汪 明 任虎虎

(1.江蘇省教育科學(xué)研究院,江蘇南京 210013;2.華東師范大學(xué),上海 200062;3.江蘇省太倉高級中學(xué),江蘇太倉 215411)

批判性思維也叫“審辨式思維”,其最初的起源可以追溯到蘇格拉底著名的“蘇格拉底提問法”.在他的提問模式中,強(qiáng)調(diào)思考的清晰性和邏輯性,通過提問揭示對話者的思維盲點.杜威提出反思性思維,其認(rèn)為反思性思維是一種解決經(jīng)驗存在問題的方法,是一種使經(jīng)驗不斷重組和改造的方法.[1]恩尼斯認(rèn)為:批判性思維是為決定信什么或做什么而進(jìn)行的合理的、反省性的思維,這一定義被大多數(shù)人所認(rèn)可.[2]

1 批判性思維與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)系

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中明確提出“培養(yǎng)具有批判性思維的意識,能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問題”“能對已有結(jié)論有依據(jù)地質(zhì)疑、采用不同方法分析解決問題”等.[3]可見,課程標(biāo)準(zhǔn)對批判性思維的培養(yǎng)提出了明確的要求,批判性思維與物理學(xué)科核心素養(yǎng)到底是什么關(guān)系呢?筆者認(rèn)為物理學(xué)科核心素養(yǎng)是批判性思維在學(xué)科層面的具體表達(dá),它們是充分融合、相輔相成的關(guān)系,如圖1所示.

圖1 批判性思維與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)系

依據(jù)批判性思維的定義:批判性思維是為決定信什么或做什么而進(jìn)行合理的、反省性的思維.可以將其分為兩個維度4個要素:信什么與做什么、合理性與反思性.

“信什么”反映了批判性思維的傾向,是情感和價值取向維度,指向觀念建構(gòu).這里的觀念不僅包括學(xué)科層面的、還包括價值層面的.“做什么”反映了批判性思維的技能,是遷移和問題解決維度,指向?qū)嵺`應(yīng)用.這里的實踐不僅包括外顯的行為,也包括內(nèi)隱的思維.“合理性”是批判性思維的基礎(chǔ),只有合乎學(xué)科邏輯、合乎學(xué)生認(rèn)知邏輯,學(xué)生才可能去深入思考,合理性的實現(xiàn)需要基于證據(jù)進(jìn)行分析、推理和論證.“反思性”是批判性思維的核心,只有引導(dǎo)學(xué)生對自己學(xué)習(xí)的過程、思維的方式與策略進(jìn)行全面的反思內(nèi)化,[4]才可能發(fā)展自己的認(rèn)知圖示、提升思維品質(zhì);才可能綜合應(yīng)用所學(xué)創(chuàng)造性地解決問題.

觀念建構(gòu)在學(xué)科層面的合理論證結(jié)果就體現(xiàn)為學(xué)科觀念(即物理觀念),觀念建構(gòu)在價值層面的反思與內(nèi)化就體現(xiàn)為科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.外顯的、合理性的學(xué)科實踐過程表現(xiàn)為科學(xué)探究,內(nèi)隱的、反思性的實踐過程表現(xiàn)為科學(xué)思維.

基于對課程標(biāo)準(zhǔn)的分析,物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個維度蘊含的批判性思維內(nèi)容見表1.

表1

另外,物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也離不開批判性思維,物理觀念的形成需要批判性地自我反思,將事實、經(jīng)驗和問題等抽象內(nèi)化向觀念進(jìn)階;批判性思維是高階思維的內(nèi)核,同樣也是科學(xué)思維的內(nèi)核;科學(xué)探究中需要對實驗方案進(jìn)行批判性的論證、對實驗誤差和實驗結(jié)論的得出進(jìn)行批判性的分析;批判性思維過程本身就是培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真和公平公正的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的過程,批判性思維內(nèi)蘊著積極反思的態(tài)度.[5]發(fā)展批判性思維的過程其實就是培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的過程.

