科學思維落地需要“整體視野”
——談美國高中主流物理教材的首章編排

印曉明 陳 坤

(江蘇省南菁高級中學,江蘇 江陰 214437)

科學思維是普通高中物理學科4大核心素養之一．從2015年國家層面提出核心素養概念至今,通過對周邊地區高中物理聽課調研等活動,筆者發現,在課堂教學實踐中,追求教學進度、追求信息量最大化的“灌輸式課堂”現象已有所改變,教師們已經能比較好地選擇合適的教學方式、關注課堂的節奏并根據學生的反應作及時的調整,但很多課堂最終的教學目標實際上還停留在讓學生“學會知識”的層面,未能真正上升到“學會學習”．究其原因,筆者認為,在教學中對物理學真正意義上的“科學思維”關注不足(很多時候教師對科學思維的強調是體現在習題教學中),可能是引發很多物理課堂未能發生實質性轉變的關鍵因素．如何立足于“整體”,將提升學生科學思維的目標落到實處?美國高中主流物理教材《Physics:Principles and Problems》(以下簡稱《PPP》)的首章編排在這方面可能會給我們帶來一些有益的啟發與思考．

1 給予思維的工具

《PPP》教材第一章的標題為“物理學工具箱”,具體內容編排見圖1．《PPP》在其開篇并沒有直接切入具體的高中物理知識體系的內容,而是以顯化的方式,系統介紹了學習和研究物理問題時所要用到的科學方法:從“數學和物理學”到“測量”再到“作數據圖”,各部分內容詳盡,邏輯性強,并且通過融入大量的實例、插圖使整個章節的敘述更符合學生的認知特點,擺脫了這個主題極有可能出現的嚴肅枯燥的內容傾向,增加了閱讀的趣味性．

圖1

始于整體,目的是為了觸及核心．《PPP》首章為學生提供整體化的“思維工具箱”,有利于幫助學生建立一條科學的物理思維鏈,使學生在以后的學習過程中,不是被各種事實、知識塞滿頭腦,而是能逐漸領會用普適的思維方式統領不同物理知識的方法,增強學生的“自我生長能力”．我國教材對科學思維方法的處理是將其隱含在各個物理概念與規律的教學中,很少用較大的篇幅、以顯化的方式直接講解,學生經過長期的學習探索、實踐總結,可能會掌握一些適合自己的物理思維方法與研究策略,但這樣的經驗往往是零散無序的,呈現碎片化狀態．以怎樣的方式搭建起學生的物理思維框架、為實現“轉識成智、知行合一”的目標作好準備,是我們在學生進入高中、開始物理學習之初需認真考量的關鍵問題之一．

我國人教版《普通高中課程標準實驗教科書物理》(簡稱《人教版》)必修1目錄之前的第一篇文章,是趙凱華先生的《走進物理課堂之前》,與《PPP》的首章編排有著異曲同工之妙．如何讓趙先生文章中蘊含的思想方法在整個高中物理教學中以顯性化的方式得到很好的體現,值得我們仔細考慮與推敲．

2 建構思維的品質

思維工具的給予、思維方法的指導,目的是為了在物理的“過程學習”中,建構起學生優秀的思維品質．法國思想家帕斯卡爾曾說:人是一根能思想的葦草．作為會思維的生命體,人正是憑借著理性思維認識自然,駕馭自然,達到與自然的和諧共處．因此,作為自然科學的基礎學科,物理的教學,不能停留在“博學”這個層面,還需關注“審問、慎思、明辨、篤行”等目標的達成以及這些目標背后蘊含的對學生思維品質的要求．

2.1 重視科學思維的內核:科學抽象

《PPP》在每一章起始都會安排一個“起步實驗”,內容往往與該章的核心知識相關．“物理工具箱”的起步實驗是比較單枚硬幣與一卷硬幣同時下落后的運動情況,該實驗在這一章中多次被舉例提到,貫穿了整個章節的內容．(值得注意的是,趙凱華先生的《走進物理課堂之前》也是圍繞一群小朋友觀察落體運動展開的．)在“物理學中的數學”這個概念中,《PPP》教材結合“起步實驗”作了如下闡述.

