陳 剛

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院,上海 200062)

科學(xué)思維素養(yǎng)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)組成成分,科學(xué)思維素養(yǎng)包含:模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.關(guān)于模型建構(gòu)“在物理學(xué)中,突出問(wèn)題的主要因素,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并將其作為研究對(duì)象,是經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法”.[1]關(guān)于模型建構(gòu)的教學(xué)建議:教師在教學(xué)中要讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)這些物理模型的思維方法,理解物理模型的適用條件……,教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程和物理規(guī)律的形成過(guò)程是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.[2]

從以上描述,我們可以了解到模型法是一種科學(xué)研究方法,那么

問(wèn)題1:構(gòu)建物理模型過(guò)程中有哪些基本思維方法?

問(wèn)題2:如何引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程,從而達(dá)成培養(yǎng)學(xué)習(xí)者模型建構(gòu)能力的目標(biāo)?

從學(xué)習(xí)者角度,模型建構(gòu)顯然是一個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程.本文以問(wèn)題解決相關(guān)研究對(duì)上述問(wèn)題做出回答.

1 問(wèn)題解決

認(rèn)知心理學(xué)提出:問(wèn)題解決是解決者運(yùn)用認(rèn)知策略從認(rèn)知結(jié)構(gòu)中選擇出解決問(wèn)題所需必要技能的過(guò)程.[3]

因此,問(wèn)題是否能得到解決,取決于:其一,問(wèn)題解決者是否具備解決問(wèn)題的必要技能;其二,問(wèn)題解決者是否具備解決問(wèn)題的策略.

認(rèn)知策略是提高問(wèn)題解決效率的技能,是面對(duì)待解決的問(wèn)題時(shí),引導(dǎo)個(gè)體思考方向以選擇出并組合解決問(wèn)題所需技能的技能.[4]解決問(wèn)題的原則、途徑、環(huán)節(jié)、要素、思路、方法等,都是提高解決問(wèn)題效率,從認(rèn)知心理學(xué)視角,它們都屬于認(rèn)知策略這一類學(xué)習(xí)結(jié)果,只是解決問(wèn)題的效率存在差異,有些屬于解決問(wèn)題的弱方法,有些屬于解決問(wèn)題的強(qiáng)方法.[4](因?yàn)榉椒?、策略屬于同一類學(xué)習(xí)結(jié)果,以下不做區(qū)分.)

認(rèn)知策略的操作對(duì)象是個(gè)體已習(xí)得的、存儲(chǔ)于內(nèi)部認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的知識(shí)(廣義的知識(shí),包含陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)),因而,認(rèn)知策略是對(duì)“內(nèi)”操作的技能;又因?yàn)檎J(rèn)知策略是對(duì)解決問(wèn)題所需必要技能的選擇、組合,因此,外顯可以表現(xiàn)為引導(dǎo)解決者思考方向的步驟.

如運(yùn)用“慣性”概念解釋日常生活現(xiàn)象的方法,其一般步驟為:(1) 明確研究對(duì)象; (2) 確定研究對(duì)象原先處于的狀態(tài);(3) 突然發(fā)生何種變化;(4) 由于存在慣性,研究對(duì)象要保持原有狀態(tài);(5) 出現(xiàn)什么現(xiàn)象.

當(dāng)學(xué)習(xí)者面對(duì)需要運(yùn)用慣性概念解釋現(xiàn)象的問(wèn)題時(shí),上述步驟,可以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的思考方向,從認(rèn)知結(jié)構(gòu)中逐一選擇出解決該問(wèn)題所需的技能,提高學(xué)習(xí)者解決“慣性運(yùn)用類”問(wèn)題的效率.

2 模型建構(gòu)素養(yǎng)的實(shí)質(zhì)

2.1 模型建構(gòu)的過(guò)程

在學(xué)習(xí)中,個(gè)體如何建構(gòu)物理模型呢?本文以杠桿模型的建構(gòu)為例,嘗試做出解釋.

