科学思维落地需要“整体视野”——谈美国高中主流物理教材的首章编排

印晓明 陈 坤

(江苏省南菁高级中学,江苏 江阴 214437)

科学思维是普通高中物理学科4大核心素养之一．从2015年国家层面提出核心素养概念至今,通过对周边地区高中物理听课调研等活动,笔者发现,在课堂教学实践中,追求教学进度、追求信息量最大化的“灌输式课堂”现象已有所改变,教师们已经能比较好地选择合适的教学方式、关注课堂的节奏并根据学生的反应作及时的调整,但很多课堂最终的教学目标实际上还停留在让学生“学会知识”的层面,未能真正上升到“学会学习”．究其原因,笔者认为,在教学中对物理学真正意义上的“科学思维”关注不足(很多时候教师对科学思维的强调是体现在习题教学中),可能是引发很多物理课堂未能发生实质性转变的关键因素．如何立足于“整体”,将提升学生科学思维的目标落到实处?美国高中主流物理教材《Physics:Principles and Problems》(以下简称《PPP》)的首章编排在这方面可能会给我们带来一些有益的启发与思考．

1 给予思维的工具

《PPP》教材第一章的标题为“物理学工具箱”,具体内容编排见图1．《PPP》在其开篇并没有直接切入具体的高中物理知识体系的内容,而是以显化的方式,系统介绍了学习和研究物理问题时所要用到的科学方法:从“数学和物理学”到“测量”再到“作数据图”,各部分内容详尽,逻辑性强,并且通过融入大量的实例、插图使整个章节的叙述更符合学生的认知特点,摆脱了这个主题极有可能出现的严肃枯燥的内容倾向,增加了阅读的趣味性．

图1

始于整体,目的是为了触及核心．《PPP》首章为学生提供整体化的“思维工具箱”,有利于帮助学生建立一条科学的物理思维链,使学生在以后的学习过程中,不是被各种事实、知识塞满头脑,而是能逐渐领会用普适的思维方式统领不同物理知识的方法,增强学生的“自我生长能力”．我国教材对科学思维方法的处理是将其隐含在各个物理概念与规律的教学中,很少用较大的篇幅、以显化的方式直接讲解,学生经过长期的学习探索、实践总结,可能会掌握一些适合自己的物理思维方法与研究策略,但这样的经验往往是零散无序的,呈现碎片化状态．以怎样的方式搭建起学生的物理思维框架、为实现“转识成智、知行合一”的目标作好准备,是我们在学生进入高中、开始物理学习之初需认真考量的关键问题之一．

我国人教版《普通高中课程标准实验教科书物理》(简称《人教版》)必修1目录之前的第一篇文章,是赵凯华先生的《走进物理课堂之前》,与《PPP》的首章编排有着异曲同工之妙．如何让赵先生文章中蕴含的思想方法在整个高中物理教学中以显性化的方式得到很好的体现,值得我们仔细考虑与推敲．

2 建构思维的品质

思维工具的给予、思维方法的指导,目的是为了在物理的“过程学习”中,建构起学生优秀的思维品质．法国思想家帕斯卡尔曾说:人是一根能思想的苇草．作为会思维的生命体,人正是凭借着理性思维认识自然,驾驭自然,达到与自然的和谐共处．因此,作为自然科学的基础学科,物理的教学,不能停留在“博学”这个层面,还需关注“审问、慎思、明辨、笃行”等目标的达成以及这些目标背后蕴含的对学生思维品质的要求．

2.1 重视科学思维的内核:科学抽象

《PPP》在每一章起始都会安排一个“起步实验”,内容往往与该章的核心知识相关．“物理工具箱”的起步实验是比较单枚硬币与一卷硬币同时下落后的运动情况,该实验在这一章中多次被举例提到,贯穿了整个章节的内容．(值得注意的是,赵凯华先生的《走进物理课堂之前》也是围绕一群小朋友观察落体运动展开的．)在“物理学中的数学”这个概念中,《PPP》教材结合“起步实验”作了如下阐述.

