科學學科教學中的問題意識與問題設計

程 俊, 馬善恒, 王后雄

(1.華中師范大學 人工智能教育學部, 湖北 武漢 430079;2.廣東省教育研究院, 廣東 廣州 510035;3.華中師范大學 教師教育學院, 湖北 武漢 430079)

學習是通過不同性質和類型的問題解決來實現的,學生批判精神、創新能力的培養依賴于優質的教學問題及學生問題意識的培養、問題解決能力的培養。問題是教學的核心要素,問題設計是教師的根本智慧,問題意識的培養是創新人才培養的重要前提。但是,在當下教研目光都聚焦于各種紛繁復雜的新概念、課堂教學的淺層化依然沒有改觀時,很多人忽視了教學中這個基礎性、根本性的問題,就是課堂教學中問題設計的質量,設計怎樣的問題才能更好地引發學生的問題意識、實現創造性的問題解決?因此,需要切實研究科學學科教學中的問題意識與問題設計。

一、科學學科教學中問題意識的價值

陶行知說“創造始于問題,有了問題才會思考,有了思考,才有解決問題的方法,才有找到獨立思路的可能”[1]。一切發明創造都始于問題的發現,這正如蘇格拉底所言“問題是接生婆,它能幫助新思想的誕生”[2]。由此可見,問題既是創造的起點,又是創造的動力。問題來源于哪里?來源于人的思維,來源于具有問題意識的人?？茖W學科教學中的問題意識的價值,主要體現在如下三方面。

(一)實現學科教學目標的內在意向

愛因斯坦提出“提出問題比解決問題更重要”[3]。有些心理學家認為,科學上很多重大進展與發明創造,與其說是問題的解決者促成的,毋寧說是問題的尋求者促進的[4]?？梢?在很多學者看來,在整個問題解決過程中,問題意識比問題解決更重要。其中,對問題的尋求,體現的是一種問題意識?？茖W發展的脈絡與本質就是質疑、探索與創新,而問題意識的培養是達成批判精神、創新能力的必然途徑、本質訴求,所以,問題意識是科學學科教學目標的內在意向。因此,義務教育科學課程標準要求“保持好奇心和探究熱情,樂于探究和實踐”“不迷信權威,敢于大膽質疑,追求創新”[5]。

(二)激發學生深度思考的動力源泉

在西方,蘇格拉底的助產術,集中表現在他經常采用的“詰問式”的形式中,以師生共同談話、共商問題、獲得知識為特征。柏拉圖師承蘇格拉底,提倡通過問答形式,提出問題、揭露矛盾,然后進行解決。亞里士多德則提出“吾愛吾師,吾尤愛真理”“思維從疑問和驚奇開始”[6]。在中國兩千多年前,孔子就要求自己和學生“每事問”[7],認為“疑是思之始,學之端”[8],他的學生子夏提出“博學而篤志,切問而近思,仁在其中矣”[9],孟子提出 “盡信書,則不如無書”[10]的讀書存疑的主張?？梢?中外教育家都提倡,問題意識是探索與求知的動力源泉,它能激發學生的好奇心、想象力、求知欲,使學生成為學習的主人。

(三)建立促進知識建構的行為心向

知識是抽象概括的,知識只有通過問題化設計,以豐富的問題情境為載體,才能充分挖掘其意義系統,發揮其教育功能,使學生在真實的問題解決中實現知識的深度理解、廣泛關聯,而這個理解與關聯不是自發的,需要問題意識的激發與調動,使學生在對比、歸納、遷移、想象等心理活動中逐步實現。因此,需要將問題意識的引發和培養作為核心素養培育的基本目標,作為問題情境創設、問題解決能力培養的前提,使之成為促進學生全身心投入、實現沉浸式學習、知識建構的行為心向,使學生從根本上杜絕記憶性、淺表性、機械重復訓練式的學習。

問題意識的培養對于變革當下科學學科的學習方式、針對性地解決當下學生以做科學習題代替科學學習和科學實踐探究的問題具有重要意義。因此,探索問題意識的培養、進行科學的問題設計是科學學科教學改進的重要課題。

二、科學學科教學中問題意識的內涵詮釋

問題意識是一種積極的心理品質,在科學學科教學中,這種品質的培養極為重要。但是,培養問題意識從何處入手呢?須厘清問題意識的內涵,明晰問題意識與問題解決的內核關系,進而探析問題意識的培養路徑。