日常生活和生產(chǎn)中有許多運(yùn)用杠桿的場(chǎng)合,如圖1所示.從圖1中杠桿情境到最終概括出杠桿模型,如圖2所示,即模型建構(gòu)的過(guò)程.

圖1 各種杠桿

圖2 杠桿模型

追尋學(xué)習(xí)者杠桿模型建構(gòu)過(guò)程,大致可能經(jīng)歷如下幾個(gè)階段.

2.1.1 學(xué)習(xí)者面對(duì)杠桿的實(shí)際情境

學(xué)習(xí)者面對(duì)如圖1所示實(shí)例.

2.1.2 學(xué)習(xí)者概括杠桿基本工作特征

問(wèn)題:學(xué)習(xí)者如何從如圖1所示多個(gè)實(shí)例中提取出杠桿的基本特征?

從多個(gè)實(shí)例中,概括出杠桿這類對(duì)象的共性特征,實(shí)際需要學(xué)習(xí)者形成本課例“研究對(duì)象”與“工作的基本特征”間的聯(lián)系.

(1) 解決問(wèn)題的機(jī)制.

個(gè)體形成兩個(gè)因素間的因果聯(lián)系的方法是邏輯的,主要有歸納推理中的求同法、差異法、求同求異法、共變法等.

[求同法] 求同法是通過(guò)考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合,確定在各個(gè)場(chǎng)合先行情況中是否只有另外一個(gè)情況是共同的,如果是,那么這個(gè)共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)可以如表1所示.

表1 求同法的結(jié)構(gòu)

(2) 本例確定杠桿工作特征所運(yùn)用的方法.

本例中通過(guò)3個(gè)實(shí)例,概括出待研究的對(duì)象,是通過(guò)運(yùn)用求同法實(shí)現(xiàn)的,如表2所示.

表2 求同法概括研究對(duì)象

此類,通過(guò)桿或棒類物體轉(zhuǎn)動(dòng)完成任務(wù)的工具(簡(jiǎn)單機(jī)械),即杠桿.

2.1.3 學(xué)習(xí)者明確杠桿的主要因素

問(wèn)題:學(xué)習(xí)者如何確定研究對(duì)象的主要因素?

主要因素是研究對(duì)象必不可少的因素.從學(xué)習(xí)角度,同樣需要學(xué)習(xí)者形成待研究對(duì)象與相關(guān)因素間的因果關(guān)系.

(1) 解決問(wèn)題的機(jī)制.

[差異法] 差異法是通過(guò)考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)和不出現(xiàn)的兩個(gè)場(chǎng)合,確定在這兩個(gè)場(chǎng)合中是否只有另外一個(gè)情況不同,如果是,那么這個(gè)不同情況與被研究現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)可以如表3所示.

表3 差異法的結(jié)構(gòu)

[求同求異法] 求同求異法是考察兩組事例,一組是由被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合組成的,稱為正事例組;一組是由被研究現(xiàn)象不出現(xiàn)的若干場(chǎng)合組成的,稱為負(fù)事例組.如果在正事例組的各場(chǎng)合中只有一個(gè)共同的情況并且它在負(fù)事例組的各場(chǎng)合中又都不存在,那么,這個(gè)情況就是被研究現(xiàn)象的原因.其結(jié)構(gòu)如表4所示.

表4 求同求異法的結(jié)構(gòu)

(2) 本例確定杠桿的主要因素所運(yùn)用的方法.

① “杠桿”與“受兩類轉(zhuǎn)動(dòng)效果相反的力”有關(guān),如表5所示.

表5 求同法概括杠桿模型的主要因素

② “杠桿”與完成任務(wù)時(shí)棒的“硬”有關(guān).

在教學(xué)中,為了突出杠桿需要棒“硬”,提供如下實(shí)例.

實(shí)例1:用鑰匙撬盒蓋,鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)撬起盒蓋,此時(shí)鑰匙是杠桿.

