促进科学认知发展的高中物理探究教学模型，本文主要内容关键词为：认知论文,模型论文,高中物理论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
自新课程改革以来，科学探究受到我国中学物理教学领域的普遍关注。然而，从这几年我们对多个地区中学物理探究教学的现场观摩、全国物理探究教学大赛的参赛作品、各类文献发表的探究教学设计案例以及全国中小学教师继续教育网“国培计划”的探究教学设计作品来看，中学物理探究教学中确实存在较为普遍的形式化、表面化倾向。因此，尽管新课改倡导和推行探究教学已有十余年，但对探究教学的研究依然是一个关系到中学物理教育发展的急迫而重要的课题。中学物理探究教学中的形式化、表面化倾向，其典型特征就是按照课程标准提出的科学探究要素展开，强求表面的学生探究形式，缺少对学生已有认知及深层思考的引发，使得探究教学得不到预想的效果；强求由观察与实验归纳出预期的结论，缺少对学生开放性思考的激励，使得探究教学成为摈弃直觉与想象、排斥主观建构的实验归纳与逻辑推断过程。
国际科学教育的研究与实践表明，探究教学已不再简单地强调学生的探究体验，而是更加注重学生的认知建构，关注学生心智模型的发展，而且还特别关注学生对科学本质的理解。[1-5]形式化、表面化的探究教学恰恰就是在学生认知建构方面缺乏应有的深度，在体现科学本质方面过分强求逻辑与实证。
为了改变探究教学的形式化倾向，本研究基于对物理学科性质及中学生学习物理的认知建构特征的分析，借鉴当代科学教育的相关研究成果，对物理课堂探究中学生的认知心理进程有了新的描述，进而建构了旨在促进学生认知发展的探究教学模型，并在高中物理课堂教学中进行了实践尝试。
一、中学生在物理课堂探究中的认知心理进程
考察物理学家的科学探究实践以及中学生在物理课堂探究中的行为[6]，我们可以发现，物理学的认知建构与中学生在物理探究中的认知建构具有基本相同的特征，即由于物理世界的无限复杂性和人类观察物理世界的信息转换本质，以及人类对解释物理世界的逻辑一致性的强烈诉求，无论科学家还是中学生，他们对物理世界的认识都不会是通过对客体对象的观察与实验逻辑地得出的。这也就是说，其探究进程不会是毫无歧义的线性的实验归纳过程，而是在真实的物理情境中产生的科学问题引导下，在原有认识基础上获取观察信息并超越观察信息进行意义建构，因而必然要受已有认知的影响并加入非逻辑的因素，总是交织着反反复复的思辨与逻辑、构想与实证。由此，科学认知的形成与发展是一个随着观察的不断深入，经历反复的构想、逻辑推断、交流协商以及观察检验的非线性过程。
基于上述观点，我们认为，学生在课堂中的物理探究要表现出与科学家的探究相似的、与科学本质相吻合的非线性特征，即不应该是仅仅从几个典型的观察与实验直接得出被认为是得到实证的知识结论，而应该是基于自己的日常观察与思考，再经历逐步深入的观察、思考，以及讨论、交流，使得认知成果与认知方式多次转变、不断提升、趋于科学的过程。由此我们设想，课堂情境下学生科学探究的认知心理进程应该是其基于日常观察与思考所建立的心智模型经历若干次逐步深入的观察与思考而渐次转换，向科学模型发展的过程，同时又是其日常思维经过准科学思维向科学思维发展的过程，我们称之为科学认知发展过程。
二、促进科学认知发展的探究教学模型[6]
新的探究教学模型力图克服目前科学探究教学中的形式化倾向。为此，我们预期两个重要变化：（1）将探究的关注点从对知识的实证转变为对学生的心智模型及认知方式的引发与转变；（2）将探究的方式从强制性的线性实证转变为对物理现象的多层次观察、建构性思考及多方式表达与交流。此外，探究教学还应该适度保留传统物理教学中的一些重要特征，如教师的导向作用、重点知识教学的完整性等。
基于上述讨论并借鉴已有的研究成果[7-9]，我们提出图1所示的“促进科学认知发展的探究教学模型”。
这一探究教学模型包括五个要素：问题定位、诱导探究、焦点突破、知识表征与研讨和应用整合。下面就结合教学中的具体案例，对各要素进行讨论。
（一）问题定位
探究教学的展开首先需要有问题的引导，但这个引导性问题应该指向什么探究内容，应该以怎样的方式提出，却成为教学中的一个难点。为此，我们试图通过问题定位的方式来加以解决。
