淺談如何構(gòu)建高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維

江茶芳

摘 要：培養(yǎng)人才，很重要的一個因素在于培養(yǎng)科學(xué)的高階思維。在課標(biāo)的指導(dǎo)下，高中物理教師樹立了培養(yǎng)高階思維的教育理念。高質(zhì)量的高中物理課堂大概念教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力最有效的途徑。本文以物理“向心力”的課堂教學(xué)為例，開展教學(xué)思考與探討，立足于筆者多年的一線教學(xué)實踐研究，提出了一些教育理念及教學(xué)操作。

關(guān)鍵詞：高中物理；高階思維；高質(zhì)量課堂；大概念教學(xué)

物理學(xué)是一門重視邏輯推理、崇尚理性思維的科學(xué)，也是一門實驗科學(xué)，是所有自然科學(xué)研究的基礎(chǔ)學(xué)科。物理學(xué)的發(fā)展推動著社會和人類文明的發(fā)展。高中物理是物理學(xué)的入門級科目，知識比較抽象，涉及領(lǐng)域廣泛，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來一定困難。高階思維是學(xué)好高中物理的必備能力。我國著名科學(xué)家高士其曾說過：“思維科學(xué)是培養(yǎng)人才的科學(xué)?！敝袊F(xiàn)代化發(fā)展急需人才，培養(yǎng)一個人成才，很重要的一個因素在于科學(xué)的高階思維，高中物理本身就是高階思維的產(chǎn)物，高階思維培養(yǎng)與高中物理的學(xué)習(xí)，特別是物理大概念的構(gòu)建是分不開的，因此高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的最有效途徑。

一、高質(zhì)量課堂的內(nèi)涵

何謂高質(zhì)量的課堂？1.高質(zhì)量課堂要持續(xù)地激發(fā)學(xué)生的主動性。梅耶爾（美國當(dāng)代名師，是一個具有教育理想主義情懷的教育思想家。在紐約市進(jìn)行了20多年的小規(guī)模辦學(xué)實驗，取得巨大成功，并領(lǐng)導(dǎo)了紐約和全國的小規(guī)模辦學(xué)運(yùn)動。這些學(xué)校被視為全國教育改革的典范，并且是全國性學(xué)校組織“要素學(xué)校聯(lián)盟”的成員。）認(rèn)為：高質(zhì)量的教學(xué)是持續(xù)地發(fā)起學(xué)生的主動性，調(diào)動他們對世界的好奇心，激發(fā)他們不斷地發(fā)現(xiàn)問題，并對所有人的思想進(jìn)行嚴(yán)密推理驗證。2.高質(zhì)量課堂講求教學(xué)的邏輯性。教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，有意識地構(gòu)建問題鏈，可以有效地促進(jìn)教學(xué)邏輯的形成[1]。3.高質(zhì)量課堂注重教學(xué)活動、實驗的創(chuàng)設(shè)，積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的體驗式課堂教學(xué)[2]，體驗式與互動式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學(xué)的主要模式。4.高質(zhì)量課堂往往擁有大概念教學(xué)的理念。5.教學(xué)常以開放性啟智問題代替封閉式作業(yè)……教師應(yīng)擁有非常多的方式可以讓教育更有趣，達(dá)到用育人目的整合技術(shù)教學(xué)的境界，教師要投入大精力去構(gòu)建高質(zhì)量課堂。

一堂高質(zhì)量課堂教學(xué)具備的效果是：1.教師教學(xué)思路清晰，教學(xué)設(shè)計新穎巧妙，知識傳授的準(zhǔn)度、高度、深度、廣度充分體現(xiàn)；2.學(xué)生思想、興趣被最大化地調(diào)動起來，思維敏捷；3.教學(xué)邏輯嚴(yán)密，環(huán)節(jié)緊湊，引人入勝；4.思維、想象空間應(yīng)得以極大化拓寬；5.教師上課要滿懷激情，帶動學(xué)生進(jìn)入科研角色。

二、高階思維與大概念教學(xué)

（一）高階思維

高階思維，是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或認(rèn)知能力。認(rèn)知目標(biāo)在高階思維方面體現(xiàn)為分析綜合、評價和創(chuàng)造。高階思維能力具體為創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力，是人類適應(yīng)智能時代發(fā)展的關(guān)鍵能力[3]。高階思維：回憶—理解—應(yīng)用—分析—評價—創(chuàng)造。

（二）大概念教學(xué)

學(xué)科大概念，是指向?qū)W科核心內(nèi)容和教學(xué)核心任務(wù)、反映學(xué)科本質(zhì)、能將學(xué)科關(guān)鍵思想和相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系起來的最關(guān)鍵的概念。大概念是幫助學(xué)生認(rèn)識世界和理解世界的、少數(shù)的、可遷移的核心概念。大概念教學(xué)就是以大概念為核心目標(biāo)的教學(xué)，它指向培養(yǎng)學(xué)生解決真實問題的素養(yǎng)。大概念的生成：“事實、現(xiàn)象、例子—具體概念—核心概念與方法—學(xué)科大概念—跨學(xué)科大概念—哲學(xué)觀念”。

