在开放式情境中以任务驱动学生的沉思型认知

陈楚琪

摘    要：在物理学习中学生常表现为冲动型认知，在知识与推理水平有限的前提下，该类认知方式的大量出现会阻碍学生思维的发展。对此，以“卫星变轨问题”为例，论述如何利用多媒体搭建开放式情境，并在其中建立一系列难度逐步递增的任务，促使学生投入更多的沉思型认知，从而提高自身的科学思维能力。

关键词：沉思型认知;任务驱动教学法;开放式情境;科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）3-0016-3

1    问题的提出

“科学思维”作为物理学科素养之一，对思维的培养工作是教学过程中不可或缺的关键环节。在学习完新规律后，教师常会提出一些问题让学生解答，借此让学生经历一个严密、完整的推导过程，从而达到锻炼学生思维的目的。然而在教学中，特别是面对基础相对薄弱的班级，常会出现一种场景：学生回答问题异常迅速，但答案的质量并不高。甚至在作业或考试中，也会习惯性、不假思索地草草动笔回答问题。这与提高科学思维水平的初衷并不吻合，如何避免此类现象的出现，是一个亟待解决的重要问题。

2    学生出现低质量推理结果的原因分析

在习得新知识后，倘若学生回答错误，一般可归因为“科学思维”方面的不足，具体可细分为两点：一是“模型建构”不当所致，学生对新概念理解的正确度、深度以及与其他知识的关联度仍欠佳;二是科学推理水平有待提高。对此，部分教师会采取加大训练次数的方式弥补学生现有的不足。然而，这种“不假思索式”的思考方式依旧在学生身上挥之不去。

卡根等人曾提出认知风格可分为冲动和沉思两种类型。冲动型的特点是快速、直观、无意识、精确性差;沉思型则是缓慢、有原则、有意识、精确性高[1]。两种截然不同的认知过程会产生不一样的判断结果。根据双重加工理论，这两种模式并不是各行其是，而是在人脑中交互进行，无意识的冲动型加工会先行被激活，如果沉思型加工此时不进行干预，人脑将默认采用冲动型加工的判断结果，反之则可能予以否定，进而采用沉思型的结论[2]。

根据双重加工理论，对学生的物理思维过程构建模型如图1所示。虚线箭头部分为冲动型认知，实线箭头部分为沉思型认知。由图1可知，二者的主要区别是过程中有无思考“模型是否合适”的问题，即大脑是否对结果进行再分析。

由图1可知，冲动型认知更简单、快速、便捷，从趋利避害的角度来看，也更吸引人去选择。学生之所以选择快速推理，并非过错，而是大脑的默认操作。这一认知方式在专家身上同样出现，如，科学家能迅速推断出实验中偶然现象的原因。但对于仍是新手的学生，在概念理解和推理能力尚未完善之际，直觉式的思維容易导致错误率的增加。因此，教师可有意识地训练学生的沉思型认知，从而使学生的物理思维获得应有的严谨性、逻辑性和系统性。

3    开放式情境中的任务驱动教学法

为引导学生重新细致地分析自己的想法，在学生说出答案后，可通过一些有导向性的教学行为，引导学生继续思考。任务驱动法是教师呈现任务后，学习者围绕任务，通过自主探索、相互协作，进而解决问题、完成任务、实现教学目标的一种教学方法[3]。具有较强的目的性，能有效提高学生学习的参与度，凸显学生个体的自主性，体现学生思维的能动性。明确的目标使学生思维更加聚焦，陌生的场景激发了学生钻研的兴趣，而对答案的探寻则要求学生必须充分调动已有知识，形成合理模型。一系列与现实问题解决相近的教学活动，能让学生避免因一时之快而采用冲动型认知，有效增加学生对结果的反思时间。

情境是任务的载体，开放式的情境旨在无意间制造更多与学情相符的开放式问题。对于高中来说，教学环境多数固定在教室或实验室，如何使情境多样化？可采用日益普及的现代化信息技术辅助搭建，如利用电子白板配合Algodoo、

Desmos等模拟软件进行情境的呈现。

4    开放式情境中的任务驱动教学法的应用实例

本部分以粤教版（2017年版）物理必修第二册“宇宙速度与航天”中的“卫星变轨问题”为例，论述如何在开放式情境中利用任务引导学生进行沉思型认知。变轨问题属于万有引力定律中最后一节的教学内容，具有过程多变、综合性高的特点，与学生的前概念冲突极强，是困扰学生的一大难题。若不让学生通过该内容整理已学知识，而是强迫其死记硬背，容易使学生对物理概念与规律的认识越发混乱。对此，在教学中，用Algodoo搭建一个开放式情境，并在电子白板上呈现。学生的冲动型认知会肆意得出任何猜想，且允许学生在电子白板上进行试错，但必须思考错误背后的原因。通过一系列的分析与综合，以求达到加强沉思型认知、提高能力的目的。

