曹俊
摘? ?要:語言是思維的關(guān)鍵工具。實證和理性思維是發(fā)展初中生科學素養(yǎng)的重要目標。在機械能守恒單元的學習過程中,學生出聲并找到正確答案卻有可能是基于直覺的判斷,而非基于證據(jù)的邏輯推理。勢能和動能的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象在生活中普遍存在,運用真實的情境,聯(lián)系運動和力、做功、動能和勢能的轉(zhuǎn)化等相關(guān)知識,吸引并鼓勵學生以出聲思維的方式,找準分析對象,查找物體勢能和動能變化的事實證據(jù)和理論證據(jù),多角度解釋物體勢能和動能的變化及其原因,有助于學生形成關(guān)于力、運動和能量的概念圖式,深度理解機械能守恒,提高初中生運用科學概念分析問題的能力。
關(guān)鍵詞:出聲思維;深度理解;概念;建構(gòu);機械能;守恒
在《思考,快與慢》中,丹尼爾·卡尼曼會帶領(lǐng)我們體驗一次思維的終極之旅。丹尼爾·卡尼曼把依賴情感、記憶和經(jīng)驗作出的判斷稱為“系統(tǒng)1”,它快速,而且只消耗很少的能量;有意識的“系統(tǒng)2”需要通過調(diào)動注意力來分析和解決問題,使用“系統(tǒng)2”會消耗更多的能量,所以它很懶惰。因此,人們在思考問題的時候,常常會采納“系統(tǒng)1”的直覺判斷[1]。
學生建構(gòu)機械能的概念,源于生活中對高空墜物、橡皮筋拉長、過山車等現(xiàn)象的認知和課本中單擺和滾擺的經(jīng)典實驗。在浙教版《科學》九年級上冊第79頁的活動中,課本通過“擺錘向下擺動(滾擺下降)的過程中,重力勢能如何變化?動能如何變化?在擺錘擺過中點向上擺動(滾擺上升)的過程中,重力勢能如何變化?動能如何變化?”等問題啟發(fā)學生思考勢能和動能的轉(zhuǎn)化。
所教的學生幾乎全部做對了,然而他們真的理解了動能和勢能的轉(zhuǎn)化嗎?丹尼爾·卡尼曼認為,“系統(tǒng)1”工作的核心之一是聯(lián)想,通過聯(lián)想記憶,人們對發(fā)生的事情,作連貫的解釋。這種“系統(tǒng)1”的思維方式會不會帶來“如果物體下落,那么物體的勢能減小,動能增加”的結(jié)論呢?
學生分析“運動員從蹦床的最低處上升到最高處的過程中,運動員動能和勢能變化”問題時的高錯誤率,說明學生只是說出了單擺、滾擺運動時動能和勢能變化的正確答案。觀察實驗時,學生既沒有搜集事實證據(jù),也沒有聯(lián)系“運動和力”“決定動能和勢能大小的因素”等已有知識展開推理和思考,所以盡管實驗做了,問題也答對了,學生還是沒有對動能和勢能之間是如何轉(zhuǎn)化的問題展開深度的思考,也就難以深度理解機械能守恒。
1? ? 出聲為何:語言是思維的關(guān)鍵工具
在生活中,人們運用語言傳遞信息、抒發(fā)情感、交流思想、闡述觀點。在學習過程中,語言是重要的思維工具。維果茨基認為:“語言是人類為了組織思維而創(chuàng)造的一種最關(guān)鍵的工具,概念和知識都寓于語言之中”,“語言是自我調(diào)節(jié)和反思的工具”,“語言可用于社會性的互動與活動,兒童可以憑借語言與他人相互作用,進行文化與思想的交流”,他還明確地指出“良好的教學應(yīng)走在發(fā)展的前面并引導(dǎo)之”。
“科學是以多樣統(tǒng)一的自然界為研究對象的探究活動,是建立在證據(jù)和理性思維的基礎(chǔ)上的”,“科學探究是創(chuàng)造性思維活動、實驗活動和邏輯推理交互作用的過程”。對單擺和滾擺運動的觀察,學生不能只是知道答案,還需要查找動能增加或減少的事實證據(jù),還需要學生運用已學的知識,通過邏輯推理,發(fā)現(xiàn)動能變化的理論證據(jù)。只有這樣,課堂的實驗和活動才會是真正的探究,學生才會在原來概念圖式的基礎(chǔ)上,添加新的內(nèi)容,形成新的認識。當學生因為回答正確而感到滿足的時候,教師的追問是引發(fā)學生深度思考的關(guān)鍵,以師生平等對話為基礎(chǔ)的出聲思維為“系統(tǒng)2”的參與提供了可能。