實(shí)例2:用吸管撬盒蓋(如圖3),吸管已變形,無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)撬起盒蓋,吸管不是杠桿.

圖3 吸管撬盒蓋

實(shí)例3:用吸管挑出杯中的檸檬片,吸管盡管有變形,仍完成將檸檬片挑(即撬)起,此種情況下吸管是杠桿.

通過(guò)以上3個(gè)實(shí)例,學(xué)習(xí)者識(shí)別出有效信息,遵循求同求異法形成“杠桿”此類簡(jiǎn)單機(jī)械與棒在使用時(shí)的“硬”有關(guān)系,結(jié)構(gòu)如表6.

表6 求同求異法概括杠桿模型的主要因素

2.1.4 學(xué)習(xí)者明確杠桿的次要因素

問(wèn)題:如何確定待研究對(duì)象的次要因素?

次要因素是指在引起結(jié)果發(fā)生的諸因素中起非主導(dǎo)和非決定作用的因素.簡(jiǎn)言之,次要因素與結(jié)果的發(fā)生與否不存在必然關(guān)系.

(1) 解決問(wèn)題的機(jī)制.

物理概念和規(guī)律學(xué)習(xí)過(guò)程中,除了要形成物理概念間存在定性、定量的因果關(guān)系,往往還需要排除兩個(gè)因素間不存在因果聯(lián)系.

排除兩個(gè)因素間不存在因果關(guān)系,是通過(guò)以因果關(guān)系為大前提的演繹推理實(shí)現(xiàn)的.

因果關(guān)系歸結(jié)為:等價(jià)的原因→等價(jià)的結(jié)果.

由此,可以獲得兩種前提:

前提1:如果本質(zhì)原因存在,則結(jié)果也應(yīng)存在.

前提2:如果本質(zhì)原因改變,則結(jié)果也應(yīng)變化.

以此為前提,可有兩種排除物理量因果聯(lián)系的演繹推理方式.

推理形式1:

如果A與B有因果聯(lián)系,則A變化,B亦變化.

推理形式2:

如果A與B有關(guān),則A不變化,B亦不變化.

(2) 本例確定排除杠桿次要因素運(yùn)用的方法.

① 形狀不是杠桿的主要因素.

如圖1所示案例中,有直形棒、彎形棒,都屬杠桿.

如果A與B有因果聯(lián)系,則A變化,B亦變化.

② 材質(zhì)也不是杠桿的主要因素.

因?yàn)椴馁|(zhì)不同,如吸管挑起檸檬片、鑰匙撬起盒蓋,它們都是杠桿.如同前述的演繹推理,可知材質(zhì)不是杠桿必不可少的因素,即為次要因素.

2.1.5 學(xué)習(xí)者概括出杠桿模型

在分析出杠桿的主要因素、次要因素后,可忽略形狀、材質(zhì)等次要因素,突出工作時(shí)桿或棒繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、受兩類轉(zhuǎn)動(dòng)效果不同的力等主要因素,概括出如圖2中的杠桿模型.

2.2 模型建構(gòu)的實(shí)質(zhì)

模型建構(gòu)本質(zhì)上是學(xué)習(xí)者解決問(wèn)題的過(guò)程.解決此類問(wèn)題,也存在有助于提高解決者完成此項(xiàng)任務(wù)的策略或者說(shuō)方法.結(jié)合杠桿模型建構(gòu)過(guò)程,可提出物理概念和規(guī)律學(xué)習(xí)中的模型法.

物理概念和規(guī)律學(xué)習(xí)中的模型法:通常用在提出問(wèn)題環(huán)節(jié).若需抽象物理模型,其基本步驟為

(1) 從具體情境中初步確定待研究對(duì)象;

(2) 確定待研究對(duì)象以及屬性(通常用求同法等);

(3) 分析待研究屬性出現(xiàn)的必要條件(通常用差異法、共變法、求同法、求同求異法等);

(4) 分析待研究屬性的次要因素(通常用排除因果聯(lián)系的邏輯方法等);

(5) 突出主要因素、忽略次要因素,概括待研究的物理模型.

