基于科學思維診斷性測試結果的物理教學建議

強艷　趙崢

摘 要：科學思維是物理學科核心素養的重要組成部分，對高中生科學思維診斷性測試研究發現：不同層級、不同選考背景的學生科學思維水平存在較大差異，教師對學生科學思維水平的判斷與學生的實際水平存在偏差，學生的推理論證以及質疑創新能力等方面存在嚴重的不足.基于診斷測試結果，提出如下教學建議：挖掘物理學知識中隱含的思想方法;創設指向科學思維的問題情境;設計滿足不同層次學生需求的教學設計.

關鍵詞：科學思維;思想方法;創設情境;分層教學設計;診斷性測試

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0019-04

作者簡介：強艷（1978-），女，吉林人，碩士，中學高級教師，研究方向：物理課程與教學論;

趙崢（1978-），男，北京人，本科，科學傳播系列中級職稱，研究方向：科學傳播.

科學思維是物理學科核心素養的四個方面之一.培養學生科學思維能力既是物理教學的目標，也是學生學好物理的保證，并且會對學生學習化學、生命科學等自然學科產生重要影響，乃至對學生終身發展及應對現代和未來社會的不確定性挑戰具有重要意義.因此，物理教學應以培養學生的科學思維能力作為核心任務.

北京教科院學習診斷研究團隊依據2017年版《普通高中物理課程標準》對科學思維的要素界定，對高中生的科學思維進行了診斷性測試，研究結果表明：（1）不同層級學生測試結果呈現了較好的層級關系，符合最初分層的設定，這說明科學思維能力與總體物理水平正相關;（2）同一班級由于存在多層次水平學生，教師對于學生科學思維水平的判斷與學生實際情況有一定的偏差;（3）選考科目不同的學生的科學思維水平存在差異，不同學生的診斷結果有所差異，即使分數相同，學生的科學思維水平具體表現也存在差異.本文試圖根據科學思維診斷性測試反映出來的具體問題，對在課堂教學中如何培養學生的科學思維提出具體建議.

1 挖掘物理學知識中隱含的思想方法

物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律.物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系[1]，是一門帶有方法論性質的學科[2].因此，除了由物理學概念、規律、原理等構成的理論體系之外，物理學研究方法、思想方法等也是物理學的重要組成部分.研究團隊發現：學生的科學思維診斷結果呈現明顯的層級性，科學思維能力與物理學科核心素養的其它方面呈現顯著正相關.進一步分析二級指標中模型建構、推理論證和質疑創新三個方面的表現，得分率依次降低，特別是質疑創新能力測試結果明顯低于其他指標.結合教學實踐反思，可以推斷：學生在建構知識過程中缺乏對物理學思想方法的反思和提煉，導致在面對新情境問題時不能順利進行遷移.

物理學思想方法是學生物理學科能力的重要組成部分.在實際教學中往往以知識學習和應用為主，沒有安排單獨的物理思想方法課，層級低的學生更難以通過自學去提升，讓學生自己去領悟，耗時長，效率低.梳理物理知識的建構過程，會發現往往這個過程中蘊含著某種認識客觀事物的思維方式或者研究方法這種隱性知識，而這種特定的認識方式也往往具有較高的概括性，可以在不同主題或者情境下遷移，有利于科學思維發展.因此，挖掘知識建構中的物理學思想方法具有重要意義.

在知識建構過程中的不同階段都可以梳理出對應的思想方法.

1.1 挖掘基于事實經驗抽象概括得出概念過程中的思想方法

事實經驗是形象的，而科學概念是抽象的，正是科學思維完成了從形象化事實經驗向抽象化科學概念的認識飛躍.在觀察實驗現象或事實經驗之后，引導學生通過分類、建模、解釋與推理等思維過程，進而在此基礎上形成科學概念，這個過程蘊含著重要的思想方法.例如，在抽象過程中往往都涉及到模型建構環節，在傳統物理教學中，學生很少意識到他們正在建構模型或使用模型來解決他們遇到的問題，也沒有明確討論模型的本質和功能，失去了通過科學知識的建構歷程獲得對知識深刻而全面的理解機會.