4.1    初始任务导入

任务1：在太空中有一星球，星球上的人希望我们可以帮忙把静止的卫星发射上太空。

学生活动：学生一开始尝试用拖拽的方式把卫星“扔”出去（即给卫星一个力），但是发现不是力太小无法离开星球表面，就是力太大飞向无穷远。经过屡次失败，有学生提出“第一宇宙速度”的概念。此时，将卫星的初速度设为7.9 km/s，但是发现卫星一下子就飞离了星球。学生指出不能使用地球的第一宇宙速度，而是该星球的第一宇宙速度。利用设定的引力常数、星球质量以及星球与卫星的距离作为已知条件，通过电脑计算出该星球的第一宇宙速度v1≈5.2 m/s。再次“发射卫星”，得到如图2所示的圆形轨迹，表示学生成功完成任务1。

4.2    铺垫任务

任务2：卫星已经成功离开星球表面做圆周运动，此时卫星能不能像地面行走的汽车那样随意加速或减速，请说出你的理由？

学生活动：学生利用直觉性思维，很快确认“不能”，并且部分学生直接指出，如果减速，卫星会掉下去。在此基础上进一步询问原因，却发现绝大多数学生无法回答，说明此部分是他们知识和推理的薄弱点。让学生在Algodoo上分别对飞行中的卫星进行加速和减速操作，可得到如图3（a）（b）所示的两种情况。通过比较，让学生总结出此现象背后的原因，与前面圆周运动中的近心与离心运动规律形成联系。

此外，对于加速的后果，学生虽能想到飞离星球的情况，但对于由圆轨道变椭圆轨道的情况则较为陌生，可利用Algodoo进行如图3（c）所示的演示。

4.3    进阶任务

任务3：如何让卫星飞到更高的轨道做匀速圆周运动？

学生活动：有极少数学生在Algodoo上尝试直接拖动卫星到目标轨道，但发现并不可行。此外，大多学生陷入加速还是减速的纠结中。经过任务2，学生已经知道远离星球需要加速，但依据v=■，速度应该是减小。若学生在这个任务中感觉困难，可尝试将任务拆分成两步——先离开轨道，后圆周运动。

任务拆分后，学生可大致明确思路，先加速让卫星远离星球，达到特定高度后再调整速度。但是，一开始学生并不是在椭圆长轴端点调整速度，而是在任意点调整，结果发生图4（a）（b）所示的结果——卫星坠落或卫星的轨道是椭圆。对此学生陷入长时间的思考，最终有学生提出飞离时的速度方向应沿轨迹曲线的切线方向进入椭圆轨道，而且目标圆轨道的圆心是星球，应在椭圆轨道的端点改变速度，才有可能进入圆轨道。为加深学生印象，此时可让每个学生先画出卫星变轨的轨迹草图。观察发现大部分学生能正确画出椭圆与正圆的关系，随后进一步细化学生的设计过程，让其思考在每个切点应如何变换速度及其原因，并在Algodoo上进行测试，得出如图4（c）所示的结果。

4.4    总结任务

任务4：写一份“如何发射卫星”的指引留给该星球的人。为便于他人理解，要求对每一步的

操作进行原因说明。

学生活动：抽取部分学生的指引进行展示，

并让大家总结出指引中必须落实的着重点，以此作为评价标准。

5    总  结

从本节课学生的参与度以及最终上交的指引（作业）可以发现，开放式情境为学生提供了思考的广度，任务驱动法则将零散的知识串成有逻辑关系的推理链。在完成每个任务的过程中学生要反复对自己的答案进行核查与反思、分析与综合，此举能有效“放慢”学生认知的速度，提高其思考的深度。在保证学生思维强度和质量的同时，亦能培养其一探究竟的科学态度。此外，在实践过程中发现除了上述策略，还可通过不限制时间、增加任务难度、设置奖励或惩罚等措施加强沉思型认知。总体来说，整个教学过程能在帮助学生突破难点的同时，有效提高其科學思维水平。

参考文献：

[1]彭聃龄.普通心理学（修订版）[M].北京：北京师范大学出版社，2004：455-456.

[2]艾炎，胡竹菁.推理判断中双重加工过程的协作与转换机制[J].心理科学进展，2018，26（10）：1794-1806.

[3]赵燕.任务驱动法在物理教学中的应用[J].中学物理教学参考，2019，48（14）：2-3.

（栏目编辑    赵保钢）