如果在物理課程學(xué)習(xí)中,當(dāng)學(xué)習(xí)者面臨問(wèn)題:如何抽象物理模型?上述步驟(1)～(5)可以幫助學(xué)習(xí)者有序地進(jìn)行思考,避免低效率的盲目思考.

如果進(jìn)一步追問(wèn):如何分析出待研究對(duì)象的主要因素?括號(hào)中相對(duì)具體的邏輯方法,又可以給予學(xué)習(xí)者一定思考方向,助力學(xué)習(xí)者解決這一子問(wèn)題.

所以,模型建構(gòu)是在不同層次方法引導(dǎo)下解決問(wèn)題的過(guò)程.在物理課堂學(xué)習(xí)中的抽象模型,大體上可以運(yùn)用上述方法加以解決.

以上為對(duì)問(wèn)題1的回答.

此處模型法揭示出課堂學(xué)習(xí)中形成研究對(duì)象共性特征、概括研究對(duì)象主要因素、排除研究對(duì)象次要因素等可用的邏輯方法,相較于文獻(xiàn)[1]描述性的界定,可以幫助學(xué)習(xí)者更好地理解模型法用在何處以及如何運(yùn)用.

3 模型建構(gòu)的培養(yǎng)方案

如果模型建構(gòu)要求學(xué)習(xí)者經(jīng)歷運(yùn)用模型法抽象物理模型的過(guò)程,那么實(shí)際教學(xué)中,教師就應(yīng)該遵循模型法的步驟,引導(dǎo)學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型化的每一子過(guò)程,并在每一子環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別相應(yīng)結(jié)論獲得的有效信息(根據(jù)結(jié)論獲得邏輯結(jié)構(gòu)),幫助學(xué)生最終抽象出物理模型.

例如杠桿模型建構(gòu)的教學(xué)(如表7所示)中,學(xué)生在形成“杠桿這類對(duì)象與棒轉(zhuǎn)動(dòng)中受兩種相反作用效果的力”有關(guān)時(shí),是運(yùn)用求同法實(shí)現(xiàn)的,所以,教學(xué)中應(yīng)遵循求同法的邏輯結(jié)構(gòu)以及信息呈現(xiàn)方式,引導(dǎo)學(xué)生依次識(shí)別共同結(jié)果(步驟4,確定3個(gè)實(shí)例中的杠桿)、共同條件(步驟 5～6引導(dǎo)學(xué)生完成受力分析,為轉(zhuǎn)動(dòng)效果分析提供必要信息;步驟7引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別共同條件),并引導(dǎo)學(xué)生形成共同結(jié)果和共同條件間的聯(lián)系(步驟8,將杠桿與受轉(zhuǎn)動(dòng)效果兩類力形成因果聯(lián)系).

表7 杠桿模型建構(gòu)的教學(xué)

以上教學(xué)步驟并不嚴(yán)格僵化,實(shí)際教學(xué)中,是引導(dǎo)學(xué)生先分析次要因素再分析主要因素,或先分析杠桿與“硬”的關(guān)系還是先分析杠桿與“受轉(zhuǎn)動(dòng)效果”不同兩類力等,這都是可選擇的,但整體都應(yīng)包含模型法的各子步驟,每一具體子結(jié)論的獲得應(yīng)遵循結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu).

以上是針對(duì)問(wèn)題2的回答.

經(jīng)過(guò)運(yùn)用模型法抽象物理模型的教學(xué),學(xué)習(xí)者能夠表現(xiàn)出從實(shí)際情境中有邏輯地抽象研究對(duì)象的基本屬性、能夠有序識(shí)別并有邏輯地確定研究對(duì)象存在的主要因素以及次要因素,進(jìn)而忽略次要因素,突出主要因素,概括出待研究的物理對(duì)象,從而一定意義上達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)者模型建構(gòu)能力的目標(biāo).