曹红梅 任虎虎

(1. 徐州市侯集高级中学，江苏 徐州 221121; 2. 江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

1 科学思维与思维型课堂的内涵

1.1 科学思维的内涵

科学思维是物理学科核心素养的核心内容.[1]科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格.[2]

1.2 思维型课堂的内涵

国内以林崇德、胡卫平为首的学者认为学生的思维活动是“思维型课堂”的核心,其中,认知冲突、自主建构、思维监控、应用迁移是思维型课堂的4个基本特征.认知冲突能激发学生学习内驱力,它是形成概念、掌握规律的内部直接动机.自主建构由认知建构与社会建构组成.认知建构认为学生的学习过程是学生积极主动建构的过程,社会建构强调人际间的互动;思维监控是指学生对自己和他人的思考过程进行总结、反思、评价,并主动控制自己的思维过程;应用迁移是指学生将自主建构中得到的知识、经验,主动用到实际问题的解决中,在解决问题的同时,进一步加深自己对知识的理解.[3]

2 促进科学思维发展的思维型课堂教学实践

既然科学思维是物理核心素养的核心内容,科学思维的培养必然成为物理教学的核心.教会学生怎样去思考,促使学生形成良好的心智习惯,远远比教会学生思考的内容更有价值.因此,注重思维的课堂,教师注意的点一定是投放在学生思维的发展上,而不应该是自己的讲述的内容上.[4]思维型课堂中,以科学思维发展为主轴,让学生在思维发展中经历概念的发生、发展以及应用的过程,思维品质也会同步得以提升．

下面以“全反射”概念教学为例,从思维型课堂的特征出发,论述指向科学思维发展的思维型课堂策略:以情境创设诱发认知冲突,以序列问题促进自主建构,以批判反省达成思维监控,以变式拓展驱动迁移应用.

2.1 于平静处起惊雷 ——情境创设诱发认知冲突

教学的起点应基于学生的知识储备,学生在学习新概念或解决具体的问题之前并不是一张白纸,而是带着原来的生活经验和前概念的影响,教学过程中可以从前概念出发,设置恰当的问题情境引发学生的认知冲突,促进旧概念的转变和新概念的诞生.

变式1:若一束光从玻璃射向空气,第一次入射角θ1=30°,求折射角θ2?

变式2:第二次从玻璃射向空气,入射角θ1′为53°时,求折射角?

2.2 莫让浮云遮望眼——序列问题促进自主建构

因为受前概念光的折射影响,学生普遍认为光从一种介质射入另一种介质会发生折射,就一定遵循折射定律.这里出现sinθ2′=1.34>1,问题的突破口隐藏得比较深,一些“浮云”遮住了学生的眼睛,他们自己很难找到切入点,不禁产生一种 “春雨断桥人难渡”的困苦感觉.

2.2.1 有序问题引推理

在思维型课堂中,以思维碰撞促进概念的自主建构显得尤为重要,而真实情境下的问题驱动是实现学生进行思维深度加工的有效手段. 教师贴近学生最近发展区层层设问,把学习任务合理分解,学生会不自觉地主动“入瓮”.这里,笔者设置由5个问题构成的问题链驱动学生一步一步深化思维,拨开“浮云”.

(1) 当玻璃中的入射角θ1增大时,空气中的折射角θ2如何变化?

(2)θ1和θ2能否无限制的增大?

(3) 哪个角先增大到最大值?最大值是多少?

(4) 当空气中的角度θ2增到90°,玻璃中的入射角θ1再增大,空气中的折射角θ2也无法增大了.那折射光线会在哪里呢?

(5) 我们可以推想这时一定出现了新的物理现象.请猜想:会是什么现象呢?

这里的序列化问题对调动学生知识的难度和思维层次上的要求越来越高,但是有序的问题预设也是在给学生搭建台阶,让学生在问题解决中感受到攀登的喜悦.

2.2.2 科学论证破迷思

对待猜想的最好办法就是用实验寻找证据,然后进一步进行论证.学生利用半圆形玻璃砖进行分组探究之前,再一次设置问题链,维持连续思索的动力,帮助学生走出猜想的迷思.

(1) 从玻璃中以入射角30°和53°分别入射,观察现象有什么区别?

(2) 这两种现象的转折变化是从何时开始的呢?请通过实验寻找发生突变的临界时刻?

(3) 临界时空气中的折射光线有什么特点?

(4) 归纳总结光从玻璃射到空气时,全反射现象出现的条件?

(5) 除了从玻璃射入空气,若改变介质,从介质1射入介质2时发生全反射,介质1与介质2有什么不同?

(6) 用自己的语言概括什么是全反射?

实验发现:从玻璃中以30°角入射时,既有反射光线又有折射光线;而以53°角入射时,折射光完全消失,只剩下反射光.此时连折射光线都不存在了,如果还用折射定律,自然会推出一个荒谬的结果.逐渐增大玻璃中的入射角,从量变到质变,会突然出现折射光线消失的临界状态.随后把玻璃射到空气合理外推到从光密介质射到光疏介质,对实验现象进行归纳总结,顺利得出全反射概念以及全反射产生条件,这无疑培养了学生的抽象概括能力.问题的层次决定了学生思维的层次.合理外推之后,又一次抛出问题:恰好发生全反射时,临界角怎样求呢?一个问题把学生引向理论推导.

