陳楚琪

摘? ? 要：在物理學(xué)習(xí)中學(xué)生常表現(xiàn)為沖動型認(rèn)知，在知識與推理水平有限的前提下，該類認(rèn)知方式的大量出現(xiàn)會阻礙學(xué)生思維的發(fā)展。對此，以“衛(wèi)星變軌問題”為例，論述如何利用多媒體搭建開放式情境，并在其中建立一系列難度逐步遞增的任務(wù)，促使學(xué)生投入更多的沉思型認(rèn)知，從而提高自身的科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：沉思型認(rèn)知;任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法;開放式情境;科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0016-3

1? ? 問題的提出

“科學(xué)思維”作為物理學(xué)科素養(yǎng)之一，對思維的培養(yǎng)工作是教學(xué)過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在學(xué)習(xí)完新規(guī)律后，教師常會提出一些問題讓學(xué)生解答，借此讓學(xué)生經(jīng)歷一個嚴(yán)密、完整的推導(dǎo)過程，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生思維的目的。然而在教學(xué)中，特別是面對基礎(chǔ)相對薄弱的班級，常會出現(xiàn)一種場景：學(xué)生回答問題異常迅速，但答案的質(zhì)量并不高。甚至在作業(yè)或考試中，也會習(xí)慣性、不假思索地草草動筆回答問題。這與提高科學(xué)思維水平的初衷并不吻合，如何避免此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，是一個亟待解決的重要問題。

2? ? 學(xué)生出現(xiàn)低質(zhì)量推理結(jié)果的原因分析

在習(xí)得新知識后，倘若學(xué)生回答錯誤，一般可歸因?yàn)椤翱茖W(xué)思維”方面的不足，具體可細(xì)分為兩點(diǎn)：一是“模型建構(gòu)”不當(dāng)所致，學(xué)生對新概念理解的正確度、深度以及與其他知識的關(guān)聯(lián)度仍欠佳;二是科學(xué)推理水平有待提高。對此，部分教師會采取加大訓(xùn)練次數(shù)的方式彌補(bǔ)學(xué)生現(xiàn)有的不足。然而，這種“不假思索式”的思考方式依舊在學(xué)生身上揮之不去。

卡根等人曾提出認(rèn)知風(fēng)格可分為沖動和沉思兩種類型。沖動型的特點(diǎn)是快速、直觀、無意識、精確性差;沉思型則是緩慢、有原則、有意識、精確性高[1]。兩種截然不同的認(rèn)知過程會產(chǎn)生不一樣的判斷結(jié)果。根據(jù)雙重加工理論，這兩種模式并不是各行其是，而是在人腦中交互進(jìn)行，無意識的沖動型加工會先行被激活，如果沉思型加工此時不進(jìn)行干預(yù)，人腦將默認(rèn)采用沖動型加工的判斷結(jié)果，反之則可能予以否定，進(jìn)而采用沉思型的結(jié)論[2]。

根據(jù)雙重加工理論，對學(xué)生的物理思維過程構(gòu)建模型如圖1所示。虛線箭頭部分為沖動型認(rèn)知，實(shí)線箭頭部分為沉思型認(rèn)知。由圖1可知，二者的主要區(qū)別是過程中有無思考“模型是否合適”的問題，即大腦是否對結(jié)果進(jìn)行再分析。

由圖1可知，沖動型認(rèn)知更簡單、快速、便捷，從趨利避害的角度來看，也更吸引人去選擇。學(xué)生之所以選擇快速推理，并非過錯，而是大腦的默認(rèn)操作。這一認(rèn)知方式在專家身上同樣出現(xiàn)，如，科學(xué)家能迅速推斷出實(shí)驗(yàn)中偶然現(xiàn)象的原因。但對于仍是新手的學(xué)生，在概念理解和推理能力尚未完善之際，直覺式的思維容易導(dǎo)致錯誤率的增加。因此，教師可有意識地訓(xùn)練學(xué)生的沉思型認(rèn)知，從而使學(xué)生的物理思維獲得應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性、邏輯性和系統(tǒng)性。