2 浸潤批判性思維的物理教學(xué)框架構(gòu)建

浸潤批判性思維的物理教學(xué)離不開良好的批判性思維環(huán)境支持,包括物理文化、境脈和資源等.物理學(xué)科的人文意蘊就是:求真、向善、臻美,所以求真、向善、臻美是物理教學(xué)的文化基石和價值追求.在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的金字塔框架如圖2所示.批判性思維環(huán)境的橢圓邊界用虛線框,表示這里的環(huán)境沒有絕對的界限,隨著學(xué)習(xí)的深入可以不斷向外擴(kuò)展.元認(rèn)知位于該框架的頂點,貫穿于教學(xué)全過程.通過引導(dǎo)學(xué)生對自己的思維發(fā)展進(jìn)行持續(xù)反思,不斷調(diào)試自己思考的方式與策略.

圖2 浸潤批判性思維的物理教學(xué)金字塔型框架

另外,在這個模型中,實線部分對應(yīng)的內(nèi)容(知識結(jié)構(gòu)、思維技能和求真)有顯性之意,虛線部分對應(yīng)的內(nèi)容(情感態(tài)度、向善和臻美)有隱性之意,共同構(gòu)成物理教育的結(jié)構(gòu)體系.這一框架也可稱為“三三五”模式.

2.1 三基石(底邊)

3個底邊分別表示求真、向善和臻美,其中求真是物理教學(xué)的基礎(chǔ),也是批判性思維發(fā)展的動力源泉.向善是價值取向,一方面對于個人,在批判性思考的過程中要充分尊重其他學(xué)生的觀點;另一方面對于社會,要讓批判性思維為人類社會進(jìn)步貢獻(xiàn)力量.臻美是精神層面,在經(jīng)歷批判性思維后,讓學(xué)生體會到物理學(xué)的邏輯美、簡潔美、對稱美和統(tǒng)一美.著名物理特級教師吳加澍也認(rèn)為:真、善、美是物理教學(xué)的最高追求.[6]其實,在物理學(xué)發(fā)展史上,很多科學(xué)家也將真、善、美作為自己追求的最高價值和終極目標(biāo),如麥克斯韋和愛因斯坦等.

2.2 三維度(側(cè)棱)

3個側(cè)棱分別表示知識結(jié)構(gòu)、思維技能和情感態(tài)度.現(xiàn)代批判性思維運動之父格拉澤認(rèn)為:批判性思維是態(tài)度、知識和技能的綜合體.知識是批判性思維的對象,并在批判性思考的過程中不斷被優(yōu)化形成系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu),所以離開知識談批判性思維就是空中樓閣.思維技能是批判性思維的重要內(nèi)容,在物理教學(xué)中主要包括:解釋、闡釋、分析、評價、推理、論證、自我改進(jìn)等能力.[7]由于物理學(xué)科比較抽象,在物理教學(xué)中發(fā)展批判性思維需要堅韌不拔的意志和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度,積極向上的情感和良好的學(xué)習(xí)態(tài)度是持續(xù)進(jìn)行批判性思考的保障.

2.3 五層次(層級)

批判性思維在物理教學(xué)中主要表現(xiàn)為5個進(jìn)階的維度,從低到高依次為:體驗與感知、質(zhì)疑與假設(shè)、推理與論證、分析與評估、綜合與創(chuàng)造.

首先,創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的多元化、網(wǎng)絡(luò)化物理情境脈絡(luò),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行親身體驗與感知,激發(fā)學(xué)生積極的情感和探究的熱情.其次,隨著探究的深入和問題的驅(qū)動,學(xué)生在新知和舊知之間有時會產(chǎn)生認(rèn)知矛盾,進(jìn)而引發(fā)疑問,在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理假設(shè).[8]再次,借助物理學(xué)習(xí)過程中的有效反饋,學(xué)生不斷修正、改進(jìn)自己的假設(shè),在尋找證據(jù)進(jìn)行反復(fù)論證的過程中,形成對物理學(xué)科本質(zhì)的理性認(rèn)識.從此,通過對學(xué)習(xí)的內(nèi)容、過程與方式持續(xù)反思,做出合理性的評估,實現(xiàn)物理知識的意義化建構(gòu).最后,對所學(xué)習(xí)的物理知識與思想方法進(jìn)行綜合,遷移到陌生情境中創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題.