(一)問題意識的內涵

什么是問題,《教育大百科全書(第H卷)》定義問題是由已知情況(如對現狀的描述)、目標狀態(如對期待的描述)和一系列操作(如從一種狀態到另一種狀態的程序和規則)組成[11]。美國心理學家紐厄爾與西蒙提出“問題是這樣一種情境,個體想做某件事,但不能即刻知道做這件事所需要采取的一系列行動”[12]。據此,可以總結出科學教學中的問題應具有如下特征:(1)一定的意識性,即學生對問題的某個方面有一定的感知和解決的欲望;(2)答案或解決路徑的不確定性,需要學生克服一定的障礙,經歷一些思維挑戰;(3)一定的解答基礎,學生面對的問題與科學家不同,需要銜接一定的認知基礎或者搭建適當的支架。

關于問題意識的內涵,姚本先明確提出“在認識活動中,經常意識到一些難以解決的、疑惑的實際問題或理論問題,并產生一種懷疑、困惑、焦慮、探究的心理狀態,這種心理又驅使個體積極思維,不斷提出問題和解決問題,這種問題性心理品質稱為問題意識”[13]。周小山等認為問題意識是指問題成為學生感知和思維的對象,從而在學生心里造成一種懸而未決但又必須解決的求知狀態;關文信認為問題意識是指個體對問題能夠敏銳感知,不斷地提出問題和解決問題的心理品質[14]。

根據以上學者對問題和問題意識內涵的分析,本研究將問題意識界定為“一種對問題敏銳感知、善于質疑,并急于通過探索、存疑、求證、對比分析等行動解決問題的積極心理品質”。其特征為:問題意識表現為一種質疑的態度;問題意識是一種思維品質,體現了思維的批判性、深刻性;問題意識體現為一種較為持久的反思狀態,一種對認知不平衡的持續對比和思考;問題意識體現為一種強烈的解決問題、達到認識彼岸的欲望。

(二)問題意識與問題解決

在分析問題意識要素之前,先參照國內外學者研究得更為廣泛的問題解決這一概念。問題解決(Problem Solving)一詞源于認知心理學范疇,安德森(Anderson,1985)將其定義為由一定情境引起的,按照一定的目標,應用各種認知活動、技能等,經過一系列思維操作,使問題得以解決的過程[15]。而針對問題意識與問題解決的關系,學界劃分的標準不一。20世紀初,杜威(Dewey,1910)提出了問題解決過程的五階段模型:意識到困難的存在;鑒別出具體問題;搜集材料并對之整理,提出假設;演繹推理該假設;以實際行動驗證假設[16]。到20世紀中后期,在現代認知心理學的基礎上,基克 (Gick,1986)又提出了問題解決的四階段模型:理解和表征問題;尋求解答;嘗試解決;評價[17]。拜爾和李斯頓(Beyer &Liston,1996)則提出了問題解決有六個階段:確定問題;呈現問題;選擇或發現解決問題的策略和計劃;執行計劃或嘗試新策略;總結;查核結果[18]。

綜合上述觀點,杜威的觀點是問題解決包含問題意識,但絕大多數學者認為問題解決并不包含問題意識,而是包含基本的理解和表征問題、制訂方案、嘗試解決、檢驗與評價四步。而事實上,在當前教學實際情況下,學生常常沒有選擇問題的機會,是被動接受教師拋出的問題,甚至是練習,無論問題情境的真實度如何、問題的挑戰性有多大,這些問題常常不是學生自主發現的,缺少了學生懷疑、提出問題的環節。因此,在問題解決之前,若能由學生自主產生懷疑、發現問題并進行識別,無疑是更高級的思維表現。當然,若教師拋出的問題在解決過程中引發了學生的質疑,又提出了新的問題,然后加以解決,這個過程中學生就體現了問題意識。