在教學中建模過程可以分為兩步：第一步模型選擇，面對問題情境，從經驗中挑選一些合適的模型并進行整合，通常是在熟悉模型中選擇一個適合的模型開始建模過程，這個選擇的步驟需要考慮模型的適用范圍，根據建模的目的，該模型應能做出有效的解釋;第二步模型建立，確認所選模型相關成分與結構或重建更普適的模型來幫助學生更有效地描述與解釋[3].比如，高中物理最初接觸到的是質點這個模型，但是在研究帶電粒子在場中的運動時，確立對象模型時需要在“質點”原有信息基礎上增加“電量”這個成分（見表1），引導學生梳理“它的主要因素和次要因素都是什么？為什么可以或者不能忽略重力？”對“質點”進行重建“帶電粒子”“帶電質點”才能夠解決對應范圍的問題，根據需要完成新的物理模型的構建.經過長期潛移默化的學習，未來學生在遇到真實情境的問題時，會具備較強的提取信息建立物理模型分析問題的能力.

1.2 挖掘知識的結構化過程中的思想方法

科學教育不是給學生傳授一些零碎的、不連貫的知識片段和堆積在一起的科學定律，而是圍繞涉及重要科學領域的有結構、有聯系的科學核心概念和模型——大概念來進行學習[4].簡單來說，知識結構化就是把所學的知識要素按其相互作用、相互聯系的方式和秩序組合起來，使知識由繁雜變成簡化概括.當零散的知識按照一定的邏輯整合成結構化的“觀念”時，學生就初步具備了應用知識分析問題、解決問題的能力，在建立結構化知識體系過程中必然涉及到不同知識彼此之間建立關聯，這個關聯的過程蘊含著知識背后對應的重要的物理學思想方法.在教學中將這些知識關聯處的隱性知識挖掘出來，通過這樣的教學不僅可以培養學生科學思維發展，同時知識的結構化也促進了學生對知識的全面深入理解.

1.3 挖掘物理實驗中的思想方法

物理學以觀察和實驗為基礎，概念規律的得出往往需要實驗證據的支持，通過設計實驗、完成實驗獲得證據的過程，學生不僅可以獲得建構具體概念規律的事實證據，還可以在設計實驗、完成實驗的過程中促進概念體系的形成和思維能力的發展.例如，在學習光的干涉時，通過類比機械波分析光也能夠發生干涉，進而設計實驗觀察現象，在實驗操作中加深對干涉條件的認識，通過控制兩個狹縫的寬度觀察現象，對光建立從“光線”模型過渡到“光波”模型，體會物理模型建構過程并理解其具有適用的場景范圍.

2 創設指向科學思維的問題情境

科學思維診斷測試結果表明選考“物化生”的學生其科學思維能力水平優于其他選科組合的學生，進一步對個性化測試結果分析發現，學生存在分析推理過程中思維鏈條斷裂情況，缺乏從不同角度分析問題的思考，在學習過程中可以理解解題思路，但是當學生獨立面對問題時，往往不能把所學知識與實際物理情境相結合.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，創設情境進行物理課堂教學對培養學生的物理核心素養起到了關鍵作用.國際經濟合作與發展組織（OECD）在2005 年遴選和界定核心素養時明確指出，核心素養是個體在面對復雜的、不確定的現實生活情境時，表現出來的綜合性品質.因此，核心素養的培養必然與情境相關聯.2019年6月，國務院辦公廳頒布的《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中明確提出對于課堂教學的要求，提倡“積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學”的教學方式[5].運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平，因此創設指向科學思維的問題情境對培養科學思維提升核心素養具有重要作用.

這里的問題情境指的是為了深入討論某一主題內容而創設的以思考和討論為主的情境，是以問題或者任務為中心構成的活動場域，學生的主要活動是思考、建模、推理論證等有利于促進科學思維發展的活動.結合物理學科自身特點，可以將問題情境分為聯系實際情境、物理學史情境和學習探究情境三類.

