問題解決的核心素養缺失診斷與教學啟示

摘 要：問題解決是培養學生核心素養的教學途徑，核心素養的缺失能在問題解決中凸顯.理解物理核心素養的構成要素，按照“問題呈現—素養缺失表現—素養缺失診斷”的研究路徑，診斷學生的知識素養缺失、思維素養缺失，經歷素養缺失和科學態度素養缺失.

關鍵詞：問題解決;物理核心素養;素養缺失;診斷

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0017-04

作者簡介：劉權（1980-），男，江蘇蘇州人，碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學.

1 物理核心素養的構成要素

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面的要素構成，見表1.

2 問題解決和核心素養的關系

關于核心素養的內涵和結構，李藝等提出了一個三層架構：第一層是“雙基”，以基礎知識和基本技能為核心;第二層是“問題解決”，以解決問題過程中所獲得的基本方法為核心;第三層是“學科思維”，指在系統的學科學習中通過體驗、認識及內化等過程逐步形成的相對穩定的思考問題、解決問題的思維方法和價值觀[1].崔允漷教授強調核心素養中的關鍵能力是指在真實、復雜情境中的問題解決能力.問題解決是培養學生核心素養的教學途徑.學生解決問題的過程其實就是學生提取頭腦中的物理觀念，運用科學思維構建模型、推理論證、質疑批判，并通過科學探究收集證據、合作交流、解釋假設，交織著科學態度與責任心的過程.

3 問題解決的核心素養缺失診斷

3.1 知識素養缺失診斷

3.1.1 問題呈現

例題1 如圖1所示，重力大小為G的物體靜止在水平面上，要求建立直角坐標系，求物體受到的支持力大小？

例題2 如圖2所示，演員正在進行雜技表演，由圖估算出他將1枚雞蛋拋出的過程中對雞蛋所做的功？

3.1.2 素養缺失表現

題1中，學生建立如圖1的直角坐標系，根據合力等于0，其表達式為：G-N=0，學生沒有考慮力的矢量性，矢量觀念缺失，正確的表達式為：N-G=0.

題2是典型的原始物理問題，由于沒有給出解題的物理量，沒有設定特定的物理模型，也沒有明確考查的物理規律和方法[2]，有相當一部分學生不能把雞蛋的運動抽象成豎直上拋運動（或斜上拋運動），不能使用功能關系（或動力學方法）來處理運動過程.甚至有不少學生不知道一枚雞蛋的質量，也不會估計雞蛋上升的最大高度.

3.1.3 素養缺失診斷

物理具體知識充實、發展著物理基本觀念的內涵，它們是形成物理觀念的基礎和源泉.物理基本觀念包括知識類的基本觀念、方法類的基本觀念和情意類的基本觀念[3].上述問題解決是學生物理觀念缺失的著力證明.

知識是形成學科素養的載體.學生的“自主建構、意義生成”對知識素養的培養尤為重要.學生主動建構新知識（特別是與生產生活相關的有生命力的知識），能動地把知識融入自身的認知結構，形成系統的知識網絡.所謂知從識中來，識從悟中來，一切知識唯有成為學生探究和實踐的對象時，學習過程才有可能成為知識素養發展的過程.

3.2 思維素養缺失診斷

3.2.1 問題呈現

例題3 如圖3所示，豎直放置的等螺距螺線管高為h，該螺線管是用長為L的硬質直管（內徑遠小于h）彎制而成.一光滑小球從上端管口由靜止釋放，求小球運動到底端的時間？

例題4 如圖4所示，細線的一端固定于傾角為45°的光滑斜面體的頂端P處，細線的另一端拴一質量為m的小球.求當斜面體以a=2g的加速度向左運動時，斜面對小球的支持力大小？

3.2.2 素養缺失表現

例題3中，螺線管模型為非常見模型，學生認知上出現困難，甚至無從下手.更不用說，能運用物理方法（等效法）來簡化這個問題.若學生能將小球的螺旋線運動等效成小球沿高度為h、長度為 L的斜面運動（如圖3），這個問題便迎刃而解.

例題4中，小球與斜面模型為常見模型，學生認知上易接受.幾乎所有學生都能運用牛頓第二定律得到支持力FN=-2mg2.遺憾的是，學生缺乏驗證答案的意識，沒有學生對結果的合理性作出判斷并提出質疑、修正.

3.2.3 素養缺失診斷

傳統教育的痼疾，就在于教師過分看重知識的傳遞而輕視思維能力的培養.知識被誤解為教育的目的，取代了“問題解決”.教育應該為思維而教，教會學生思維，學會解決問題[4].物理問題解決由思維品質、物理知識、物理科學方法共同起作用.學生通過對科學方法的不斷了解、積累和熟練，能形成一種借助于科學方法獲取物理知識的心理定式.還可以產生一種對問題的敏感性，并能夠用科學方法迅速地抓住問題的要害，找出解決問題的途徑[5].思維品質是問題解決的基礎與起點，并且先有思維品質的參與，然后才是物理知識和物理方法的參與.培養思維品質是發展智力、提高教育質量的有效途徑[5].