物理学家在研究问题时,为了对所观察到的事物或现象做出解释,总会先建立数学(数学方程)模型,然后做出预测,再依据以前的理论设计实验,由实验的结果证明先前的预测是否正确．回忆一下本章的“起步实验”．你可以预测说如果扔下一枚硬币,它就会往下掉．但是,它下落的速度有多快呢?在下落的过程中它的速度又是如何变化的呢?哪些因素会影响它下落的速度…对于上述问题,如果用不同的模型进行分析,就会得出不同的答案．为此,你需要具体测量一个物体是怎样下落的,以及下落的速度与哪些因素有关,由此得到一组由数据组成的实验结果．将这些数据与利用不同模型所作出的预测进行比较,就能检验各个模型,帮助你找到最好的那个,或启发你去开发新的模型．

《PPP》的这一段阐述体现了物理学科常规的研究方法,即:提出命题、观测、实验、推测答案、理论预言、实验检验、修改理论、实践应用．正是以上步骤循环往复,螺旋式上升,构成了物理学发展的一般进程．“从实践中来”再“到实践中去”,在这样的进程中,科学抽象起到了“联系两端”的重要的思维桥梁作用,因此是决定科学思维能力的核心因素．

我们的物理课堂也历来“重视”科学抽象,但问题在于,我们有可能存在重视过度的倾向:课堂上传授抽象的概念、定理,课后用大量“抽象”的习题进一步巩固“抽象”的课堂成果．我们的教学在很多时候,往往不太关心知识整体进程的“来龙”和“去脉”,最重要的“抽象过程”环节被忽视了,仅截取了中间“抽象知识”的部分,注重的是“育分”而不是“育人”．这样的课堂就本质而言,可能更多关注到的是互相孤立的陈述性知识和脱离实际的程序性知识,缺乏物理味道的思维量,从长远来看,不会带给学生真正的成长．

在物理教学过程中,如何做到让“科学抽象”真正在场?我们认为,一个重要的思路可能是要由“抽象知识”转向“具体情境”,建立起“具体”和“抽象”之间的联系,将教学内容放到整个物理进程的背景中去考虑．只有通过具体情境和物理本质的不断相互转化并经由长期的训练,学生用物理的眼光打量客观世界、用科学的思维解决实际问题的能力才会逐渐形成,科学抽象思维的品质才能得到提升．

2.2 关注科学思维的新形式：层次思维

现代科技日新月异的发展,使得人们对客观世界的认识正经历由浅入深、由简单到复杂的过程．在这样的大背景下研究学生思维品质的建构与提升,我们还需关注到“层次思维”．层次思维指的是,在认识、分析复杂问题或大系统时,将其层次化,形成一个逐阶层次的模型;研究每个层次的特性,再把它和在系统中起作用的条件整合起来,达到认识、分析、解决问题的目的．在《PPP》首章“物理学工具箱”最后,教材为学生安排了一个物理实验:对运动中物体的探究．实验的具体流程及内容如图2所示．

作为高中物理的第一个学生实验,《PPP》根据本章的学习内容、这一阶段学生的思维水平和心理特质,对本实验作了细致合理的“分层”设计,很好地体现了“层次思维”的相关理念．“路面上行驶着的机动车”是日常生活中最普通、最常见的事物,但对于学生而言,由于应对实际问题的层次思维能力往往不足,所以即便是最熟悉的场景也是属于“复杂情境”,要就此建构科学解释或推导相关结论,还是会感觉有很大的挑战性．如图2所示，《PPP》的设计为学生研究实际问题提供了以下思维路径:将问题分层,是探索“复杂情境”,达到“有效追问”的捷径之一;我们对复杂问题的认识,往往从定性认识层次开始,进而渐进到定量认识层次,或遵循由外在到本质、由低层到高层的规律,这些是将问题合理分层的原则;每一层思维的展开要有明确的目的,思维展开的路径与目标间要有清晰的对应关系．