2.1 與生產生活相聯系或者是科技應用相關的聯系實際情境

知識是人類從實踐活動中獲得的，所以知識本身具有豐富的實際內容，而表征出來的物理概念、物理規律則是抽象簡約的，越是核心的概念往往越抽象，教學過程中要將物理知識與它們背后蘊含的實際事物、實際情景關聯起來，讓學生能夠從接近真實的實際情境經過抽象分析建立并理解概念規律，進而遷移到新情境，提升解決不同情境問題的能力.因此，教學中創設的情境應盡可能聯系實際，特別應該關注與學生的日常生活相聯系的情境;另一方面，科學知識在工程和技術領域的應用已經對人類活動的許多方面產生了顯著的影響，技術的進展增進了對自然的了解，中學生具有強烈的好奇心和參與欲望，自然對科技前沿知識充滿好奇，因此教學中可以將課內與課外學生可接受前沿知識進行整合，引導學生從科技前沿創設的情境來探索所學內容，并在學習知識中獲得“真正做科學”的成就感.

2.2 物理概念、規律建立發現過程中的物理學史問題情境

物理學史是人類對自然界各種物理現象的認識史，集中體現了人類探索和逐步認識物理世界的歷程，而學生的認識過程在一定程度上與人類認識的發展過程有著許多相似之處，因此在教學中恰當地運用物理學史在科學思維發展的關鍵節點創設情境，不僅使學生從中了解物理知識的發現和發展的來龍去脈，并且可以學習到物理學家的科學思維方法，加深對物理知識的理解，提高自身的科學素養.

2.3 學習過程中圍繞某一學習主題的學習探究情境

從教學實踐來看，學生對引入物理概念的必要性，或者說物理概念的意義，為什么采用這樣的研究方法，不同概念的研究思路有哪些共同之處等內容的理解不夠，從這幾方面入手，教師通過設計問題、演示實驗、學生活動等手段創設問題情境，鋪設思維臺階，引導學生解決問題.例如，圍繞動能這一主題設置進階式問題驅動鏈：“動能可能與哪些因素有關，你的證據是什么？表達式為什么是12mv2，請分析說明理由？為什么在勻變速直線運動情況下推導出的動能定理仍然適用于變力曲線情況？”

創設情境要關注以下幾個原則：第一相關性，情境要與學習內容聯系緊密，相關度高，不能為了創設情境而創設，情境是為了更好地促進學生的學習而設計的;第二綜合性，情境要具有較高的綜合性，要能夠將課堂教學涉及到的核心概念、規律、重要思想方法等盡可能設計在內;第三適應性，情境設置要由淺入深循序漸進，符合學生的認知發展規律.在教學中為了引導學生展開思維，搭建臺階設置具有梯度的問題是必要的，但需注意臺階過多反而會導致學生的思維被教師“牽著走”，缺乏獨立思考的能力，在某種程度上，設置過多臺階引導學生思考與直接告知都是被動式的教學，不利于學生思維能力的提高，因此設置問題要抓住關鍵節點.

3 設計滿足不同層次學生需求的教學設計

物理科學思維診斷性測試發現：學生科學思維水平具有層級性，并且這種層級與物理整體水平層級具有一致性，教師對于學生科學思維水平的判斷與學生的實際情況有一定的偏差，實際教學中由于選課走班等多種因素，許多情況下教師都面臨同一班級存在多層次水平學生的情況，這是普遍存在的現象，如果長時間采用相同的教學內容和教學策略，勢必會影響學生的科學思維發展.

早在2000多年前孔子就提出了“有教無類”和“因材施教”的主張，強調教育要面向全體，考慮個人特點.前蘇聯教育家維果茨基的“最近發展區”理論認為，從個體差異出發，把最近發展區轉化為現有發展水平，并不斷創造更高水平的最近發展區，可以促進學生的發展.《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，切實將物理學科核心素養的培養貫穿在物理課程的設計和實施中，基于學生在物理學科核心素養的發展水平，分層設計高中物理課程中各模塊的教學.因此，不論是從學習知識角度還是促進核心素養發展角度設計，在教學設計中關注不同層級學生的差異，進行分層教學設計具有重要意義.

設計同一班級的分層教學，可以從以下幾個方面進行.

