近十年我國物理教育領域科學思維研究綜述

陳運保 張善奎

關鍵詞：科學思維：教學策略：測評：研究綜述

思維能力培養一直是教育實踐和教育研究的重要內容。我國《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）把科學思維作為物理學科核心素養的重要內容，突出了科學思維這一課程目標，由此，科學思維再次成為教學改革的焦點。不過，鑒于思維的復雜性、模糊性，一些重要問題仍有待于進一步的研究，否則將會影響科學思維教學的落實。比如，科學思維的內涵和類型、科學思維的教學策略、科學思維的評價方法等。

本文嘗試對我國近十年來相關文獻內容進行質性分析，綜述相關研究成果，為我國思維教學提供借鑒;同時，發現其中的不足，并提出建議，為優化思維教學研究提供新的思路。

1研究設計

1.1數據來源

本研究以中國知網平臺為基礎選取研究對象，具體操作步驟如下：（1）使用中國知網“高級檢索”功能，設置檢索時間為2011-01-01至2021-04-01，設置檢索主題為“科學思維”，共檢索到10 868篇文獻;（2）再次添加檢索主題“物理教學”后，共檢索到1571篇文獻;（3）為排除相關干擾，通過閱讀文獻內容，手動去除與本研究主題的無關文獻、無法閱讀文獻、一文兩發文獻以及會議記錄等，最終獲得有效期刊文獻1165篇、碩博論文226篇，共計1391篇。

1.2研究過程

登錄CNKI平臺，按照上述流程檢索出近五年的相關文獻，篩選出引用率排名前十的文獻進行預研究，通過內容分類編碼初步確定文本分析框架：然后，擴大研究對象，以近五年的文獻為研究對象進行內容分析，進一步完善分析框架。隨后采用所確定的分析框架對全部1391篇文獻進行內容分析。

2研究的發現

2.1發文量整體趨勢

通過對某一領域的發文趨勢研究，可以從宏觀上了解該領域的研究過程與動態。由圖1可以看出，2011-2016年間關于科學思維研究的文章數量較少，而2017年之后關于科學思維的研究文獻呈井噴式增長。不難看出，這與2017年頒布的《課標》有關，《課標》明確將科學思維作為物理學科核心素養的重要組成部分，這引領了物理教育領域對科學思維教學的研究和實踐。

2.2科學思維的內涵與類型

“什么是科學思維”“有哪些類型的科學思維”是思維教學的基礎問題。不過，這些文獻對此并沒有深入和統一的認識，而是從以下三個方面進行分析的。

首先，多數文獻是從思維形式出發對思維類型進行分類的，不同文獻的分類結果不同，其中的具體類型如表1所示。

其次，有些文獻是從思維方法出發進行分類的，不同學者有不同的見解，文獻中提及的思維方法如表2所示。

另外，有些文獻是基于《課標》中科學思維的要素進行的深入分析，主要是針對模型建構和科學推理這兩個思維要素。

關于模型建構的分類，較多學者將其分為對象模型、過程模型、狀態模型;但也有其他分類，如，周婷等人把高中常見的模型分為理想模型、微觀放大模型、運動過程、等效替代模型和微元極限模型;趙萍萍、劉恩山基于功能視角將物理模型分為更詳細的八類：尺度模型、類比模型、圖像和符號模型、數學模型、不表示數學關系的圖表模型、理論模型、概念過程模型、系統模型：翟小銘、郭玉英總結出了對科學建模能力定義的四種不同視角，并介紹了三類科學建模能力模型：要素模型、過程模型和水平模型。

關于科學推理的分類，俞國富等將其分為演繹推理、歸納推理和類比推理三種類型;宋雅嬌等將其分為守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關推理和假說演繹推理六種類型。

綜上所述，文獻對科學思維的分類沒有統一的認識，并且一般不對思維的內涵以及不同類型思維的內涵和本質特征給以明確界定，由此表明，教師們對于思維的內涵與類型的認識并不夠專業、精深，而往往是依靠生活經驗來界定思維的內涵和類型。