因此,若要切實改變當前教學實際中學生被動接受問題、盲目解答習題、沒有機會質疑問題的現狀,應使問題發現涵蓋問題解決的前中后各環節,它們共同構成問題意識的培養要素。

(三)問題意識的培養

根據科學學科的特征,問題意識培養應包括發現問題、解決問題兩個環節。

一切問題的產生都源于問題的發現,發現問題是學習活動、問題解決活動的關鍵。發現問題源于一定的認知基礎,源于對學習的深度投入,源于對自身認知的困惑、焦慮與急于探索的欲望,因為這種問題內生于學生自身的認知體系,其針對性和自發性更強,因此其解決探索的欲望必然比教師給出的問題更為強烈,解決之后的學習成就感、意義感也必然更加強烈。所以,發現問題是學生自主學習開啟的標志,是學生能力提升的前奏。

發現問題包含存疑和明確問題,存疑意味著先有簡單的質疑。比如,在初中物理關于浮力的教學中,學生質疑“為何小球能在浴盆里浮起來”,而這樣一個質疑的念頭卻不能反映學生真正的問題是什么。學生真正的問題可能是“因為球很小嗎?”“球的材料是什么?”“球是否是空心的?”也可能是“水是熱的嗎?”還可能是“如果換作游泳池,還能浮起來嗎?”存疑之后,若不能明確辨析問題,存疑就流于簡單化,無法實現針對性的解決。

然后就是解決問題。分析問題意識的內涵,若只是發現了問題、但沒有進行問題解決的嘗試,便不能視之為具有強烈的問題意識,學生的疑問也得不到解決和證實,學生提問的價值沒有得到充分體現,久而久之,提問的興趣就會大大降低。因此,發現問題固然重要,但是解決問題是對發現問題的最大獎勵。同時,在問題解決的過程中又可以隨時發現新的或衍生的問題,可以反過來證實、證偽或拓展之前發現的問題。

可以看出,在解決問題的過程中,仍然有發現問題的機會。但是,并不能因此將發現問題歸入解決問題的過程,因為這樣的理解會導致教師完全漠視布置作業或提出問題之前學生的主觀能動性、忽視學生已經存在的問題,而另外自行布置學生可能并不歡迎、并不需要的問題,浪費了學生的時間,也抑制了學生的問題意識。

因此,如圖1所示,問題意識培養包括發現問題、解決問題兩個相互交織融合的部分,其內在構成要素決定了問題意識也有強弱之分。存疑、明確問題、解決問題中的任何一步難以做到,都是問題意識不強的表現。問題意識強的表現是學生在解決問題的過程中不斷存疑、明確問題,體現學生是問題解決的主體,具有分析、評價、反思與調控的能力,在問題解決過程中調用了高級的元認知能力。所以,在機械的習題訓練中,教師長期漠視這個完整過程的重要性,而經常代替學生來完成某個步驟,甚至是全過程,學生無法獲得問題意識的體驗和培養。

圖1 問題意識培養結構圖

三、科學學科教學中的問題設計

由上述對問題意識的完整理解可知,教師進行問題設計的關鍵是讓學生能有機會體驗整個問題意識獲得的過程,在問題意識的完整、多次、持久體驗中獲得問題意識的培養,獲得發現問題并解決問題的自覺性、效能感。在科學教學中,這種問題意識的培養,需要以問題為導向,以教師高質量的問題設計為前提。問題的來源、問題設計的支架四要素、問題設計的策略三個方面共同作用是保證高質量問題設計的前提,使學生能動地探究建構、經歷高階思維的基本過程、追求持久理解的效果,及對問題意識的持續引發。

(一)科學問題的來源

具有學習價值的教學問題,其來源三要素:課標內容與學業要求、實驗生產生活實際或學科發展史、學生認知障礙。三方面分別代表教學目標要求、化學知識的價值與意義、學生學習的實際困難與需求,分別能夠指導問題解決的最終目標、問題設計的情境來源、問題的知識聚焦點與表達方式。

比如《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中有內容要求“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究,了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性質,認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響”[19]。相應學業要求有“能根據物質的性質分析實驗室、生產、生活以及環境中的某些常見問題,說明妥善保存、合理使用化學品的常見方法”[20]。由此可以看出,課標特別重視學生對學習科學之后的價值判斷、在遇到真實的生產生活情境時的行動選擇。但是,現實教學中,教師反而忽視了這種教學價值的傳遞。那么選擇什么樣的真實情境能達到這一目標、又正好契合學生的認知障礙?以下是《84消毒液的性質及應用》一課發生的一段對話(如表1所示)。