2? ? 緣何出聲:學生需要表達觀點的機會
建構(gòu)主義學習理論認為,“兒童的認知結(jié)構(gòu)就是通過同化與順應(yīng)過程逐步建構(gòu)起來,并在‘平衡—不平衡—新的平衡的循環(huán)中得到不斷的豐富、提高和發(fā)展的”,而“‘情境‘協(xié)作‘會話和‘意義建構(gòu)是學習環(huán)境中的四大要素”。雖然標準化考試習題能起到診斷和階段性評價的作用,卻很難為師生之間的平等對話創(chuàng)造機會。因此,教師需要為學生表達觀點創(chuàng)造機會,幫助學生清晰地察覺原有的觀念,發(fā)現(xiàn)已有觀念的不足,通過“聯(lián)系”和“思考”,幫助學生“建構(gòu)意義”。
在機械能守恒單元教學中,利用生活中各種真實的、典型的情境,激發(fā)學生的興趣,不斷提出指向證據(jù)和推理的問題,組織學生開展討論和交流活動,才有可能促進學生不斷地出聲,深入地思考。
2.1? ? 真實的情境有利于學生的出聲和思維
解決真實的問題能夠讓學生感到學習的價值,引發(fā)和保持學生學習的動機。過山車、滑滑梯、蹦極、跳板跳水、橡皮條彈弓,單擺和滾擺的實驗都能為研究機械能提供學生感興趣的問題情境,關(guān)鍵是不能只是簡單地利用這些情境來做題,而是應(yīng)當選擇其中幾個典型的情境,與學生一起作深度的分析。
課堂上,追問學生“證明單擺或滾擺上升和下落時,動能發(fā)生變化的證據(jù)”時,學生沉默了,但很快就有學生發(fā)現(xiàn)課本插圖用頻閃照片為擺錘動能的變化提供了證據(jù),想起了“頻閃照片中,時間間隔相同,擺錘之間的間距越來越大,可以證明擺錘速度變快”,想到了“擺錘質(zhì)量不變,通過中點時速度大,所以擺錘的動能大”的推理過程。
2.2? ? 出聲思維需要聯(lián)系相關(guān)的知識積極思考
當學生發(fā)現(xiàn)頻閃照片可以為擺錘的速度變化提供事實證據(jù)后,引導(dǎo)學生再次觀察滾擺的運動。學生發(fā)現(xiàn),滾擺速度變化的證據(jù)主要來自于滾擺側(cè)面紅白相間圖案的顏色變化。當學生又一次找到了答案,感到滿足的時候,“滾擺和單擺下落時,為什么會加速”的追問又一次讓學生們陷入了沉默。
分析滾擺和單擺下落時受到的力。學生們有的畫圖,有的小聲議論,有的認為滾擺下落時受到了拉力,有的馬上表示反對??紤]到滾擺下落過程的復(fù)雜性,課堂上重點組織學生作圖思考單擺運動時的特點和受力情況(圖1)。
用直尺和圓規(guī)作圖需要學生具備一定的作圖技能,部分學生還需要老師的示范和個別指導(dǎo)。完成作圖后,學生觀察圖片,可以發(fā)現(xiàn)拉力的方向與擺錘曲線運動方向始終垂直,而擺錘在重力的作用下豎直下落一段距離,聯(lián)系做功的知識,學生理解了在擺錘向下擺動的過程中,重力做功,所以重力勢能減小,減小的重力勢能轉(zhuǎn)化為擺錘的動能。
由于擺錘通過最低點時,重力與拉力在一條直線上,很多學生會認為它們是一對平衡力。需要教師反復(fù)提醒擺錘做曲線運動,很快會改變運動方向,學生才會想到牛頓第一定律,糾正自己最初的判斷。
在觀察實驗的基礎(chǔ)上,運用力的示意圖,結(jié)合運動和力、功等相關(guān)知識,分析擺錘的受力、運動、做功、動能及勢能的轉(zhuǎn)化,有利于學生概念圖式的建構(gòu)。
2.3? ? 對話、說理和討論是學生出聲思維的主要路徑
聽教師講,并以標準化考試習題為主要的作業(yè)內(nèi)容,這樣的學習方式很難為學生的出聲思維提供路徑。通過教學實踐和反思,課堂上師生的平等對話和學生之間的討論,把標準化考試題改編為說理性問題,可以增加學生表達的機會,為學生的出聲思維創(chuàng)造機會。
(1)平等對話和討論是課堂上學生出聲思維的主要路徑