3.1 梳理教學內容中隱含的思想方法

梳理教學設計中確定的教學內容，從新知建構或者問題解決環節入手挖掘可以培養科學思維能力的素材.例如，曲線運動部分，首先分析該部分的知識內容：包括曲線運動、曲線運動的速度方向、物體做曲線運動的條件、曲線運動的描述方法以及運動的合成與分解.接下來，結合上述內容從新知建構角度進一步分析知識背后蘊含的隱形知識如下：通過探究曲線運動的速度方向，可以發展學生實驗與理論相結合的研究思想，提高實驗觀察、歸納及表述能力，加深對極限思想的理解; 通過探究曲線運動的條件，提升因果解釋的能力，鞏固和發展運動與相互作用觀; 通過引入平面直角坐標系，運用運動合成與分解概念來描述曲線運動，加深對矢量和標量的認識，體會物理學中“化繁為簡”的思想.

3.2 整合知識內容與科學思維，開發課前診斷資源

學生是學習的主體，教師的“教”是為學生的“學”服務的，這已是國內外教育研究者的共識，也是國內外課程改革的共同理念.但是，如何發揮好學生的主體地位，單憑教師的教學經驗，對學生的了解是片面的，也是不夠準確的，只有更加準確地、全面地了解學生的學習情況，才能更有效地促進學生的學習，基于學情分析進行的教學設計才會具有針對性，才會利于提高課堂效率.開發課前診斷資源時為面向全體學生，需從低階思維入手，設置遞進式問題，為鼓勵學生學習的信心，高階思維難度題目設置為課上或者課后拓展.課前的診斷測試由于時間安排早于課堂學習，是學生自主學習的一個環節，因此在設計測試題目中要更加關注物理概念規律的建構過程.

3.3 開發個性化學習指導資源實現分層異步教學

在實踐中受課堂時間或者教學進度等因素制約，教師不得不繼續下一個環節的教學任務，但是學生水平存在差異，并不能保證所有學生全部掌握，同時另外一部分對課堂內容消化吸收較快的學生，又會出現缺乏深入學習的情況，傳統的教學設計沒有足夠的條件為每個學生提供有針對性的學習、復習和重新診斷的機會，這為學生后續的學習造成了一定程度的障礙.知識之間彼此是有關聯的，推理分析等思維能力并不是空中樓閣，因此依據學生的個性問題制作個性化指導學習資源以及過關診斷，可以讓學生反復學習研究并通過過關診斷來檢驗學習效果.在課堂面向全體學生，創設問題情境，利用討論或者實驗探究等教學方式解決學生存在的共性問題.對個別學生的個性問題進行個性化指導，個性化指導是提前錄制的微課資源等學習資料包，在同一時間學生依據自身需要選擇合適的學習材料，與老師同學交流，從而實現異步教學，這也是分層教學的重要環節.

3.4 設計學生課堂學習任務單，布置分層課后作業

任務單相當于說明書，課堂學習結束后學生根據說明書來自行判斷是否達到目標要求，根據需求進行后續的鞏固訓練，如果存在問題則需要選擇鞏固學習，如果達標就可以選擇進行拓展學習任務單同時也可以幫助教師了解學生的自我學習收獲，根據學生反饋及時調整任務的挑戰難度，進行后續的教學設計調整，見表2.

教師需要認識到科學思維的培養教育是長期性的，高中學生的思維正處于從感性認識到理性認識的轉變過程，因此教師對學生的科學思維的培養不能操之過急，要循序漸進，需要通過科學思維與教學內容的全面整合才能實現促進學生物理學科核心素養的整體發展.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（ 2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2018.

[2]閆金鐸，郭玉英.中學物理教學概論[M].北京： 高等教育出版社，2019.

[3]Dreyfus BW，Redish EF，Watkins J.Studentsviews of macroscopic and microscopic energy in physics and biology[C].2012 Physics Education Research Conference，AIP Conference Proceedings，vol.1513，New York： AIP，179–182.

[4][英]溫·哈倫（著），韋鈺譯.以大概念的理念進行科學教育[M].北京：科學普及出版社，2017.

[5]中華人民共和國中央人民政府網.國務院辦公廳印發《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》[N].新華網，2019-06-19.

（收稿日期：2020-02-05）