表1 問題設計三要素融合案例

然而,在老師親手做了84消毒液與潔廁靈混用冒氯氣的實驗后,仍然有學生認為能混用。那么,生活中發生這樣的慘劇就不奇怪了。由此可見,課堂中真問題的提出和解決顯得多么可貴!教學的第一要務就是要讓學生學會生活,這樣的問題,將學生和普通公民在生活中遇到的困惑直接暴露出來加以解決。但是,實踐中發現,很多老師都講過這個問題,但并沒有結合生活中的實際情境,也沒有給學生暴露認知障礙的過程,所以學生沒有經歷問題引發、自主解決的過程,這樣重要的安全問題和價值判斷并沒有深刻地融入學生的認知結構,沒有自然養成學生的基本素養。因此,有價值的科學問題一定要是三要素充分融合的問題。

(二)問題設計的支架

課堂問題區別于考試問題,考試問題需要學生獨立思考來解決,整體考察大多數學生的平均水平,每個問題的設問方式與難度控制受限于考試功能的發揮,并且不需要活動設計。但課堂問題一定是針對當下此班學生的學情,應設置能使所有學生能力進階的問題。因此,考試問題不能簡單地拿來作為課堂教學問題,應進行綜合設計才能發揮問題的教學功能。

根據科學知識的特征及問題意識引發的目標,提出問題設計的支架四要素,分別是:知識選擇、情境設置、問題結構、活動設計。

1.知識選擇

《布盧姆教育目標分類學(修訂版)》將具體知識分類為事實性知識、概念性知識、程序性知識、元認知知識[21]。事實性知識,是學習者在掌握某一學科或解決問題時必須知道的基本要素;概念性知識,是指一個整體結構中基本要素之間的關系;程序性知識,是“如何做事的知識”;元認知知識,是關于一般的認知知識和自我認知的知識[22]。

根據這一在全世界廣為認可的知識分類方法,科學教學中元認知知識的掌握是學習達到高境界的表現。事實性知識應是一般學生通過自我學習就能掌握的知識,事實性知識、概念性知識是程序性知識、元認知知識學習的基礎,多項事實性知識的組合可能形成概念性知識,對概念性知識、程序性知識的評價、選擇和綜合應用可能形成元認知知識。因此,科學教學中的問題設計應該導向概念性知識、程序性知識的運用,最終是元認知知識的獲得。

2.情境設置

“唯有使知識和技能回到個人生活、社會生活和職業世界的具體情節中去探究與實踐,方有素養的形成與發展?！盵23]否則學生獲得的知識,除了在課堂、應試等結構簡單的問題中有效,卻難以在其他復雜的、不可預測的生活情境中靈活地遷移與運用,難以對學生的情感和科學精神起到激勵作用[24]。素養是運用知識、技能與態度解決不可預測情境的高級能力,不僅能幫助學生應對那種新穎的、有難度的應試問題,更能解決實際生活、實驗探究中面對的真實問題,培養學生創造性地獨立解決問題的能力[25]。因此,科學教學中的問題應是以真實情境為載體的問題,情境應來源于科學與社會、生產、生活、環境的關系,一般分為生產生活情境、實驗探究情境、化學史料情境和學術探索情境,這既是科學學習最好的載體,也是科學學習最終的價值歸宿。通過問題的情境化設計,形成豐富的知識應用變式,引發對知識的深度理解、本質理解,實現對知識的廣泛遷移。

問題中的情境一般分為無情境或虛假情境型、單一情境型(單一熟悉型、單一陌生型)、綜合情境型(綜合熟悉型、綜合陌生型)。綜合性越強、陌生度越大,問題的創新性和問題解決的難度越大。

3.問題結構

依據結構性的不同,喬納森將問題分為良構問題(Well-Structured)和劣構問題(Ill-Structured)。良構問題一般是指已知條件規范、明確,有可知的、可理解的解決方法,有正確、統一的答案,且有一套完整的解決問題的方法或規則;而劣構問題目標界定含糊不清,具有多種解決方法、途徑或根本不存在解決方法,沒有公認的解決方法[26]。很顯然,針對培養學生問題意識的問題,需要的是劣構問題,劣構問題的開放性與不確定性能給學生發現問題的空間和機會,并且不同的學生可能有不同的疑問、不同的解決方案。將問題嵌入真實的任務情境之中,并調整其問題解答的不確定性或多樣性,是設計劣構性問題的好方法。