3 浸潤批判性思維的物理教學(xué)策略

借助上述金字塔物理教學(xué)框架,能將批判性思維與物理教學(xué)充分融合,基于5個進(jìn)階的維度,對應(yīng)的5個物理教學(xué)策略為:創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)情境、誘發(fā)認(rèn)知沖突、促進(jìn)體驗與感知;把握問題本質(zhì)、建立物理模型、促進(jìn)質(zhì)疑與假設(shè);基于已有認(rèn)知、進(jìn)行自主建構(gòu)、促進(jìn)推理與論證;尋找有效證據(jù)、實現(xiàn)深度理解、促進(jìn)分析與評估;解決實際問題、培養(yǎng)責(zé)任意識、促進(jìn)創(chuàng)造與綜合.下面以人教版新教材“動量守恒定律”教學(xué)為例進(jìn)行說明.

3.1 創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)情境誘發(fā)認(rèn)知沖突促進(jìn)體驗與感知

情境是物理教學(xué)基礎(chǔ),也是培養(yǎng)批判性等高階思維的基礎(chǔ).通過創(chuàng)設(shè)開放性、挑戰(zhàn)性的問題情境,一方面激發(fā)學(xué)生的探究熱情,另一方面能有效誘發(fā)認(rèn)知沖突.認(rèn)知沖突是新情境與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的暫時性矛盾和思維失衡,能促進(jìn)學(xué)生深入思考,這是培養(yǎng)批判性思維的起點.

在“動量守恒定律”教學(xué)中,質(zhì)量不同的兩小車前端各固定一個強(qiáng)磁鐵,同名磁極相對,用一小段細(xì)線將兩個小車緊密連接起來,將它們放在玻璃板上,當(dāng)燒斷連接的細(xì)線時,觀察到兩小車在磁鐵斥力的作用下向相反方向運動.

接下來將光滑的玻璃板放在蹺蹺板上,將上述實驗放在這個蹺蹺板上完成,開始時讓兩個小車(中間用細(xì)線連接)在蹺蹺板上保持平衡,先讓學(xué)生判斷:如果燒斷細(xì)線,兩小車在向相反方向運動的過程中,蹺蹺板向哪邊傾斜,學(xué)生都認(rèn)為是向質(zhì)量大的小車那邊傾斜.接下來教師用火苗將細(xì)線燒斷,發(fā)現(xiàn)兩小車在蹺蹺板上運動的時間內(nèi)(都未離開蹺蹺板),蹺蹺板竟然始終保持平衡,如圖3所示.

圖3 蹺蹺板實驗

這個情境中讓兩質(zhì)量不同的小車在蹺蹺板上開始階段保持平衡有很大的挑戰(zhàn)性,演示實驗的結(jié)果極大地誘發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突,激發(fā)求知的欲望.

3.2 把握問題本質(zhì)建立物理模型促進(jìn)質(zhì)疑與假設(shè)

物理模型是在研究或解決物理學(xué)問題時,舍棄次要因素,抓住主要因素而建立的.建立模型的過程中需要對所研究問題的本質(zhì)有清晰的認(rèn)識,對相關(guān)影響因素進(jìn)行分析.實際教學(xué)中,學(xué)生不可能一次就對問題本質(zhì)有深刻的理解,需要經(jīng)歷“質(zhì)疑—假設(shè)—驗證”螺旋進(jìn)階的過程.

對于上述實驗結(jié)果,有很多學(xué)生質(zhì)疑,認(rèn)為蹺蹺板可能發(fā)生了較小的傾斜,沒有觀察到,對于這個質(zhì)疑嘗試讓學(xué)生自己提出假設(shè)與驗證的方法.可以采用拍攝視頻,用慢動作播放的方式驗證,也可以增大兩小車間的質(zhì)量差,重新進(jìn)行實驗觀察.還有學(xué)生認(rèn)為實驗過程比較短暫,蹺蹺板質(zhì)量比較大,慣性大,可能還沒來得及傾斜.對這個疑問可以引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型,從理論上進(jìn)行深入探討,分析一般情況下兩小車的運動過程,這正是本節(jié)課的重點內(nèi)容.

