wang, Qing Liu. Learning and Scientific Reasoning[J].SCIENCE , 2009, 323(30):586-587.

[2] 張軼炳,黃昭,白明俠,包雷.中美大學(xué)生科學(xué)推理能力差異的調(diào)查研究[J].咸陽師范學(xué)院學(xué)報,2011,26(2):112.

[3] 左祥勝.基于“問題解決”模式的課堂教學(xué)實踐[J].物理之友,2015,31(5)：12-15.

[4] 劉萬強(qiáng),覃祥學(xué).激疑 探究 驗證 應(yīng)用——關(guān)于“動量和動量定理”的教學(xué)設(shè)計[J].物理之友,2017,33(3)：23-24.