但是,科學課堂教學中的問題解決與科學家或者現實生活中的問題解決又應有所不同,因為課堂教學中的問題解決受制于學生當下的認知水平,而且其能力的培養不必一蹴而就,可以是隨著年齡與認知的增長而逐步進階。因此,問題設計的劣構程度應該認真斟酌?？梢酝ㄟ^調節問題解決的探究性和創新性、答案的開放性來調節問題的適構性。讓學生在適構性問題的解決中充分調用相關知識,建立已有認知與新知識之間的橋梁,實現同化與順應。

4.活動設計

蘇霍姆林斯基說:“當知識與積極的活動緊密聯系在一起的時候,學習才能成為孩子們精神生活的一部分?！盵27]杜威認為,“教學應從學生的經驗和活動出發,使學生在游戲和工作中,采用與兒童和青年在校外從事的活動類似的活動形式”[28]?；顒咏虒W思想強調學生應是學習參與的主體,不再是被動的聽眾甚至旁觀者,而是主動的參與者與操作者,在與自然、社會情境的交互作用中真正地認識自我、找到自我、覺醒自我并提升自我。這種自我感的實現,需要通過活動建立起知識與學生自我的聯結,要從知識回歸到學生自我[29]。使學生在知行合一的理論與實踐結合中充分學習、全面學習、沉浸式學習。

活動設計的目的主要是幫助學生明確必要的學習活動方式、經歷與過程。當然,并非所有的問題都要進行活動設計,主要是針對課堂承載重要認知思路與方法、發展核心素養的關鍵問題,如概念的建立與同化、規律的理解與應用、物質性質的預測與檢驗等?；顒釉O計的目的:一是給更多學生思考參與的機會;二是在探究質疑與相互啟發中發展對知識的深度理解與關聯、提升關鍵能力;三是達成學生自我評價與認知調控?；顒臃绞街饕í毩⑺伎?、設計探究、研討評價等。

將上述支架的四個要素建構成如圖2所示的模型。四個要素中,知識選擇、情境設置、問題結構決定著問題的難易程度、思維能力培養的層級、認知遷移的遠近,但是活動設計決定著學生參與與投入的方式、評價與反思的深度、情感體驗與感悟的程度。四個要素形成合力,達成素養培育的目標。

圖2 問題設計的支架四要素模型

(三)問題設計的策略

問題設計的策略是指設計出高質量教學問題的方案、方法與路徑組合,包括選定教材單元知識點、尋找并確定問題的來源要素,然后逐項確定支架四要素的層級,探索出問題層級進階的序列,并在序列中選擇問題組來開展教學。

以高中化學選擇性必修課程內容“化學反應速率的測定”教學為例,按照問題三個來源融合的原則,選擇的知識點應該是“學會用多種方法測定真實化學反應的速率”,選擇的真實情境來源于化學實驗或生產生活,學生的認知障礙是:在非溶液、非混合氣體或混合狀態體系中,不知如何設計和選擇可供計算的物理變量。問題設計支架四要素的層次應幫助精準突破這一認知障礙。問題設計支架四要素進階使用方法如表2所示[30]。

表2 問題設計支架四要素進階案例

由表2可見,A、B兩種問題以淺層的事實性知識為教學目標,采用的是虛假或單一真實情境,沒有設問的價值;C、D、E以程序性、概念性知識,甚至是元認知知識為教學目標,問題情境真實,答案具有一定的開放性,會給不同的學生帶來不同的學習體驗與收獲,能引發認知沖突與重組、引發新問題,其中C可以根據課堂設問層次及學生發展的需要、補充進行活動設計;D、E因為情境的綜合性、真實性,問題結構的劣構性,能引發合作探究與高階思維。但是每個問題應何時使用,選擇哪幾個問題組合使用,要根據學生實際進行綜合判斷。

針對目前基礎教育一定程度存在的表面化、淺層化教學,學生被動接受習題訓練,探究能力創新意識缺乏的教學現狀,問題意識的喚醒顯得尤為必要,因此,以引發問題意識、提高問題解決能力為目的的高質量問題設計,才能彰顯科學教育的價值、才能助力于創新能力的培養?！?/p>