創設物理問題情境 發展高階思維能力

李俊永 許光曙 王長江

（1.仁懷市周林高中，貴州 仁懷 564500；2.吳江經濟技術開發區實驗初級中學，江蘇 蘇州 215200；3.安徽師范大學物電學院，安徽 蕪湖 241000）

《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）指出，創設情境進行教學對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用，認為物理概念的建立、規律的探究需要創設問題情境，應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情境.發展高階思維能力是落實核心素養的重要形式，借助問題情境發展高階思維，促進素養形成具有較大研究價值與實踐意義.

1 問題情境與高階思維培養的實踐模型

1.1 概念內涵

問題情境指將問題蘊含于特定的場合（環境）之中，就是當學生面臨這種特定場境時，根據已有的知識或經驗不能加以解釋，導致認知失衡，從而產生困惑，且又急于消除這種困惑的一種心理狀態.“境”就是提供認知場景，促進意義構建；“情”就是形成感情上的共鳴，達到情理交融的境界，產生學習興趣，［1］具有合教學規律與認知心理的人為性特點.物理問題情境是教師將學生置于探索未知物理原理的教學環境，使學生經歷激疑、生疑、釋疑和明了的過程，是學生在提出問題、思考問題和解決問題的動態過程中主動參與物理學習引發積極思維與物理能力培養的環境.美國教育研究中心的Bloom教授對思維學習自低到高分為記憶、理解、應用、分析、評價、創新.一般而言，高階思維指分析、評價和創新.江西師大鐘志賢教授認為綜合能力應當劃入高階思維，教師可以根據目標分類圖式反思自己的教學是處在低階思維（知道、領會和應用層次）還是處在高階思維層次（分析、綜合和評價）（圖1）.［2］

圖1 理論模型

1.2 建構模型

當下高中教學關注的重點依然是概念理解與規律掌握，忽視了分析問題和解決問題等思維能力的培養，教學重點依然放在低階能力的培養上，嚴重阻礙了高階思維能力的發展.［3］關于問題情境與高階思維培養有兩個問題需要重視，問題1：問題情境與高階思維能力培養到底有何種關系？教學實踐如何表達這種關系？問題2：高階思維的結構是線性的還是非線性的，具體課型的問題情境如何與之相融合？

首先，創建了分析能力的發展基礎.分析能力是人在思維中把客觀對象的整體分解為若干部分進行研究、認識的技能和本領.問題情境的功能之一就是讓學生產生困頓心理，達到懂其理卻不可名狀之態.這是分析能力形成的心理學基礎.分析本身具有指向性和對環境的依賴，因為分析不能自動發生，創設問題情境需要帶著明確目的去設計學習環境.例如展示游樂場中摩天輪做圓周運動的生活場境，讓學生建立模型分析向心力的來源，展示瀑布下落自然場景，讓學生分析動能從哪里來等，這行問題情境都是分析能力發展的基礎.

其次，提升了綜合能力的培養效能.綜合能力簡指整體能力，是把客觀存在的各個要素、層次和規定性，用一定線索把它們聯系起來，從中發現它們之間的本質關系和發展的規律.問題情境飽含著豐富信息，當它引發學生沉思、聯想和想象等狀態時，學生將會產生不竭的學習動力，學習思維將會實現外驅向內驅轉化，學生“思維之鍵”于此處啟動，積極思維促使高效思考，綜合能力得到生長.比如在驗證力的平行四邊形定則的實驗中，首先讓兩個學生提起來一桶水，再由一個學生提起同樣一桶水，借助這樣的實際情境讓學生思考如何確定合力與分力，需要哪些實驗器材，有需要注意哪些問題？最后讓學生動手進行實驗.該過程較好地發展了學生的遷移、物理建模和聯想的能力.

再次，搭設了評價能力的形成平臺.評價能力指根據所獲取資料、證據等信息對事物、現象做出評估性結論的能力.問題情境中評價能力的形成在于信息與證據獲取、信息篩選與甄別、事實分析與判斷和結論形成與反思.基于問題情境的評價是情、理、人的統一，是外部情境、實在規律和主體判斷的統一體，是主客觀交互的過程，是評價發生的平臺和載體.比如通過傳動帶運輸貨物的情境學習摩擦力方向，讓學生思考靜摩擦力是否一定發生在靜止的物體之間，在質點概念形成的過程中教師呈現各種不同的運動情景讓學生評估質點概念在不同情景的適切性.

最后，誘發了創新能力的啟動程序.創新能力是由部分思維能力綜合而來，主要包括系統性思維能力、創造性思維能力和實踐能力.鐘啟泉教授指出發展高階思維，要以高階學習活動予以支持，要開展問題求解的學習活動，要形成知識共享、互動合作的學習模式，注重環境營造，注重教師有意義地引導.創新能力是高階思維能力的最高層級，將思維問題化，實現問題情境化，學會在情境中思考問題.就教學而言，問題情境必然以學習者為中心，能夠支持高階思維活動，注重從不同視角挖掘問題情境的思維線索，能夠有效地培養系統思維能力，發展創造性思維.當思維活動與問題情境實現深度融合時，創新能力的啟動鍵將被觸發，創新程序得以誘發.