由于采用表面較為光滑的玻璃板,所以可以認(rèn)為兩小車在光滑水平面上運動.另外,兩小車在水平面上平動,可以將其看作質(zhì)點,分別受到作用力和反作用力.具體模型為:光滑水平面上,質(zhì)量為m1、m2固定有磁鐵的小車,分別在恒力F1、F2的作用下沿同一直線向右運動,如圖4所示,某一時刻,二者速度分別為v1、v2,經(jīng)一段時間后,二者速度分別為v1'、v2'.

圖4

這個模型的建構(gòu)有承上啟下的作用,既是前面實驗與對問題本質(zhì)認(rèn)識的結(jié)果,也是后面進(jìn)行推理論證的重要基礎(chǔ).

3.3 基于已有認(rèn)知進(jìn)行自主建構(gòu)促進(jìn)推理與論證

在已建立物理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理論證是物理學(xué)家們經(jīng)常使用的方法,也是物理教學(xué)的重要策略.充分利用已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識與方法,對所研究的問題進(jìn)行自主和合作的推理與論證,讓新知識深深扎根于舊知識,[9]并在已有認(rèn)知的“土壤”上不斷“生長”,進(jìn)而理解新知識的合理性,實現(xiàn)自主建構(gòu).這即為“求真”的過程,也是發(fā)展批判性思維的核心環(huán)節(jié).

引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識嘗試推理論證這些物理量之間的關(guān)系.如果規(guī)定以向右為正方向,對于小車m1,由動量定理有(F1-F21)t=m1v1'-m1v1;對于小車m2,由動量定理有(F2+F12)t=m2v2'-m2v2.再由牛頓第三定律可知:F21=F12.將兩個式子的左邊和右邊分別相加,得到(F2+F1)t=(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2).

如果將兩小車看作一個系統(tǒng),(m1v1'+m2v2')-(m1v1+m2v2)即為系統(tǒng)的動量變化量,上述式子即為兩小車m1、m2組成系統(tǒng)的動量定理表達(dá)式.如果F2+F1=0,即系統(tǒng)的合外力為0,系統(tǒng)的總動量守恒,此即為系統(tǒng)動量守恒的條件.

在開始的蹺蹺板情境中:由于兩小車放在光滑的玻璃平面上,運動距離較短,近似滿足動量守恒的條件.并且開始時兩小車處于靜止?fàn)顟B(tài),系統(tǒng)總動量為0,這樣可以推理得到m1v1'=m2v2'.此式對每個時刻都成立,則一段時間內(nèi)的平均速度代入也成立,兩邊同時乘以運動時間Δt,得到m1x1=m2x2.也就是滿足杠桿平衡條件,所以兩小車運動過程中蹺蹺板保持平衡.

基于牛頓第三定律和動量定理進(jìn)行推理論證,從理論上得到了系統(tǒng)動量守恒的條件及其內(nèi)容.

3.4 尋找有效證據(jù)實現(xiàn)深度理解促進(jìn)分析與評估

批判性思維是基于事實證據(jù)的分析與反思,在教學(xué)中一方面可以給學(xué)生提供正、反兩方面的證據(jù),讓學(xué)生進(jìn)行分析和甄選出有效證據(jù),進(jìn)行證實或證偽;[10]另一方面也可以讓學(xué)生自主或合作尋找證據(jù)來支撐自己的觀點.在對證據(jù)進(jìn)行分析和反思的基礎(chǔ)上,促進(jìn)對知識背后蘊含的邏輯美、對稱美進(jìn)行深度理解.

如何尋找實驗證據(jù)進(jìn)一步研究動量守恒定律呢?教師可以放手讓學(xué)生設(shè)計方案.