物理學家在研究問題時,為了對所觀察到的事物或現象做出解釋,總會先建立數學(數學方程)模型,然后做出預測,再依據以前的理論設計實驗,由實驗的結果證明先前的預測是否正確．回憶一下本章的“起步實驗”．你可以預測說如果扔下一枚硬幣,它就會往下掉．但是,它下落的速度有多快呢?在下落的過程中它的速度又是如何變化的呢?哪些因素會影響它下落的速度…對于上述問題,如果用不同的模型進行分析,就會得出不同的答案．為此,你需要具體測量一個物體是怎樣下落的,以及下落的速度與哪些因素有關,由此得到一組由數據組成的實驗結果．將這些數據與利用不同模型所作出的預測進行比較,就能檢驗各個模型,幫助你找到最好的那個,或啟發你去開發新的模型．

《PPP》的這一段闡述體現了物理學科常規的研究方法,即:提出命題、觀測、實驗、推測答案、理論預言、實驗檢驗、修改理論、實踐應用．正是以上步驟循環往復,螺旋式上升,構成了物理學發展的一般進程．“從實踐中來”再“到實踐中去”,在這樣的進程中,科學抽象起到了“聯系兩端”的重要的思維橋梁作用,因此是決定科學思維能力的核心因素．

我們的物理課堂也歷來“重視”科學抽象,但問題在于,我們有可能存在重視過度的傾向:課堂上傳授抽象的概念、定理,課后用大量“抽象”的習題進一步鞏固“抽象”的課堂成果．我們的教學在很多時候,往往不太關心知識整體進程的“來龍”和“去脈”,最重要的“抽象過程”環節被忽視了,僅截取了中間“抽象知識”的部分,注重的是“育分”而不是“育人”．這樣的課堂就本質而言,可能更多關注到的是互相孤立的陳述性知識和脫離實際的程序性知識,缺乏物理味道的思維量,從長遠來看,不會帶給學生真正的成長．

在物理教學過程中,如何做到讓“科學抽象”真正在場?我們認為,一個重要的思路可能是要由“抽象知識”轉向“具體情境”,建立起“具體”和“抽象”之間的聯系,將教學內容放到整個物理進程的背景中去考慮．只有通過具體情境和物理本質的不斷相互轉化并經由長期的訓練,學生用物理的眼光打量客觀世界、用科學的思維解決實際問題的能力才會逐漸形成,科學抽象思維的品質才能得到提升．

2.2 關注科學思維的新形式：層次思維

現代科技日新月異的發展,使得人們對客觀世界的認識正經歷由淺入深、由簡單到復雜的過程．在這樣的大背景下研究學生思維品質的建構與提升,我們還需關注到“層次思維”．層次思維指的是,在認識、分析復雜問題或大系統時,將其層次化,形成一個逐階層次的模型;研究每個層次的特性,再把它和在系統中起作用的條件整合起來,達到認識、分析、解決問題的目的．在《PPP》首章“物理學工具箱”最后,教材為學生安排了一個物理實驗:對運動中物體的探究．實驗的具體流程及內容如圖2所示．

作為高中物理的第一個學生實驗,《PPP》根據本章的學習內容、這一階段學生的思維水平和心理特質,對本實驗作了細致合理的“分層”設計,很好地體現了“層次思維”的相關理念．“路面上行駛著的機動車”是日常生活中最普通、最常見的事物,但對于學生而言,由于應對實際問題的層次思維能力往往不足,所以即便是最熟悉的場景也是屬于“復雜情境”,要就此建構科學解釋或推導相關結論,還是會感覺有很大的挑戰性．如圖2所示，《PPP》的設計為學生研究實際問題提供了以下思維路徑:將問題分層,是探索“復雜情境”,達到“有效追問”的捷徑之一;我們對復雜問題的認識,往往從定性認識層次開始,進而漸進到定量認識層次,或遵循由外在到本質、由低層到高層的規律,這些是將問題合理分層的原則;每一層思維的展開要有明確的目的,思維展開的路徑與目標間要有清晰的對應關系．