雖然“等效法”只是科學方法中的一種，卻能反映學生運用科學方法的意識淡薄.教師對科學方法教育的不重視是學生思維素養缺失的原因之一：教師缺乏有針對性的顯化科學方法，也不引導學生在規律中滲透方法、過程中模仿方法、實驗中體驗方法、運用中理解方法[6].學生的不自主是學生思維素養缺失的原因之二：學生沒有主動建構科學方法，理解上也不深刻;不能外化建構科學方法，應用中不自覺.

雖然“批判性”思維只是思維品質中的一種，卻能反映學生思維的低品質.只有具有優秀思維品質的教師才能培養出優秀品質的學生，教師通過示范作用精選情境問題，以自己的思維火花去點燃學生的思維之火.教師頻繁地展現思維的過程與成功的結果，學生耳濡目染，深受啟迪，收獲了思維的種子，模仿教師思考的方式，摒棄不質疑的心智習慣，感受“我思故我在”的意境，最終趨向批判自覺.

3.3 經歷素養缺失診斷

3.3.1 問題呈現

例題5 如圖5所示，桿子OA通過輕繩AB和鉸鏈固定在豎直墻上，輕繩AB與水平方向成θ角.在A端掛上物體，物體重力大小為G，整個裝置處于靜止狀態，桿子水平.求輕繩AB的拉力大小？

例題6 如圖6所示，a、b都是很輕的鋁環，a環是閉合的，b環是不閉合的.a、b環都固定在一根可以繞O點自由轉動的水平細桿上，此時整個裝置靜止，現在使磁體一端靠近b環，請利用電磁感應的相關知識判斷b環會出現什么現象？

3.3.2 素養缺失表現

例題5中，大部分學生展現的思維過程是：先對A結點受力分析，認為桿子對A的彈力水平向右，再運用力的正交分解法（或力的合成法）得到答案.這是典型的思維負遷移.學生沒有留意題目對桿子的描述，桿子是輕桿嗎？帶鉸鏈的輕桿對A的彈力方向水平向右.如果桿子質量不能忽略，思維過程便截然不同，學生需運用力矩平衡的方法來解決問題.

例題6中，學生的預期是b環仍靜止不動，因為b環不閉合，當磁體靠近時，b環內不會出現感應電流.而實驗現象卻超出預期，磁體在靠近b環時，b環竟然遠離了磁體.雖然學生的認知平衡被打破，但大部分學生沒有嘗試著去解釋現象.即使少部分學生猜測產生這種差異現象的原因是b環中出現了感應電流，遺憾的是，他們沒有進一步采取行動去求證.

3.3.3 素養缺失診斷

學生學習知識和方法，除了由外而內的“輸入”外，更重要的是由內而外的“生長”. 學生的獨立思考和過程體驗恰好搭起了“輸入”和“生長”之間的認知橋梁.

無論是物理概念的建立、規律的探究，還是物理二級結論的獲得都應該突出研究的過程性.教師通過揭示物理學家的思維過程，展示自己的思維過程，暴露學生的思維過程，來解決結論“怎么來”的問題.假如學生經歷了結論生成的過程，理解了桿子的特性：“桿子提供的彈力不一定沿著桿子方向，但帶鉸鏈的輕桿提供的彈力一定沿桿子方向”，相信學生審題時，必定留意桿子的信息（輕桿嗎？帶鉸鏈嗎？）.

教材中的探究實驗，要求學生具有良好的認知結構，具有一定的實驗操作技能和數據生成能力.學生通過合作探究都能完成任務.而更多的課外探究對學生素養有更高的要求，當學生掌握的知識不能夠提供依據時，學生的探究就會停滯不前，這是學生經歷素養缺失的一個顯著特征.假如學生經歷過一些課外探究，掌握了研究的一般步驟和常用的研究方法，相信學生的經歷素養會提高，學生不至于會出現例題6中的尷尬：不知道用網絡檢索的方法去自主學習“金屬中出現渦流”的知識.

3.4 科學態度素養缺失診斷

3.4.1 問題呈現

例題7 如圖7所示，在驗證機械能守恒定律的實驗中，所用電源的頻率為50Hz.某同學選擇了一條理想的紙帶（如圖8），用刻度尺測得各計數點到O點的距離（單位：mm），圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D、E分別是每打兩個點取出的計數點.重錘的質量為1.0kg，g=9.8m/s2，請處理紙帶數據，驗證機械能守恒定律？（動能和勢能的結果保留三位有效數字）

3.4.2 素養缺失表現

實驗操作方面：一些學生沒有考慮到重物釋放后，會對接觸面產生較大的撞擊，沒有做一些保護措施（如在接觸面上放上一本書）.一些學生完成一次紙帶打點后，并沒有立即關閉打點計時器的電源.以上兩件事，有些學生注意到了，給出了建議，可他們卻無所謂，一意孤行.