2 促進高階思維能力發展的教學實踐

高階思維能力發展需要與具體教學活動相融合.筆者以“速度”教學為例設計了問題情境在發展高級思維能力過程中需要經歷認知沖突、境理相錯、反視評價和應用創造4個進階過程.

2.1 借用“沖突情境”發展分析能力

新課導入應著眼于思維觸動，于平常之現象挖掘有用之問題，依托情境搭載思維，憑借“問題”發展分析能力，沖突情境基于認知沖突通過情境對思維的刺激實現思維由平衡態向不平衡的轉化.新課伊始可設計如下過程：（1）教師播放飛機、汽車、摩托車賽跑的視頻并展示短跑情景與運動員在各個位置的時刻數據；（2）讓學生在視頻播放前先說一說對3種交通工具的基本看法，在觀看后思考如何解釋看到的現象并依據初中所學知識，初步提出“描述運動快慢”的辦法.

教學實踐中“飛機跑的快摩托車跑的慢”是學生的普遍認識，問題情境的呈現顛覆了學生的原有認知.教師應引導學生觀察并思考生活中與運動有關的現象，在視頻和數據分析的“沖突”中反思自己的錯誤認知，結合自己的生活感受感知運動現象，借此發展分析能力.

2.2 利用“境理相錯”培養綜合能力

境理相錯是指把問題情境與物理道理按照教學邏輯相融合，培養綜合能力就是建立問題情境與物理規律之間的關聯，做到情境思維化，思維問題化和可視化，調動學生感官促使深度學習發生.當學生產生認知沖突之后，如何剝離錯誤認知保留合理經驗實現認知科學化首當其沖，這是綜合能力培養的基本過程.

首先，教師提出問題——如何描述運動的快慢，為什么描述運動方向需要把路程改成位移，為什么不可以使用時間與位移的比值描述運動的快慢.學生需要提出比較運動快慢的具體方案，思考如何解決所提方案中“運動方向”的問題，結合自身生活體驗分析用時間與位移的比值描述運動快慢的弊端.緊接著教師誘導學生分析初中階段速度概念與高中階段速度概念的不同，結合生活實際提出概念建立需要切合認知習慣，促進綜合能力.其次，創設繞圈實驗——教師圍繞教室走動一圈.提出如下問題，整個過程平均速度如何，如何描述運動員在某一時刻運動的快慢，平均速度與瞬時速度有何區別及聯系.學生則利用圓規畫圓，思考瞬時速度為什么是平均速度在時間趨于0時的極限值并說明其物理意義.該過程通過對運動時間逐漸變短的分析，讓學生體會極限思想，培養具有極限意識的科學思維，形成平均速度與瞬時速度的概念.

上述兩個步驟在綜合能力培養過程中，始終依托問題情境，在問題分析中讓思維逐層遞進，既順接先前問題情境，又創設繞圈運動的演示實驗，在實驗與問題分析中把握科學方法掌握物理概念，綜合能力得到有效培養.

2.3 依托“反思評價”促進評價能力

速度概念學習過程中如何評價科學概念的合理性與可行性值得研究.這涉及到評價能力培養的問題.表現在兩個方面：（1）“瞬時速度是平均速度在時間趨于0時的極限值”僅僅只是思辨分析的結果，它的正確性需要進一步探索和深化；（2）為什么速度概念的建立采用位移與對應時間的比值，不沿襲路程與時間的比值，或者將比值因子雙方位置對調建立速度概念，依然需要深度思考和正確評價.

創設實驗情境彌補思辨缺陷.利用打點計時器分析平均速度和瞬時速度評估二者關系.首先教師介紹打點計時器的工作原理，演示使用規范.其次學生設計實驗方案、利用打點計時器打出一條紙帶、處理實驗數據，計算平均速度，根據近似法算瞬時速度，得出科學結論深化極限關系.該過程依托實驗情境培養了學生解決問題的科學探究能力，深化了平均速度與瞬時速度的概念，對兩者關系的評估起到了確證作用.

例舉同類概念推定認知佯謬.將速度與密度進行類比.速度和密度在建立的過程中都采取了比值定義法，這是利用密度來評估速度的理論基礎.如果將密度定義為體積與質量的比值，那就意味著在質量不變的情況下，同一物質體積增大的情況下密度也將增大，體積不變時如果質量變大則密度減小.這顯然是不對的.對一個運動過程而言，如果采用時間和對應位移的比值定義速度，那么在位移不變時間增加時速度將會變大.這就與速度大時間短的基本認知相差太大.該過程中，同質概念的類比推理及速度概念自身的直接比較對評價能力的培養尤為重要，教師需要讓學生明白評價某個概念建立的可行性既可以從概念自身出發還可以通過具有同類方法屬性的概念入手.

