基于逆向教学设计的科学思维能力培养研究——以“静电场”中部分概念教学为例

杨锦悦 任新成

(延安大学物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

中华人民共和国教育部制定的《普通高中物理课程标准》(2017年版)明确指出:物理学科核心素养包括:物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任.科学思维主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.科学思维即通过物理学的视角观察生活中的客观事物以及各种现象;能根据理论推导结合实验探究得出物理概念和物理规律,在此过程中应用到分析、综合、分析与综合辩证统一等方法;最后,对得出的结论怀有批判性态度并能提出创新性的观点.[1]

1 逆向教学设计

传统的教学设计思路遵循从教材分析、学情分析到教学环节,而逆向教学设计则需要先考虑教学要达到的目标什么,我们有什么证据可以证明学生达到这一目标,最后再设计教学环节.[2]简单来说,逆向教学设计就是从“终点”(学生的学习结果)出发,逆推教学活动,一直逆推到学生已有的知识和经验.逆向教学设计大致分为以下3个阶段: (1) 确定预期的教学结果; (2) 确定合适的评估证据; (3) 设计学习体验和教学活动.这样的教学设计能帮助教师紧扣物理核心素养目标和物理学科课程目标内容,同时也有助于培养学生归纳总结、科学推理等思维能力.[3]

2 科学思维能力培养的重要性

科学发现认识论认为:科学现象是根源,在科学发现过程中,科学现象和科学理论知识两者之间并不存在直接关系,科学理论知识的形成需要科学现象与科学思维方法相互作用.同样,科学理论知识的拓展应用也需要科学思维方法的参与才能成功解决问题,科学教育同样也是如此.因此建构了基于“科学方法中心”的知识-方法结构图.[4]

图1 知识-方法结构图

图1表明在科学教育中,从科学现象出发必须经过科学思维方法的加工整理才能获得科学理论知识;科学思维方法是科学理论知识应用的重要手段,是实现科学知识智力价值的桥梁.而在我国的教材中,对科学知识采用显性处理,对科学知识的内在关系和科学思维方法采用隐形处理.这两种处理方法的出发点是让学生在学习过程中自己感悟,但实际上由于科学思维方法的隐藏性特点,一些科学思维方法教育的基本理论问题没能得到深入探讨,隐形教育方式在物理教学实践中并没有取得理想的效果.因此教师在教学过程中应该对物理科学思维方法采用显性处理:训练思维方法,培养思维能力;传授物理方法,发展物理能力;积淀科学观念,形成科学素养.

3 基于逆向教学设计、培养学生的科学思维能力

静电场的内容存在很多概念及规律,这部分知识具有基础性、抽象性和综合性等特点,基础性表现在它是“电与磁”整个专题的基础内容;抽象性表现在它含有很多抽象的物理概念和物理规律,使学生难以理解;综合性表现在静电场的知识不仅物理概念繁多,物理规律复杂,同时需要迁移应用力学以及能量的知识和方法,对学生科学思维能力的综合性要求较高.所以静电场中的部分概念教学有助于提高学生的科学思维能力、培养学生的核心素养.

3.1 符合学生认知规律的电场强度教学

长期以来,高中教材中以及课堂上教师在引入电场强度时,大多数都只讲电场强度是试探电荷在电场中某点受到的电场力与电荷量的比值,是一个常数,这与试探电荷无关,只与电场本身的属性有关,所以定义这个比值叫这一点的电场强度.学生存在思维障碍电场真实存在吗?为什么要用电场力与电荷量的比值来定义电场强度,这与学生学习物理的认知规律不符,造成学生在方法认识上没有主动性,属于元认知困难,基于逆向教学设计理论笔者认为可以这样引出电场强度.[5]

3.1.1 确定预期结果

教学目标由物理核心素养目标和物理学科课程目标融合而成,融合后的教学目标是: (1) 学生知道电场是一种物质(物理观念层面培养学生的物质观念,从物理学视角形成物质的基本认识,是解释自然现象解决实际问题的基础).(2) 了解电场强度,体会用物理量之比定义新物理量的方法(科学思维层面从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律以及相互关系的认识方式).(3) 重视发挥物理学史的教育功能,让学生分析电场的真实存在(科学态度与责任层面让学生形成探索自然的内在动力,谨慎认真、实事求是和持之以恒的科学态度).