我们知道，任何物理概念和规律都有其特定的表征对象及内容，针对某一物理概念或规律的表征对象进行探究，进而对概念或规律所表征的内容（物理内涵）进行意义建构的问题，就是该知识的焦点问题。如，“加速度”概念所针对的焦点问题就是“如何描述物体运动速度变化的快慢”。
但是，如果直接用“物体运动的速度变化快慢是不是一样的”这样的封闭性问题来导入探究，显然对结论的暗示太明显，十分不利于学生的建构性思考，这就需要我们寻求有利于提出建构性问题的途径。
在物理课程中，知识内容总是按照某种理论体系组织呈现的，而每个知识单元都有其特定的研究对象及内容，此为知识单元的研究主题。研究主题又由该单元中若干知识的焦点问题为次级主题而逐层展开，由此便构成该单元的问题结构。比如高中的运动学单元，研究主题是“如何描述物体的运动”，可分为运动对象、运动属性、运动形式及其规律三个次级主题，其中“运动属性”描述又可展开为描述物体的位置、位置变化、运动快慢、速度变化快慢等三级主题，“运动形式及其规律”又包括匀速直线运动、匀变速直线运动等三级主题。
明确了知识单元的问题结构，就可以确定某概念或规律的焦点问题在该问题结构中的位置，此即所谓问题定位。有了准确的问题定位，就方便我们提出适度开放的问题。比如，“加速度”概念的焦点问题是该单元的问题结构中“如何描述物体运动属性”当中的一个问题，由此可以结合某一物理情境，以如下方式引出所要探究的问题：“本章研究物体的运动，其中一个重要方面就是描述运动的不同特征；之前我们已经用位移、速度概念分别描述了运动的位置变化和运动快慢的特征。那么，物体的运动还有什么新的特征？它又需要我们用怎样的物理概念加以描述呢？”
问题定位要求教师从整体上把握一个知识单元的探究教学的问题层次，进而将相关知识的探究实质性地联系起来。对学生而言，明确探究的问题层次，不仅有助于他们确定探究目标的心理定向，还有助于他们深入理解知识之间的内在联系，形成清晰、准确的知识结构。
（二）诱导探究
诱导探究是指教师通过建构性问题，引导学生基于其已有经验，运用其已有观念、知识、方法等，对新知识所表征的对象及内容进行经验性的、渐次深入的探究，激励学生联系多种真实情境进行思考，并运用多种表征方式对各自不同的见解加以表达和交流，由此显现其心智模型、相应的思维方式乃至本体论、认识论信念，并将问题的关键和难点聚焦出来的过程。
这一阶段是本模型区别于其他探究教学模式的关键所在。它要求：（1）要让学生在适度复杂的物理情境中探究真实的物理对象的属性或关系；（2）物理现象的展现要分开层次，由日常现象到定性半定量现象，逐步提高现象的清晰程度，以利于诱发学生的迷思概念及不当思维方式，并帮助他们分清什么是观察的证据，什么是构想的认识，哪些认识得到了证据的支持，哪些认识还有待进一步的检验，从而体验观察的证据与构想的认识之间的区别与联系，逐步聚焦问题；（3）激励学生对现象进行建构性的描述和解释，鼓励学生用自己的表征方式大胆地表达自己的见解和理由，鼓励相互之间的质疑和辩护，以提高探究教学的生成性，拓展问题思考的深度。
比如，针对初中“升华与凝华”的诱导探究，教师可以给学生依次安排如下任务：（1）日常观察与思考：“你在日常生活中是否看到过某种物质（如，水）直接从固态转变为气态，或者直接从气态转变为固态？你的依据是什么？”（2）定性观察与思考：“观察一新一旧两个家用的白炽灯泡，看看它们有什么不同？你对此能做出什么可能的解释？”由于以上观察都没有真正看到实际发生的物态变化过程，所以学生给出解释时教师不做定论，而是将问题聚焦在“能不能通过实验让我们观察到物质在一定条件下可以直接从固态转变为气态，或者直接从气态转变为固态？”
再如，针对初中“平面镜成像”的诱导探究教师可以给学生依次安排如下任务：（1）日常观察与思考：“你在平常照镜子的时候，你觉得从镜子里看到的自己的头像与自己的头部二者之间有什么可能的关系？你是如何做出自己的判断的？”（2）定性观察与思考：“请每个同学用我们准备好的镜子照一下，你对刚才的问题又会做出怎样的判断？你的理由是什么？如果我们用一个箭头代表物，用一条直线代表平面镜的镜面，你会如何画出这个镜面对箭头所成的像？”然后，引导学生讨论，我们之前预测的各种关系，哪些能得到现象观察的充分支持或排除？哪些还需要进一步的实验检验？从而聚焦出焦点问题，再通过后期的定量实验加以研究。