“‘蘇格拉底方法也被人們稱為是‘產(chǎn)婆術(shù)”,是指“師生通過討論問答甚至辯論的方式來揭露對方認識中的矛盾,逐步引導(dǎo)學生自己最后得出正確答案的方法”。在機械能單元教學中,初學者很少會主動聯(lián)系運動和力的知識解釋物體速度的變化,也很少會運用做功的知識解釋勢能的變化,需要教師設(shè)計“從力可以改變物體運動狀態(tài)的角度,分析物體運動速度的變化,進而分析動能的變化”,“拉力對物體做了功,那么物體的什么能量增加了呢”等關(guān)鍵問題,促使學生深入思考物體勢能和動能變化的證據(jù)和原因,在更廣的范圍構(gòu)建關(guān)于力、運動、做功、能量及其轉(zhuǎn)化的概念圖式。
(2)說理性問題是課后作業(yè)時學生出聲思維的主要路徑
學生解答標準化考試習題時,往往是以填空或選擇的形式提供解題的結(jié)果,很少需要提供完整的分析過程。教師可以充分運用考試中的問題情境,改編為說理性問題,從而減少學生作業(yè)的數(shù)量,提高作業(yè)的質(zhì)量。
對于初中生來說,說理性問題具有一定的難度,要求學生說理時,教師需要為學生的答題提供引導(dǎo)性的提示。在機械能單元教學中,常用的提示有“用力的示意圖分析物體受到的力”“觀察物體運動方向與力的方向的位置關(guān)系”,“根據(jù)平衡力的知識,分析物體的運動狀態(tài)是否改變”,“運用決定勢能和動能大小的因素,分析物體動能、勢能的變化”,“運用做功、勢能和動能之和稱為機械能的知識,分析物體動能、勢能、機械能總量是否改變”等。
3? ? 出聲查漏:傾聽和反饋是學生走出“謎思”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
隨著學生學到知識和技能的不斷增加,在解決具體問題時,由于混淆和偏見,學生常常會錯誤地表征問題,選擇錯誤的路徑,作出錯誤的判斷。出聲思維為幫助學生發(fā)現(xiàn)認知誤區(qū)提供學習機會。
3.1? ? 混淆研究對象
由于物體可以被豎直上拋,也可以被斜拋出去,運動到最高點的物體就是初學者極易混淆的研究對象。顯然,豎直彈跳的皮球,最高點速度為零,在最高點,若所有外力消失將保持靜止。斜拋出去達到最高點的鉛球、標槍等,最高點仍有水平方向的速度。在最高點,若所有外力消失將在水平方向做勻速直線運動。
在學過伽利略理想斜面實驗后,學生直接解答習題“如圖2,AOB是光滑軌道,A點的高度H大于B點的高度h,讓小球從A點由靜止開始自由滑下,沿軌道AOB到達B點后離開(不計空氣阻力)。則小球離開B點后的運動軌跡最符合實際的是c”時,會出現(xiàn)極高的錯誤率。
通過傾聽、批改學生的解釋,發(fā)現(xiàn)學生認為兩個情境都發(fā)生在理想條件下,又都是運動到最高點的小球,而忘記了分析小球到達最高點時有無速度,沒有運用勢能和動能之和稱為機械能的知識作進一步推理和思考。課堂上,結(jié)合慣性的知識,有目的地引導(dǎo)學生對兩類不同的情境展開討論和比較,會有利于學生深度理解概念,提高學生的問題解決能力。
3.2? ? 片面理解和運用概念
當問題情境變得復(fù)雜,有多個研究對象,需要學生運用多種知識和技能解決問題時,學生常常會選錯方法,找不到正確的解題路徑。
以蹦極運動為問題情境,考查學生對機械能守恒理解的習題很多,如:“蹦極是一項極限體育運動,如圖3所示,O點為最高點,A點為彈性繩自然伸長的位置,蹦極人在B點受彈性繩的彈力與自身重力相等,C點是人能下落到的最低點。人從O點下落到C點的過程中, B點動能最大,下落到C點時,減小的重力勢能都轉(zhuǎn)化為彈性勢能(不計阻力)?!?/p>
在蹦極運動中,涉及人和彈性繩兩個分析對象。在不計阻力的條件下,人和彈性繩的機械能總量不變。但在A—B—C階段,人與彈性繩的機械能之間會發(fā)生轉(zhuǎn)移,人的動能和重力勢能、繩的彈性勢能都會發(fā)生改變,只有通過比較人受到的重力與彈力的大小關(guān)系,才能真正想清楚人的動能的變化。如果學生不管分析對象,就會盲目地認為人的機械能守恒。如果學生只是從勢能和動能轉(zhuǎn)化的角度分析,也很難找對人動能最大的點。
反復(fù)解答類似的習題,并不能幫助學生深度理解概念。在課堂上,組織學生通過出聲思維,在老師的指導(dǎo)下,分階段逐一討論、分析彈性繩的彈性形變和彈力變化,人受到的重力與彈力的關(guān)系和人的速度變化,運用表格、圖像等多種形式表達討論成果,并引導(dǎo)學生積極思考蹦床、豎直下落到彈簧上的小球等類似的情境,才有可能提高學生運用機械能守恒概念解決真實的復(fù)雜問題的能力。