在问题链驱动下,经过层层上升的思维加工过程,除尽繁华识真颜,最终自主建构新概念——光的全反射. 科学推理和科学论证是物理学习与研究中重要的思维方法,是科学思维的主干,教科书主要的概念、规律学习都用到了推理与论证.在变式2的认知冲突刺激下,从对两个角同时变大的科学推理开始,走向用实验进行科学论证,最终又回到科学推理求得临界角.学生亲身经历了概念的“来龙”过程,理解了为什么要引入全反射概念,在自主建构中形成全反射概念,经历了有意义的学习.

2.3 小舟撑出柳阴来——批判反省达成思维监控

思维监控需要监控什么?监控自己和他人思考的内容、思考的过程、物理概念和规律建立的过程、思维的方式以及结果;思维监控之后对以上各点进行评估和反思,从而能更深刻把控物理概念和规律的内涵和本质.思维监控有助于规约学习者的思考过程,帮助学生形成自己的思维策略.

2.3.1 思维监控引反思

全反射的概念及其条件都比较抽象,在实验探究之后,引导学生反思全反射条件建立的过程,用流程图进行总结概括,进一步体会从前概念获得新概念的过程.同时,还需要把实验中的具体介质外推到一般情况,分别为光密介质与光疏介质,并进一步简化成具体的光路模型,画出光路图,给学生留下具象化的认知图示,见图1.反思全反射条件构建的过程,把内隐的思维过程显性化,有助于学生以后遇到复杂实际物理问题时能顺利简化出光路图.

图1 全反射条件形成的认知图示

2.3.2 悄无声息起辨析

课堂伊始,得到sinθ2′=1.34>1,这是一极好的对学生进行批判性思维训练的机会.新知是在对旧知的批判中,走出对前概念(光的折射)的理解迷思,才能深度理解新概念.面对正弦值大于1,引导学生反省自己的思维过程.学生会禁不住怀疑自己计算出错,甚至怀疑折射定律出错．不管哪种怀疑,都促使学生进行思维重现,重新检查推导过程.当发现推导过程没有问题时,就会猜想:折射定律的运用难道有条件的吗?

在课堂的后半程,当从实验探究与理论分析两条道路得到全反射的概念以及全反射的条件之后,为了论证上述猜想,笔者及时发出3个追问.

追问1： 光从一种介质射入另一种介质,一定会发生折射吗?

追问2： 教材对折射定律的表述严谨吗?

追问3： 需要加上附加条件对折射定律进行修正吗?

2.4 绝知此事要躬行——变式拓展驱动迁移应用

经历概念的“来龙”,还要交代概念的“去脉”.物理概念和规律只有在真实情境下进行迁移应用,才能进一步明晰、把握物理概念的内涵和外延,才能使学生理解得更深刻,掌握得更牢固.

真实情境:光纤已经走进千家万户,如果要使任意角度入射的光从光导纤维的一侧入射时都能在光导纤维里发生全反射,那么光导纤维的折射率需要满足什么条件?

图2 光导纤维截面图

思维需要载体,需要必要的知识储备,光导纤维对学生来讲是个未知的事物,首先要分析光导纤维的结构,如图2,画出光导纤维的截面图,有内芯和外套,最外面是保护层.光导纤维太细,为了便于观察光的行进路径,特意放大实验现象,采用有机玻璃棒模拟光导纤维做演示实验,当激光射入一根弯曲的有机玻璃棒的一端时,观察有机玻璃传输光线的特点,发现激光在弯曲的有机玻璃棒中并不沿直线传播,而是沿着锯齿形的折线传播,见图3.在此基础上,去掉情境,简化出光导纤维的光线传播模型来.如图4所示.

图3 激光在弯曲的有机玻璃棒中传播

图4 光导纤维中的光路图

学生在解决实际问题的过程中之所以会想偏、会用错知识说明该物理问题要么思维难度较大,要么条件具有迷惑性,要么物理情景、物理模型的构建比较困难.[5]因而,养成学生思维的程序非常关键.对于实际物理问题解决的思维流程,首先是从文字中构建出物理情境,其中去掉情境,简化出光导纤维的光线传播模型最关键.然后判定遵循的物理条件,转成生成数学问题,写出表达式进行函数运算.在解决实际问题的迁移应用中,这种思维的程序性知识,不是教师的单方面引导能直接赋予学生的,需要学生自己反思、反省、归纳、概括.需要通过思维监控来形成解决此类问题的程序,形成思维的序,见图5.

图5 迁移应用中思维的序

3 教学反思

认知冲突、自主建构、思维监控、迁移应用,从时间的进程来看,没有绝对的划分.自主建构贯穿物理课堂的始终,知识的建构从时间的维度,从难易的维度来看存在着延续性.思维监控应该是学生自觉自愿的过程,随时用质疑、批判的眼光对待学习的全程,反思和评估自己和他人思考的内容、思考的过程、物理概念和规律建立的过程、思维的方式以及结果.因而,对每一节课来讲,思维监控也要贯穿始终.在反思中建构,在建构中再反思,经历这样的循环过程,才是进行了有意义的学习.

对于每一个课例,如果教师都能够首先深刻挖掘教材是如何体现科学思维的,然后根据班级学情,以思维活动为主轴,从认知冲突、自主建构、思维监控、迁移应用各个角度创造机会,让学生经历思维深度加工的过程,不仅促成学生对概念规律的深度理解,还能在思维监控作用下,形成思维的程序性知识,帮助学生形成思维的序.学生在思维型课堂中经历概念、规律发生、发展以及应用的过程,在教师引领下进行各种科学思维活动,一定会还师者以惊喜.