2.4 憑借“應用創造”實現能力創新

課堂教學中的能力創新并非指讓學生創造出一套前所未用的東西，主要指讓學生實現能力提升形成區別于他人對相同事物的不同見解，抑或能夠聯系所學知識創造性的解決教師所提出的問題，抑或自己提出問題形成方案并解決問題經歷類似科學探究的過程.實踐是創新的源泉，教學中教師應當盡可能引導學生在知識應用的學習實踐中提升創造力，培養創新品質，盡可能多地在應用創造的過程中發生高水平的思維活動，整合已知信息，推理判斷，創造性地得出解決方案.

此時，教師可展示交通工具歷史演進的圖片及其對社會發展的實例，并介紹交通事故案例等生活情境，讓學生思考交通工具的速度是不是越快越好，如何解決超速問題.學生則以小組討論形式分析交通工具的速度與社會、生活的關系，陳述利弊，提出限速、區間測速和智能交通等解決方案.

需要明確的是，針對上述生活情境，教師提出的問題或者學生研究的問題具有開放性特點.因為只有開放性問題才能最大限度地培養學生的發散性思維，恰恰它是能力創新所必須的，所以創新能力所必需的思維高于發散性思維表現出了聚合性特點.其次，我們始終不能割裂生活情境的教學屬性，教師所呈現的情境應當服務于教學，依附于情境的問題過于宏大則會超越課堂，然而學生并不是現實的設計師或發明家，所設置的問題情境只是給學生朝該方向發展埋下一顆會發芽的種子而已，當然也不能過于平淡細微，那樣會使思維培養的品味降低.

3 教學實踐對理論的回應

教學實踐與教學理論分屬不同領域，課堂教學既是理論應用于實踐的場所，也是實踐與理論相融合并檢驗理論的實驗田.課堂教學以其豐富充實了理論，以其多樣化拓展了理論.筆者嘗試從實踐的角度回答1.2節第一段中提出的兩個問題.

關于問題（1）.本節課設計了4個情境：飛機、汽車、摩托車賽跑的沖突情境，打點計時器應用案例的科學實驗情境，師生做繞圈或畫圈運動的生活情境，密度與速度基于科學方法的類比情境，歷史與現實相呼應的問題情境.按照普遍的教學認知，一節課應當包含課堂導入、新知學習、理解深化、應用鞏固和作業思考5個主要環節，理解速度概念建立過程中的比值定義法（科學方法）、科學思想（極限思想）對本節教學意義重大，而這也是本節教學的重點和難點，教學實踐需要回答怎樣導入新課，怎樣落實比值定義法，怎樣落實極限思想，解決的是“怎么辦”的問題.我們認為與“怎么辦”相聯系的高級思維能力包括分析能力、綜合能力，教學導入環節通過沖突情境誘發思維，培養分析能力，展開新知學習及深化理解環節通過實驗情境與繞圈的生活情境培養綜合能力，落實科學方法與思想教育.

另外，解決“為什么”和“怎么樣”這兩個方面亦不可或缺，它是培養學生創新能力與批判性思維的關鍵，換言之為什么采用位移與時間的比值定義速度而不采取時間與位移的比值定義速度，或者采用時間與位移的比值描述運動快慢會怎么樣，以及為何交通工具的速度不是越大越好，或者說交通工具速度越大就越有利于現代文明的發展嗎等問題需要在課堂教學中予以重視.筆者認為與之相聯系的高階思維能力包括評價能力和創新能力.在知識鞏固環節利用打點計時器的操作案例評估與驗證思辨結果的正確性，利用密度概念建立過程所用方法與速度的一致性找到類比情境評價速度概念建立的合理性.在作業思考環節利用問題情境促進學生思考科學、技術、社會與我的關系培養學生創造能力.

關于問題（2）.教學是多維的、非線性的，發展何種高階思維受制于教學主客觀環境，所以不同高階思維對應于不同的問題情境，同一高階思維可以利用不同問題情境培養.反過來相同的問題情境也可以培養層次各異的高階思維.換句話如果以問題情境為自變量高級思維為因變量，那么他們的關系就是非線性的.利用打點計時器來驗證極限思想培養了評價能力與綜合能力，飛機、汽車、摩托車賽跑的沖突情境培養了分析與概括能力，依附于生活情境的問題鏈則有利于分析與綜合能力和創造性思維的發展.對具體課型教師應當認真分析需要培養的思維類型、遵循非線性關系合理選擇問題情境圍繞“思維”設計教學，實現情、境、理自洽融合，讓問題情境成為思維發展強有力的支撐.

4 研究總結

雖然問題情境具有具有教學屬性有預設的特點，我們卻不能忽視情境的自然屬性，即情境的真實性.情境越真實思維發生的過程也就越自然，創設沖突情境就應體現情境之真與認知之實，據此培養分析能力.不能忽略情境的科學理性，建構和諧課堂應當借“境”學“理”、借境悟理，在境理相錯中有意識的培養綜合能力.不能拋卻知識間的固有邏輯，依據這種邏輯確定情境間和情境內基本問題的關系.根據這些關系調動元認知表達情境的育人性，促進評價能力提升.不能輕視情境的實踐性，教師應引導學生在情境中實踐所學，在應用中實現創造，培養創造性能力.