4? ? 機械能單元中,運用出聲思維帶來的啟發(fā)和思考
深度理解科學概念離不開學生對自然、生活和科學實驗的理性思考。“語言是思維的關(guān)鍵工具”,但丹尼爾·卡尼曼的研究成果提醒我們,出聲也可能僅僅是一次基于直覺的判斷。因此,運用出聲思維的核心是:在學習科學概念的過程中,教師需要通過設(shè)計學生活動,促使學生在理性思維的基礎(chǔ)上積極表達,通過教師的反饋和學生之間的互助與協(xié)作,實現(xiàn)概念的深度理解和綜合應(yīng)用。
4.1? ? 問題設(shè)計:兼顧學生的興趣、能力和問題的深廣度
鼓勵學生出聲,需要提出學生感興趣的問題。有意思、有價值的科學問題,常常來自于學生的生活和經(jīng)典的實驗。與動能和勢能轉(zhuǎn)化相關(guān)的現(xiàn)實問題很多,分析和解決這些問題常常需要學生綜合運用運動和力、做功、機械能守恒等多種知識和技能,才能更好地建構(gòu)概念圖式,實現(xiàn)概念的深度理解。課堂教學和學生的作業(yè)時間有限,教師應(yīng)當選擇典型問題,設(shè)計指導(dǎo)語為學生提供分析問題的支架,促使學生深度思考。對于初學者,可能還需要教師設(shè)計結(jié)構(gòu)良好的任務(wù)單,為學生的分析提供程序和方法的指導(dǎo)。
4.2? ? 合作建構(gòu):活動的設(shè)計,學生的協(xié)作和教師的反饋
建構(gòu)主義理論強調(diào)學習者在教師指導(dǎo)下的主動建構(gòu)。因此,課前需要教師充分了解學生已有的經(jīng)驗,課堂和課后需要教師為學生創(chuàng)造更多的表達機會。
在面對真實、復(fù)雜的問題時,學生需要聯(lián)系所學的知識和技能,查找物體動能和勢能變化的證據(jù),還要根據(jù)機械能守恒,進一步比較物體在不同瞬間動能和勢能的大小,推理動能和勢能的變化。在課堂上,教師需要給學生充足的時間,鼓勵學生之間充分展開討論,傾聽學生的觀點,敏銳地發(fā)現(xiàn)學生推理過程中的不足,如是否找準分析對象,判斷有無依據(jù),依據(jù)是否正確等,并及時給予明確的反饋和指導(dǎo)。
課堂上,學生數(shù)量眾多,教學事件又瞬息萬變,教師難以一一準確反饋,就需要教師運用板書、學生利用筆記及時地記錄。所以,盡管信息技術(shù)的發(fā)展日新月異,但是一本普通的練習本仍然會是師生溝通交流的重要通道。學生可以用它記錄老師的講解、小組和個人的觀點,用它按照老師提供的程序和方法展開積極的思考,而不會游離于課堂之外。通過批改和批注,教師可以為學生的分析和思考提供更好的反饋,深入了解學生的認知水平,找準教學的難點。
學習科學,不僅僅是為了滿足學生的好奇心,也不僅僅是為了獲得科學知識和技能,更重要的是為了幫助學生養(yǎng)成良好的觀察習慣,發(fā)展學生基于證據(jù)和理性的思維方式?!罢Z言是思維的關(guān)鍵工具”,在觀察自然、生活和實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,鼓勵學生運用所學的知識和技能出聲思維,是發(fā)展學生科學素養(yǎng)的重要路徑。
參考文獻:
[1]卡尼曼.胡曉姣,李愛民,何夢瑩,譯.思考,快與慢[M].北京:中信出版社,2012.
[2]伍爾???伍新春,等,譯.教育心理學(原書第12版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.
[3]P·L·史密斯,T·J·雷根.龐維國,等,譯.教學設(shè)計(第三版)[M].上海:華東師范大學出版社,2008.
[4]安德森等.皮連生,譯. 學習、教學和評估的分類學[M].上海:華東師范大學出版社,2007.
[5]沈偉云.基于理性思維培養(yǎng)的科學探究教學——以光的反射為例[J].物理教師,2019,40(6):30-35.
(欄目編輯? ? 李富強)