又如，针对高中“加速度”的诱导探究，教师可以给学生安排两个任务：（1）日常观察与思考：“当绿灯亮起时，并排的车辆几乎同时启动并沿直线通过路口。你是否注意到，不同车辆通过路口的运动可能会有什么不同？”（2）定性观察与思考：“请大家观看飞机、赛车、摩托车起跑比赛的视频，然后用速度—时间图象描述三者的运动，解释你的描述，并比较三者的运动有什么不同？”然后，将问题聚焦在“我们能否通过进一步的实验观察与测量来研究物体运动速度变化的特征？”
诱导探究关注于学生的“日常思维”与“准科学思维”的认知进程，强调对学生已有认知（尤其是日常观察与思考形成的认知）的激发以及对学生自主建构的鼓励，也有意识地加强学生对物理现象的质性探究，促进他们对概念与规律的物理意义的理解。
（三）焦点突破
焦点突破是针对诱导探究所聚焦的更为具体的关键和难点，参照物理学发展史中的研究案例和后人不断改进的研究案例，再次创设典型物理情境，以更有力的数据和逻辑推理，对关键和难点进行突破，形成对表征探究内容的科学模型的初步认识。
比如，“升华与凝华”的焦点突破由“碘的升华和凝华实验”完成；“平面镜成像”的焦点突破由“平面镜成像实验”完成；“加速度”的焦点突破可以通过“物体在斜面上的运动实验”获得数据，进而引导学生探讨出加速度的表达式。在此阶段，实验的设计与操作的开放度可根据学生及学校的具体情况来确定。
焦点突破着重于学生科学思维的运用，强调对所聚焦问题的逻辑推断及观察实证。但是，本教学模型中，我们要求焦点突破一定要建立在诱导探究的基础之上，这样才能更好地促进学生反复多次的认知转变，而不是一次性地承认逻辑推断或观察实证的结论。
（四）知识表征与研讨
知识表征是基于前面的探究结论建立新知识，并以语言、图形、图象、数学公式等不同形式合理地表征新知识，明确科学模型；知识研讨是对新知识（科学模型）的物理内涵及应用范围、条件等加以研讨和拓展，对知识形成（模型建构）的科学探究过程进行反思。
比如，对于“加速度”概念，不仅有文字的表征，还有数学公式的表征、图象的表征、矢量图形的表征，这些都需要经过研讨来促进理解。此外，有必要对“加速度”概念的建立过程进行反思。
知识表征着重于学生关于新知识的表征方式的科学化，即把自己可能具有的不适当、不明确的表征方式转变为学科中通用的表征方式；知识研讨着重于学生将知识的表征方式与相应物理情境、物理学方法以及知识的物理内涵等进行进一步的联结。
（五）应用整合
应用是指引导学生将新知识（科学模型）应用于不同的物理情境中，通过解决各种物理问题，使学到的新知识得到巩固和活化，并体验和掌握问题解决的方法与策略；整合是指引导学生在运用知识进行问题解决的基础上，将新知识与相关知识加以整合，即建立知识单元中的科学模型之间的联系，形成合理的知识结构。对此，教师们都十分熟悉，故此处不再赘述。
三、教学实践研究简述[6]
本课题的实践研究持续了一个半学期，从以下三个方面进行了考察：（1）模型的教学实施，即对实验教师运用本模型的课堂教学进行摄录，再做逐段分析。结果表明，教师可以按照模型的要素进行教学，但受原有教学方式的影响明显，容易代替学生进行描述和分析，提出建构性问题的意识不强，尤其对学生表达中所反映的认知问题的判断、追问感到困难。（2）模型实施的阶段教学效果，即通过对实验班与对照班某一阶段教学的前测、后测，初步判断该阶段的教学效果。结果表明，实验班成绩不会差于对照班，而高考成绩显著优于对照班。（3）模型实施的课堂教学效果，即通过对实验班与对照班的某一节课教学的前测、后测，初步判断其教学效果。结果表明，实验班在概念理解、理论论证、简单应用、单一过程的复杂应用等方面明显优于对照班。
本探究教学模型立足于物理学的科学本质及学生物理探究的认知建构特征，力图使学生的科学探究更符合物理学的自身性质，更符合学生的认知规律，并使学生在知识、技能、思维、科学本质认识等方面得到发展。本课题的实践研究只是初步的，模型的成熟还有待更深入细致的研究。从已进行的实践尝试看，这一教学模型更适合运用于中学物理的核心概念与规律的探究教学。