3.1.2 确定合适的评估证据

物理观念层面,让学生回答如何理解电场是一种物质?通过回答判断学生掌握情况;科学思维层面,让学生举例说明哪些物理量也是用比值定义法得出的,它们的物理性质有什么相同点;科学态度与责任层面,让学生课后查找关于超距作用的资料并探讨,培养科学兴趣.

3.1.3 学习体验和教学活动

图2 教学流程图

中学生学习物理的一般认知规律,概括为以下几点: (1) 获得必要的感性认识(教学支架风速的测量能引发学生产生浓厚兴趣,是形成概念、掌握规律的内部直接动机)；(2) 进行科学抽象(有了感性认识后,学生需要参与科学抽象,将感性知识升华到理性认识上,电场强度的引入从定性分析到定量计算,培养学生总结归纳的科学思维能力)；(3) 明确物理意义并进行具体运用(学生自主建构形成物理概念,明白为什么引入这一概念,根据比值定义法的特点理解电场强度的性质,提高学生应用知识的能力)；(4) 最后要把握物理概念的内涵和外延.

3.2 类比法促进知识正迁移的电势能、电势教学

电势能与电势在整个静电场教学中起着承上启下的作用,它上承电场强度下启电势差是本章的核心内容.在实际的教学中本节课有4小部分内容: (1) 静电力做功的特点; (2) 电势能; (3) 电势; (4) 等势面,传统的教学设计通常采用类比法,但是类比法并不能始终贯穿于这4部分内容.具体来说,静电力做功、电势能以及等势面可以与重力做功、重力势能以及等高线进行类比,但是缺少了与电势相类比的概念,使得类比法的教学出现逻辑上的断层,不利于后续内容电势差的教学.对于电势如何采用类比法进行教学,笔者有以下的构想.教学流程图如图3所示.

3.2.1 确定预期结果

教学目标由物理核心素养目标和物理学科课程目标融合而成,融合后的教学目标是: (1) 理解静电力做功的特点、电势能和电势的概念(物理观念层面即从物理学视角形成关于相互作用和能量等基本认识,是解释自然现象解决实际问题的基础).(2) 分析采用类比法引入电势能的依据,理解电势能与电场力做功的关系(科学思维层面从物理学视角对物理量的本质属性、内在规律以及相互关系的认识方式).(3) 利用知识类比和迁移激发学生学习兴趣,培养学生灵活运用知识和对科学的求知欲(科学态度与责任层面是指让学生认识科学的本质,形成探索自然的内在动力和科学精神).

3.2.2 确定合适的评估证据

物理观念层面:将问题有一定逻辑顺序的提出,引导学生建构电势能、电势两个物理量,分析评价学生回答情况;科学思维层面:通过类比法的学习观察学生的知识迁移能力和归纳总结能力;科学态度与责任层面:让学生回顾类比法和微元法在物理概念与规律教学中的应用,培养物理兴趣.

3.2.3 学习体验和教学活动

在学生已有经验功的计算、重力做功以及重力势能等知识点的基础上,通过计算电场力做功得出结论电场力与重力做功类似与路径无关,达到第一个子目标:电场也是保守场.接着在电场与重力场都属于保守场的基础上,可以将重力做功、重力势能以及重力势的性质正迁移到电场中对应的物理量,达到第二个子目标:建立电势能、电势的概念,理解电场力做功与电势能变化的关系.最后通过思考题,引导学生归纳总结试探电荷在电场中移动时,电场力做功、电势能变化以及电势变化情况,与正负电荷是否有关,培养学生归纳总结的思维能力.

在电势能与电势的教学过程中我们需要注意两个问题,其一是类比法的应用即正迁移发生的条件: (1) 对象的共同因素,共同因素越多迁移的可能性就越大,即触类旁通; (2) 已有经验的概括水平,经验的概括水平越高越有利于迁移,即举一反三; (3) 思维定势的作用,当学生把自己头脑中已有的思维模式恰当地用到新的物理情境中,使物理学习表现出心理活动的稳定性和前后一致性时,这种思维定势是积极的.其二是教学内容的逻辑性,即每个物理概念的出现要有一定的逻辑顺序,由易到难.综上所述,学生学习物理概念是知识迁移的发生,而知识技能通过正迁移可以转化为学生的科学思维能力,学习过程中的正迁移量越大,有助于学生观察物理现象,解决物理问题、逻辑推理、归纳总结等科学思维能力的培养,学生分析问题、解决问题的能力越强.[6]

图3 教学流程图