圖2

縱觀《PPP》所有的章節,我們發現,教材中“學生實驗”欄目的編排都與實際生活密切相關,提供的實驗器材也盡可能是生活中的常見物品,每個實驗會通過分層式的設計對學生作一定的思維導引,但很多實驗在具體做法、實驗結論的得出等環節的設計上是開放性的,完成實驗后,還會繼續通過“進一步探索”、“生活中的物理學” 等欄目引導學生對實驗作更為深入的思考與討論．《PPP》學生實驗的落腳點并不是為了得到正確的實驗結論,而是要對學生進行科學思維方法的訓練．所以在對實驗分層架構時,往往剛開始會較為具體、提供各種思維支架,再慢慢放手、逐漸增大思維的密度和空間．

關注問題、知識的整體視野,培養學生的層次思維品質,提升他們應對復雜問題的能力,還有利于促進創新及創造理念的教育．根據德國心理學家韋特海默的理論,創造力往往不是零敲碎打,而是和整體特征密切相關,隨著整體的特征而運轉．因此,高中物理教學中的層次思維可能不僅僅是對某個問題、某一節課作層次性的設計與思考;從更宏觀的層面上來說,還需要教師以學生的“學程”為單位,采用學習進階的理念,對教學內容進行科學、合理的分層規劃與安排．

3 培育思維的溫度

科學的思維應該擁有“人性”的溫度,在追求科學的“真”的過程中還需追求人性的“善”與“美”．一位二戰中納粹集中營的幸存者,在做了美國一所中學的校長后,對每一個來學校任教的新老師都有一個同樣的請求:請回到教育的根本,幫助學生成為具有人性的人．歷經磨難的校長始終相信,只有在使孩子們更具有人性之后,讀書、寫字和算術的能力才具有價值．因此,學校中的任何教育和學習活動都不會是單純的智育過程,而是承載了培養“完整的生命個體”的使命,讓學生在不斷完整自我的同時,也完整對客觀事物的價值判斷、轉換,提升自身的價值需求和精神境界,這樣才能擁有在未來獲得幸福的能力．

如表1,《PPP》在每個章末測評中都安排了與本章相關的“科技寫作”題,內容涉及物理學史、物理與技術、物理與社會等．就某個主題收集信息、閱讀研究、分析鑒別,嘗試提出自己的觀點并有條理地進行論述表達,這種以“實證和研究為本”的論文寫作訓練,一方面可以鍛煉學生分析問題、推理論證和思考表達的能力,使孩子們具備學術和科學發展的基本技能;另一方面,對某些問題的思考、闡述還將促成科學知識與學生的情感和價值觀等方面的融合,塑造學生較為完整且具有個人特質的人格品質,培養學生思維的“溫度”．事實上,不光是科技寫作欄目,《PPP》教材的編寫在很多地方都注重體現人與人、人與社會、科學與社會之間的關系,充滿了生活氣息與人文關懷,通過長期的潛移默化,幫助學生擁有更豐富更開闊的可能性,養成更內在的指向“人”本身的深入思考的習慣．科學的思維和完整的人格一體兩翼,才能使學生在科學領域內獲得較為完整的發展,使培養“具有創新精神和創新能力的全面的高素質人才”的教育目標成為可能．

表1 《PPP》部分章末測評“科技寫作”欄題目

《人教版》必修1第1頁引用了我國古代著名哲學家莊子的話:判天地之美,析萬物之理．在高中物理教學中,我們若要引導學生達到莊子所言的境界,最關鍵之處可能是嘗試改變物理教學的聚焦點:從關注學生擁有知識的數量逐漸轉移到更關注提升學生思維的質量．立足于“整體”,尋找物理教育與學生生命成長的契合點,注重教育中“慢”的藝術,采用“浸潤式”的教育方法,給予思維的工具、建構思維的品質、培育思維的溫度,不斷喚醒學生的生命感、價值感和創造感,這樣培養出來的學生才可能具備良好的科學思維能力,以后才可能從更高的層面、用更全面的視野去分析、處理問題,做到更高層次上的“知行合一”．