2.3科學思維的教學策略

大多數文獻對“如何教”這個問題比較關注。不過，它們主要是針對物理學科核心素養提出培養策略，其中也涉及到科學思維教學策略。主要有以下內容：

2.3.1教學目標具象化

教學目標的具象化能夠更好地引領教學過程和教學活動。為此，學者們提出以下觀點：

（1）在確定教學目標時要具體構思內涵與培養途徑，在表述教學目標時也要體現內涵和過程性要求。如，有學者主張使用“環節一要素一水平一目標”列表的形式呈現具體教學目標：有學者總結說在一線教學中更普遍的目標表述格式是“經歷……思維過程，提升……思維能力。”

（2）應用目標引領科學思維教學的顯性化過程。大多數學者都贊成在知識的生成過程中培養科學思維，并提出具體做法。如，何臨紅以。電場強度”的概念教學為例，提出在概念的起源、定義方法與圖像分析過程中培養學生的科學思維能力;殷小慧分別在概念引入、形成、運用和完善環節提出不同科學思維的具體培養策略。

2.3.2創設物理情境

創設物理情境是學者普遍認同的教學策略。其中涉及到如下問題：

（1）物理情境類型

根據情境內容的來源，物理情境可分為借助生活物品、社會熱點等載體呈現的生活情境，也叫具象情境;以演示實驗為主的實驗情境;還有游戲故事情境、習題情境和物理學史情境。

根據物理情境的功能進行分類，有問題情境、知識應用情境、模型建構情境、認知沖突情境和協作對話情境。

（2）創設物理情境的原則

創設物理情境時應該遵循一定的原則才會有利于學生的思維發展，如，符合學生認知規律、學生“最近發展區”以及切題性等原則。

（3）物理情境的呈現方式

文獻中提及較多的有四種呈現方式。一是使用多媒體以圖片、視頻、動畫的形式呈現;二是學生動手實踐，增加學生的具身經驗;三是教師使用語言描述;四是使用實物進行展示。

2.3.3經歷科學探究

多數文獻認為，在知識建立過程中讓學生經歷科學探究是培養科學思維的有效途徑。不過，這些文獻在陳述科學探究過程時主要針對的是物理實驗過程，其中論述較多的內容是：

（1）有利于培養學生思維能力的實驗類型

多數文獻認為，有利于培養學生思維能力的實驗包括：與現代教育技術相融合的數字化實驗（如數字化傳感器、Arduino開源電子原型平臺、Python編程軟件、VR可視化軟件等）、創新實驗、趣味實驗、對比實驗、開放性實驗等。

（2）實驗探究的教學過程

多數文獻主張加強設計如下環節有利于發展學生的科學思維。一是提出問題環節。強調由學生提出問題，在實驗過程中對問題進行解答。二是設計實驗環節。強調對實驗儀器的原理進行詳細講解，使學生不僅會做，還要知道為什么這樣做。三是對實驗結果的分析與論證環節。實驗結果分為定性結果與定量結果，對于定性結果，鼓勵學生使用掌握的知識，通過觀察、分析、分類歸納、化抽象為具體等方法，推理結果產生的原因。對于定量結果，引導學生通過論證的方式，對實驗誤差和異常數據進行符合理論的解釋與數學分析。

2.3.4問題解決策略

大量文獻認為，在物理教學中應當讓學生經歷問題解決過程，這樣不僅能夠引導學生進行深度學習，還能發展學生的高階思維能力，其中論述較多的內容是：

（1）問題類型

使用問題解決策略，首先要明確問題的類型有哪些。很多文獻認為問題類型主要分為原始物理問題和真實物理問題。原始物理問題定義為“在白然界及社會生活、生產中客觀存在且未被加T的物理現象和事實，其表述形式是采用文字敘述的方式來呈現物理現象。”學者們基本認同這個觀點，并對原始物理問題的特點、來源以及解決流程進行研究。真實物理問題也叫實際物理問題，理論研究較少，多集中在應用層面。如，趙瑩、沈志斌通過對真實問題的模型建構、問題解決、合理外推等過程達到教學目標。