數據處理方面：學生研究紙帶上的OB段，計算打B點時重物的速度大小.有的學生計算出的結果為19.4375m/s（正確答案為1.94375m/s）.學生在計算打B點時重物減小的重力勢能時，隨意地將題目中g=9.8m/s2近似為g=10.0m/s2來處理數據;學生在計算打B點時重物增加的動能時，隨意地將題目中v=1.94375m/s近似為v=1.94m/s來處理數據.

結論生成方面：研究紙帶上的OB段、OC段、OD段的學生都有，得到了三組（v，h）數據，教師要求學生將這些數據整合，利用簡潔直觀的數據處理方法來完成實驗驗證.課的尾聲，學生提出可以建立v/h直角坐標系，描點畫圖，根據圖線來驗證.遺憾的是，課后沒有學生描點畫圖來求證自己的觀點.

3.4.3 素養缺失診斷

素養是知識、技能、態度的超越和統整.素養=（知識+技能）態度，若態度為正值，知識和技能皆會產生乘數效應或者放大效應;若態度為負值，知識和技能皆會產生縮小效應甚至出現負面效果.在素養的“冰山模型”中，知識、技能裸露在水面以上的表層部分，是容易測量的，也是可以通過針對性教育或培訓習得的;而態度則潛藏于水面以下，不易觀察與測量[7].

實驗操作方面：學生的操作行為反映出他們缺乏愛護公物和節約能源的意識，學生不聽同伴的勸告，無所謂的態度，反映了學生情感的冷漠、合作意識的缺乏.

數據處理方面：學生只會機械地運算，不顧及數據的意義，實驗中重物的速度能達到19m/s嗎？由此凸顯出學生缺失科學的嚴謹性.學生一味地追求計算方便，隨意地四舍五入減少有效數字，同樣反映學生責任意識的淡薄和缺乏實事求是的科學態度.

結論生成方面：學生沒有實證素養，對自己觀點的正確與否不關心，對自己和學科都不負責任.其實教師希望學生能結合v/h圖線，質疑v/h圖線并不能反映v∝h的關系，也許是v∝h13、v∝h14……的關系，通過思維的碰撞最終選擇v2/h圖線來驗證.這樣做不僅能培養學生的思維能力，也能培養學生科學嚴謹的態度，感受科學思維的魅力，增強學習的效能感.態度是內隱的，而壞習慣卻是頑固的，教師必須重視和顯化科學態度教育，讓學生理解其價值，要求學生在活動中反復地自我教育，讓科學素養回歸.

4 教學啟示

教師的導學旨在學生的發展，即學生知識的增加、思維的深入、精神的豐富.教師通過示范導學，展露自身素養，以自己的思維火花去點燃學生的思維之火，以自己的高尚人格去感染學生的人格.教師應設計問題情境化、知識生活化，幫助學生將知識概括提煉成物理觀念，提高學生知識素養;教師應以原始問題為內容，實驗為基礎，顯化科學方法，培養學生思維品質.依托林崇德先生的“思維型”課堂教學理論，強調誘發思維動機為特征的教學導入、以引發思維動力為特征的教學過程、以思維監控為特征的教學反思和以抽象概括為特征的應用遷移[8].借用吳加澍老師的“稚化思維、延遲判斷、認知沖突”的教學策略，增強教學藝術性，提高學生思維素養;教師應放慢教學節奏，走好關鍵性步子，揭示物理學家的思維過程，展示自己的思維過程，暴露學生的思維過程，引導學生理解問題本質，提高學生的經歷素養;科學態度素養滲透在學習活動中，需要教師由“潛”到“顯”的啟迪與強化，激發學生自我教育，具有科學精神和人文關懷，理解精神“行而上”的意義，更深刻地履行知行合一.

參考文獻：

[1]喻平.發展學生學科核心素養的教學目標與策略[J].課程·教材·教法，2017（01）：48-53+68.

[2]卞志榮，方洪.加強原始問題教學 提升學生思維品質[J].物理教師，2016（04）：6-9.

[3]徐衛兵.注重“物理觀念建構”教學 培養學生物理學科素養[J].物理教師，2017（07）：5-8.

[4]劉權.顯化方法 生成思維 轉識成智[J].中學物理，2018，36（11）：14-17.

[5]郅庭瑾，袁振國.為思維而教[M].北京：教育科學出版社，2007.

[6]邢紅軍.高中原始物理問題教學研究[M].北京：中國科學技術出版社，2016.

[7]姜立冬.談從四個維度實施物理科學方法教育[J].物理教師，2014（09）：12-13.

[8]劉權.批判性思維培養的實踐路徑分析[J].物理教師，2020（02）：37-40.

[9]褚宏啟.核心素養的國際視野與中國立場——21世紀中國的國民素質提升與教育目標轉型[J].教育研究，2016（11）：8-18.

[10]王長江，胡衛平.中學物理“思維型”課堂中概念的教學探討[J].物理教師，2015（07）：2-6+12.

（收稿日期：2020-10-29）