3? ? 開放式情境中的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

為引導(dǎo)學(xué)生重新細(xì)致地分析自己的想法，在學(xué)生說出答案后，可通過一些有導(dǎo)向性的教學(xué)行為，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考。任務(wù)驅(qū)動法是教師呈現(xiàn)任務(wù)后，學(xué)習(xí)者圍繞任務(wù)，通過自主探索、相互協(xié)作，進(jìn)而解決問題、完成任務(wù)、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的一種教學(xué)方法[3]。具有較強(qiáng)的目的性，能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，凸顯學(xué)生個體的自主性，體現(xiàn)學(xué)生思維的能動性。明確的目標(biāo)使學(xué)生思維更加聚焦，陌生的場景激發(fā)了學(xué)生鉆研的興趣，而對答案的探尋則要求學(xué)生必須充分調(diào)動已有知識，形成合理模型。一系列與現(xiàn)實(shí)問題解決相近的教學(xué)活動，能讓學(xué)生避免因一時之快而采用沖動型認(rèn)知，有效增加學(xué)生對結(jié)果的反思時間。

情境是任務(wù)的載體，開放式的情境旨在無意間制造更多與學(xué)情相符的開放式問題。對于高中來說，教學(xué)環(huán)境多數(shù)固定在教室或?qū)嶒?yàn)室，如何使情境多樣化？可采用日益普及的現(xiàn)代化信息技術(shù)輔助搭建，如利用電子白板配合Algodoo、

Desmos等模擬軟件進(jìn)行情境的呈現(xiàn)。

4? ? 開放式情境中的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的應(yīng)用實(shí)例

本部分以粵教版（2017年版）物理必修第二冊“宇宙速度與航天”中的“衛(wèi)星變軌問題”為例，論述如何在開放式情境中利用任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行沉思型認(rèn)知。變軌問題屬于萬有引力定律中最后一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，具有過程多變、綜合性高的特點(diǎn)，與學(xué)生的前概念沖突極強(qiáng)，是困擾學(xué)生的一大難題。若不讓學(xué)生通過該內(nèi)容整理已學(xué)知識，而是強(qiáng)迫其死記硬背，容易使學(xué)生對物理概念與規(guī)律的認(rèn)識越發(fā)混亂。對此，在教學(xué)中，用Algodoo搭建一個開放式情境，并在電子白板上呈現(xiàn)。學(xué)生的沖動型認(rèn)知會肆意得出任何猜想，且允許學(xué)生在電子白板上進(jìn)行試錯，但必須思考錯誤背后的原因。通過一系列的分析與綜合，以求達(dá)到加強(qiáng)沉思型認(rèn)知、提高能力的目的。

4.1? ? 初始任務(wù)導(dǎo)入

任務(wù)1：在太空中有一星球，星球上的人希望我們可以幫忙把靜止的衛(wèi)星發(fā)射上太空。

學(xué)生活動：學(xué)生一開始嘗試用拖拽的方式把衛(wèi)星“扔”出去（即給衛(wèi)星一個力），但是發(fā)現(xiàn)不是力太小無法離開星球表面，就是力太大飛向無窮遠(yuǎn)。經(jīng)過屢次失敗，有學(xué)生提出“第一宇宙速度”的概念。此時，將衛(wèi)星的初速度設(shè)為7.9 km/s，但是發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星一下子就飛離了星球。學(xué)生指出不能使用地球的第一宇宙速度，而是該星球的第一宇宙速度。利用設(shè)定的引力常數(shù)、星球質(zhì)量以及星球與衛(wèi)星的距離作為已知條件，通過電腦計(jì)算出該星球的第一宇宙速度v1≈5.2 m/s。再次“發(fā)射衛(wèi)星”，得到如圖2所示的圓形軌跡，表示學(xué)生成功完成任務(wù)1。

4.2? ? 鋪墊任務(wù)

任務(wù)2：衛(wèi)星已經(jīng)成功離開星球表面做圓周運(yùn)動，此時衛(wèi)星能不能像地面行走的汽車那樣隨意加速或減速，請說出你的理由？

學(xué)生活動：學(xué)生利用直覺性思維，很快確認(rèn)“不能”，并且部分學(xué)生直接指出，如果減速，衛(wèi)星會掉下去。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步詢問原因，卻發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生無法回答，說明此部分是他們知識和推理的薄弱點(diǎn)。讓學(xué)生在Algodoo上分別對飛行中的衛(wèi)星進(jìn)行加速和減速操作，可得到如圖3（a）（b）所示的兩種情況。通過比較，讓學(xué)生總結(jié)出此現(xiàn)象背后的原因，與前面圓周運(yùn)動中的近心與離心運(yùn)動規(guī)律形成聯(lián)系。