（2）具體做法

如何使用問題進行教學？不同文獻關注的焦點不同，匯總文獻后發現主要提出了以下注意事項：①提出問題。大部分學者認為問題應當由學生提出，但沒有給出“如何培養學生提問”的策略，研究多集中在教師提問策略。②追問。教師應該在符合學生認知規律的條件下循序漸進地提問、追問。③問題出現的位置可以是預習、課中和課后。④問題的選取應該具有有效性、啟發性、尊重學生智能差異等特征。

2.3.5物理學史的滲透

物理學史中蘊含著豐富的教育價值，在建構知識的過程中，如何用好物理學史培養學生的科學思維也是學者較為關心的話題。但大部分學者僅停留在經驗層面，且使用的學史案例多集中在運動學部分。此外，還發現大部分文獻都在試圖回答“引什么”和“怎么引”的問題。

關于“引什么”的文獻中涉及到引入課堂的物理學史主要有以下四類：科學家的思維過程（探究過程與實驗過程）、科學家的人生歷程或名人軼事、科學家的科學研究方法和思想方法、科學本身的發展經歷過程。

關于“怎么引”的教學方法和教學原則的探索比較多樣化。如，于源影通過對HPS融人高中物理教學的現狀調查，提出HPS融人高中物理教學的模式建構與實施策略，并用“牛頓第一定律”教學片段加以說明：尹慶豐針對結合物理學史教學的弊端提出“混合式”教學法：周瓊瓊、許敏萱分別對物理學史融人教學的情況進行現狀調查分析，提出物理學史融人課堂的原則，并設計具體教案。

2.3.6改變教學模式

為解決科學思維教學方法單一的問題，學者普遍認同多個教學方法并用、多個教學方法有序結合而成的教學模式。很多文獻通過理論分析或實踐經驗總結，提出了大量本土化教學模式。

思維顯性化教學模式。學者以某種思維形式或思維方法為理論依據，依照思維發展順序進行教學模式設計。如，韋葉平、張新玉基于逆向思維理論分別提出了倒推式教學設計和三步驟模式：林丹娜基于對高一學生推理歸納能力的調查，提出歸納推理教學框架圖，并進行教學試驗，證明其有效性。

問題教學模式。如，李鳳姣對高一學生核心素養現狀進行調查，發現學生科學思維滲透不足的問題，進而提出問題拓展探究模式流程：周玲根據原始物理問題的特點和教學經驗，提出原始物理問題教學流程，并舉例呈現其教學實踐：呂磊在PBL導向下進行物理學科核心素養的課堂滲透，并以“力的分解”的教學為例加以說明。對問題教學模式的研究是問題教學法的進一步深化和落地，有利于直接指導教學實踐。

物理學史教學模式。較多的學者圍繞HPS教學模式進行了教學設計或本土化改造。如，黃采蘭、袁錦奎分別根據HPS六步驟對運動學和電磁學部分的內容進行教學設計：于源影對HPS教學模式進行本土化改造，并進行案例分析;王黎倩根據《課標》與《中國高考評價體系》提出物理學史與規律教學相結合的九步教學設計。

綜上所述，怎么實施科學思維教學或怎么培養學生的科學思維能力是文獻論述最多的話題，表明它是我國物理教育改革中的焦點問題。文獻論述了大量零碎的教學方法，也提出了一些教學模式。難能可貴的是一些文獻把理論分析、經驗總結和教學實踐檢驗相結合，也有一些文獻在實證研究的基礎上進行教學策略研究，還有一些文獻注意去論證教學策略的合理性、可行性和有效性。不過，大多數文獻的總結比較寬泛、籠統，尤其是沒有密切結合具體科學思維類型的內涵與科學思維過程來論證相關教學策略。

2.4科學思維能力測評

“思維教學的效果”與“中學生科學思維能力的水平和特點”涉及到科學思維能力的評價，是物理教育教學中的重要課題。本研究發現，一些文獻對此開展了研究，其中，主要是高校學者進行了深入的探索，研究的內容涉及測評方法的選擇、測評內容的確定和測評標準的制定等。