图2

纵观《PPP》所有的章节,我们发现,教材中“学生实验”栏目的编排都与实际生活密切相关,提供的实验器材也尽可能是生活中的常见物品,每个实验会通过分层式的设计对学生作一定的思维导引,但很多实验在具体做法、实验结论的得出等环节的设计上是开放性的,完成实验后,还会继续通过“进一步探索”、“生活中的物理学” 等栏目引导学生对实验作更为深入的思考与讨论．《PPP》学生实验的落脚点并不是为了得到正确的实验结论,而是要对学生进行科学思维方法的训练．所以在对实验分层架构时,往往刚开始会较为具体、提供各种思维支架,再慢慢放手、逐渐增大思维的密度和空间．

关注问题、知识的整体视野,培养学生的层次思维品质,提升他们应对复杂问题的能力,还有利于促进创新及创造理念的教育．根据德国心理学家韦特海默的理论,创造力往往不是零敲碎打,而是和整体特征密切相关,随着整体的特征而运转．因此,高中物理教学中的层次思维可能不仅仅是对某个问题、某一节课作层次性的设计与思考;从更宏观的层面上来说,还需要教师以学生的“学程”为单位,采用学习进阶的理念,对教学内容进行科学、合理的分层规划与安排．

3 培育思维的温度

科学的思维应该拥有“人性”的温度,在追求科学的“真”的过程中还需追求人性的“善”与“美”．一位二战中纳粹集中营的幸存者,在做了美国一所中学的校长后,对每一个来学校任教的新老师都有一个同样的请求:请回到教育的根本,帮助学生成为具有人性的人．历经磨难的校长始终相信,只有在使孩子们更具有人性之后,读书、写字和算术的能力才具有价值．因此,学校中的任何教育和学习活动都不会是单纯的智育过程,而是承载了培养“完整的生命个体”的使命,让学生在不断完整自我的同时,也完整对客观事物的价值判断、转换,提升自身的价值需求和精神境界,这样才能拥有在未来获得幸福的能力．

如表1,《PPP》在每个章末测评中都安排了与本章相关的“科技写作”题,内容涉及物理学史、物理与技术、物理与社会等．就某个主题收集信息、阅读研究、分析鉴别,尝试提出自己的观点并有条理地进行论述表达,这种以“实证和研究为本”的论文写作训练,一方面可以锻炼学生分析问题、推理论证和思考表达的能力,使孩子们具备学术和科学发展的基本技能;另一方面,对某些问题的思考、阐述还将促成科学知识与学生的情感和价值观等方面的融合,塑造学生较为完整且具有个人特质的人格品质,培养学生思维的“温度”．事实上,不光是科技写作栏目,《PPP》教材的编写在很多地方都注重体现人与人、人与社会、科学与社会之间的关系,充满了生活气息与人文关怀,通过长期的潜移默化,帮助学生拥有更丰富更开阔的可能性,养成更内在的指向“人”本身的深入思考的习惯．科学的思维和完整的人格一体两翼,才能使学生在科学领域内获得较为完整的发展,使培养“具有创新精神和创新能力的全面的高素质人才”的教育目标成为可能．

表1 《PPP》部分章末测评“科技写作”栏题目

《人教版》必修1第1页引用了我国古代著名哲学家庄子的话:判天地之美,析万物之理．在高中物理教学中,我们若要引导学生达到庄子所言的境界,最关键之处可能是尝试改变物理教学的聚焦点:从关注学生拥有知识的数量逐渐转移到更关注提升学生思维的质量．立足于“整体”,寻找物理教育与学生生命成长的契合点,注重教育中“慢”的艺术,采用“浸润式”的教育方法,给予思维的工具、建构思维的品质、培育思维的温度,不断唤醒学生的生命感、价值感和创造感,这样培养出来的学生才可能具备良好的科学思维能力,以后才可能从更高的层面、用更全面的视野去分析、处理问题,做到更高层次上的“知行合一”．