此外，對于加速的后果，學(xué)生雖能想到飛離星球的情況，但對于由圓軌道變橢圓軌道的情況則較為陌生，可利用Algodoo進(jìn)行如圖3（c）所示的演示。

4.3? ? 進(jìn)階任務(wù)

任務(wù)3：如何讓衛(wèi)星飛到更高的軌道做勻速圓周運(yùn)動？

學(xué)生活動：有極少數(shù)學(xué)生在Algodoo上嘗試直接拖動衛(wèi)星到目標(biāo)軌道，但發(fā)現(xiàn)并不可行。此外，大多學(xué)生陷入加速還是減速的糾結(jié)中。經(jīng)過任務(wù)2，學(xué)生已經(jīng)知道遠(yuǎn)離星球需要加速，但依據(jù)v=■，速度應(yīng)該是減小。若學(xué)生在這個任務(wù)中感覺困難，可嘗試將任務(wù)拆分成兩步——先離開軌道，后圓周運(yùn)動。

任務(wù)拆分后，學(xué)生可大致明確思路，先加速讓衛(wèi)星遠(yuǎn)離星球，達(dá)到特定高度后再調(diào)整速度。但是，一開始學(xué)生并不是在橢圓長軸端點(diǎn)調(diào)整速度，而是在任意點(diǎn)調(diào)整，結(jié)果發(fā)生圖4（a）（b）所示的結(jié)果——衛(wèi)星墜落或衛(wèi)星的軌道是橢圓。對此學(xué)生陷入長時間的思考，最終有學(xué)生提出飛離時的速度方向應(yīng)沿軌跡曲線的切線方向進(jìn)入橢圓軌道，而且目標(biāo)圓軌道的圓心是星球，應(yīng)在橢圓軌道的端點(diǎn)改變速度，才有可能進(jìn)入圓軌道。為加深學(xué)生印象，此時可讓每個學(xué)生先畫出衛(wèi)星變軌的軌跡草圖。觀察發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生能正確畫出橢圓與正圓的關(guān)系，隨后進(jìn)一步細(xì)化學(xué)生的設(shè)計(jì)過程，讓其思考在每個切點(diǎn)應(yīng)如何變換速度及其原因，并在Algodoo上進(jìn)行測試，得出如圖4（c）所示的結(jié)果。

4.4? ? 總結(jié)任務(wù)

任務(wù)4：寫一份“如何發(fā)射衛(wèi)星”的指引留給該星球的人。為便于他人理解，要求對每一步的

操作進(jìn)行原因說明。

學(xué)生活動：抽取部分學(xué)生的指引進(jìn)行展示，

并讓大家總結(jié)出指引中必須落實(shí)的著重點(diǎn)，以此作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

5? ? 總? 結(jié)

從本節(jié)課學(xué)生的參與度以及最終上交的指引（作業(yè)）可以發(fā)現(xiàn)，開放式情境為學(xué)生提供了思考的廣度，任務(wù)驅(qū)動法則將零散的知識串成有邏輯關(guān)系的推理鏈。在完成每個任務(wù)的過程中學(xué)生要反復(fù)對自己的答案進(jìn)行核查與反思、分析與綜合，此舉能有效“放慢”學(xué)生認(rèn)知的速度，提高其思考的深度。在保證學(xué)生思維強(qiáng)度和質(zhì)量的同時，亦能培養(yǎng)其一探究竟的科學(xué)態(tài)度。此外，在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)除了上述策略，還可通過不限制時間、增加任務(wù)難度、設(shè)置獎勵或懲罰等措施加強(qiáng)沉思型認(rèn)知。總體來說，整個教學(xué)過程能在幫助學(xué)生突破難點(diǎn)的同時，有效提高其科學(xué)思維水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭聃齡.普通心理學(xué)（修訂版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2004：455-456.

[2]艾炎，胡竹菁.推理判斷中雙重加工過程的協(xié)作與轉(zhuǎn)換機(jī)制[J].心理科學(xué)進(jìn)展，2018，26（10）：1794-1806.

[3]趙燕.任務(wù)驅(qū)動法在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（14）：2-3.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）