測評方法的選擇。文獻主張的測評方法主要是問卷調查和試卷測驗，此外，還有訪談、課堂觀察、作業觀察等。問卷的編制一般以《課標》的學業水平劃分或其他已有問卷為基礎進行開發。如，張成香以《課標》對科學思維的學業水平劃分為基礎，借助Rasch模型設計物理科學思維測試量表;曹鍵糧參考《課標》和已有文獻編制問卷，調查了中學生物理模型的認知情況和建模能力水平。除了問卷調查法以外，科學思維能力也可以通過試卷進行測評。高考考試大綱指出：“高考物理在考查知識的同時注重考查能力，并把對能力的考查放在首要位置：通過考查知識及其運用來鑒別考生能力的高低，但不把某些知識與某種能力簡單地對應起來。”那么，高考試卷是如何考查學生的科學思維能力？這是一線教師非常關心的問題，因此，有很多教師期望通過研究高考試卷的命題特點得到思維能力測評的方法。如，伏森泉以《課標》中“學業質量水平”為依據研究了2016年全國10份理綜卷中的部分題目，從“模型建構”“科學推理”“質疑創新”三個維度分析高考試題考查的能力類型，判斷該題涉及科學思維的水平等級。

測評內容的確定。測評主要針對科學思維整體或單一思維類型進行，較多的學者對科學思維整體進行測評。如，李琬瑩以《課標》對科學思維規定的四個方面為一級指標，又以“形象思維、模型建構、直觀表述”等為二級指標，設置了13道主觀題、1道客觀題來測評學生的科學思維發展現狀。對單一思維能力進行測評的文獻較少，其理論依據主要是《課標》中的學業水平劃分，也有其他理論基礎，如SUMS量表等，不過相關研究很少。

測評標準的制定。目前使用較多的評價標準是《課標》提出的學業水平劃分，有學者基于學業水平劃分進行進一步細化、具體化制定出操作性指標。也有學者提出新的測評標準。如，郭玉英提出了物理學科能力表現指標體系，并詳細界定了物理學科能力的一級指標與二級指標，為評價提供可操作的依據;袁媛等人根據SOLO分類理論，提出物理模型思維能力的層級。

綜上所述，文獻對科學思維評價的研究比較重視評價方法多樣化、比較重視圍繞《課標》提出科學思維的四個要素、重視以《課標》描述的學業水平標準為參考，表明《課標》對教育實踐發揮著重要引領作用。不過，文獻對科學思維整體情況的測評論述雖較為全面，但不深入;對于具體各類思維的測評研究較少。此外，文獻對思維評價的實施過程和方法規范性論述較少。總體而言，文獻對思維評價的研究較為薄弱，不利于研究者對科學思維教學進行評價、反饋和改進。

3總結與建議

總的來說，我國物理教學領域非常重視科學思維教學，尤其是2017年版《課標》的修訂，引領了科學思維教學的發展。這些文獻研究主要聚焦于科學思維的類型、科學思維教學策略、科學思維能力的評價等方面，還有一些研究注意了理論分析、經驗總結和實踐檢驗多方面的結合，是我國物理教育研究的重要成果。不過，這些文獻也有一些不足之處，很多內容比較寬泛、籠統、經驗化，在專業、精深、實證性等方面略顯不足。這就需要教育理論研究與教學實踐密切結合，共同優化思維教學研究的方向、方法與思路。比如，美國中部地區教育與學習實驗室（簡稱McREL）將思維能力具體化為13種學生應掌握的推理和思考技能，包括：分類（或分級）、比較、分析（觀點分析）、抽象概括、推理、歸納、論據建構、錯誤分析、實驗探究、做出決策、創造發明、調查研究、問題解決。針對每一種思維類型，他們概括了它的內涵和關鍵特征、列出了它的思維過程與步驟、教師組織教學的流程、教師進行評價的問題和評價標準、學生進行自我評價的問題和評價標準。這樣細致、系統、全方位的研究才有助于增強教師對思維教學的理解、對思維教學的實施和評價。其研究思路值得我們借鑒。