學(xué)生提出方案1:用以前“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的裝置,將兩個小車分別平衡摩擦力,從而滿足動量守恒的條件,然后用一個運動小車撞擊靜止的小車,撞擊后粘在一起繼續(xù)運動,用打點計時器測量碰撞前后的速度.

方案2:將兩個小車放在氣墊導(dǎo)軌上實驗,用兩個光電門測量碰撞前后的速度.對于兩種方案讓學(xué)生進(jìn)行綜合評價和辯證分析,培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力.經(jīng)過協(xié)商后發(fā)現(xiàn)用氣墊導(dǎo)來進(jìn)行實驗,操作過程和數(shù)據(jù)處理比較方便,接下來讓學(xué)生用此裝置小組合作進(jìn)行實驗探究,如圖5所示.

圖5 小組實驗探究

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,歸納綜合得出實驗結(jié)論后,讓學(xué)生對本實驗的過程進(jìn)行反思和質(zhì)疑:有學(xué)生提出光電門只能測量碰撞前后勻速運動階段的速度,那么在碰撞的動態(tài)過程中,是否也滿足動量守恒呢?這里可以用DIS平臺的速度傳感器,測出兩小車的vt圖像,在兩小車碰撞端各固定一個強(qiáng)磁鐵,并且同名磁極相對,延長相互作用的時間,如圖6所示,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

圖6 用DIS平臺研究碰撞過程中系統(tǒng)的總動量

通過從理論分析到實驗探究、從特殊狀態(tài)到一般狀態(tài),幫助學(xué)生對動量守恒定律進(jìn)行多維度分析,深刻理解其系統(tǒng)性、矢量性和普適性,也有助于提升學(xué)習(xí)對物理學(xué)對稱美、統(tǒng)一美的認(rèn)知.[11]

3.5 解決實際問題培養(yǎng)責(zé)任意識促進(jìn)綜合與創(chuàng)造

解決實際問題是批判性思維的重要維度,也是培養(yǎng)批判性思維的重要方式.學(xué)生在對實際問題進(jìn)行解決的過程中需要對紛繁復(fù)雜的信息進(jìn)行辨析,需要經(jīng)歷構(gòu)建物理模型、分析綜合和論證評估等過程.[12]并且實際問題往往與社會發(fā)展緊密聯(lián)系,有助于增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感,這也是物理教學(xué)“向善”的過程.

外太空小行星來犯是地球生命面臨的潛在災(zāi)難性威脅,盡管發(fā)生概率極低,但危害極大.2022年12月15日在浙江省杭州市和金華市一帶,一顆超亮火流星刺破了夜空,引發(fā)了社會熱議和國內(nèi)學(xué)者對行星防御問題研究的重視.針對經(jīng)典動能撞擊在預(yù)警時間較短的條件下無法有效防御大尺寸小行星的問題,中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心提出了“以石擊石”的防御方案,被國際同行公認(rèn)為是可行的方案.

直徑在100 m以上的小行星質(zhì)量一般可以達(dá)到數(shù)百萬噸,而用來防御的組合撞擊體質(zhì)量只有100～200 t,在“以石擊石”方案中,如何實現(xiàn)防御目標(biāo)的呢?請學(xué)生課后查閱相關(guān)資料,利用已有的知識、結(jié)合工程技術(shù)條件提出屬于自己的解決方案.這個實際問題的解決不僅有助于所學(xué)知識的遷移應(yīng)用,還有助于增強(qiáng)學(xué)生的人類命運共同體意識和社會責(zé)任感.

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)、以理性思維為中心的學(xué)科,培養(yǎng)批判性思維能力是物理學(xué)科教學(xué)的核心內(nèi)容和本源目標(biāo),即物理學(xué)科教學(xué)為批判性思維能力的培養(yǎng)提供了廣闊的實踐場域.只有充分理解批判性思維與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián),才能將批判性思維有效浸潤到物理教學(xué)中并發(fā)展之.本文基于物理學(xué)科本質(zhì)構(gòu)建了浸潤批判性思維的物理教學(xué)金字塔框架,并總結(jié)凝煉了相應(yīng)的教學(xué)策略,期許為一線教師的教學(xué)實踐提供可借鑒的范式.