（三）高階思維能力與大概念教學(xué)是分不開的

具體與抽象的協(xié)同思維生成大概念，沒有高階思維能力就無法構(gòu)建大概念，同時大概念的構(gòu)建是高階思維能力運(yùn)作的目的及意義所在，當(dāng)然沒有大概念的理念及涵養(yǎng)，也無法擁有高階思維能力。

三、高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學(xué)是高階思維能力的最佳培養(yǎng)方式

首先，高中物理學(xué)科是高階問題鏈生成的沃土。問題鏈可以有效地促進(jìn)教學(xué)邏輯的形成，培養(yǎng)高階思維能力。

其次，高質(zhì)量高中物理課堂學(xué)習(xí)模式是高階思維能力的最佳培養(yǎng)方式。高質(zhì)量高中物理課堂教學(xué)中采取發(fā)現(xiàn)、探究、科研等學(xué)習(xí)模式。其學(xué)習(xí)模式的運(yùn)轉(zhuǎn)在高階思維方面體現(xiàn)為分析綜合、評價和創(chuàng)造，在高階思維能力方面具體為創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力。

最后，高階思維能力的培養(yǎng)與高中物理大概念教學(xué)是相輔相成的。

四、高中物理高階思維能力培養(yǎng)高質(zhì)量課堂大概念教學(xué)及同步分析（以“向心力”課堂教學(xué)為例）

課題：大概念之向心力

大概念教學(xué)要求教師站得更高，要有“單元教學(xué)”的功底，進(jìn)行單元規(guī)劃，確定單元任務(wù)和目標(biāo)。此課程是筆者為培養(yǎng)學(xué)生高階思維并依據(jù)學(xué)生學(xué)情而進(jìn)行單元規(guī)劃設(shè)計的章末綜合拔高大概念課，并非教材原始新課內(nèi)容。要想培養(yǎng)好學(xué)生的高階思維，往往需要教師在各章節(jié)末設(shè)計培養(yǎng)相應(yīng)高階思維的大概念課程。

教學(xué)單元：圓周運(yùn)動

學(xué)情分析：本課前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了描述勻速圓周運(yùn)動的各物理量、向心力概念，知道了豎直面圓周運(yùn)動最低點(diǎn)、最高點(diǎn)向心力的計算，初步理解了做整豎直圓周運(yùn)動的條件及計算，已經(jīng)學(xué)習(xí)了動力學(xué)原理：法向的力只改變速度的方向；切向的力只改變速度的大小。

總體策略：

1.提出問題，高階思維“回憶”，引入概念（體現(xiàn)在該教學(xué)流程1、2、3）；

2.探究問題，高階思維“分析、綜合、評價和創(chuàng)造”，建立概念（體現(xiàn)在該教學(xué)流程4）；

3.深化問題，高階思維“理解、應(yīng)用、創(chuàng)造”，理解概念（體現(xiàn)在該教學(xué)流程5、6）；

4.解決問題，高階思維“應(yīng)用、評價”，鞏固概念（體現(xiàn)在該教學(xué)流程7）；

5.高階思維“分析、評價、創(chuàng)造”，促進(jìn)大概念及物理情懷的誕生（體現(xiàn)在該教學(xué)流程8）。

教學(xué)流程及教學(xué)建議：

流程1：實驗引入，實驗猜想：球若脫離豎直圓軌道做什么運(yùn)動？自由落體？斜拋？根本核心問題即脫離時，球的速度等不等于零？

教學(xué)主題：實驗演示球不脫離豎直圓軌道的兩種運(yùn)動：始終在圓心等高處以下部分軌道來回晃蕩；完整圓周運(yùn)動。

學(xué)習(xí)模式：過山車模型情境創(chuàng)設(shè)（切合教學(xué)目的巧妙設(shè)計實驗引入，真實有趣）。

思維培養(yǎng)：實驗猜想（逆向思維，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力）。

流程2：提出解決實驗猜想的理論研究方向：法向的力與向心力的關(guān)系。

教學(xué)主題：法向的力與切向的力比較，圓周運(yùn)動中向心力屬于法向的力；高階問題生成。

學(xué)習(xí)模式：合作小組學(xué)習(xí)、討論（不做球脫離豎直圓軌道的實驗，也不告知學(xué)生答案，讓學(xué)生保持好奇，鼓勵學(xué)生先理論推理再實驗驗證，運(yùn)用探究、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式）。

思維培養(yǎng)：理論猜想（溯源思維，培養(yǎng)學(xué)生問題求解能力）。

流程3：提煉平常養(yǎng)成的科學(xué)探究策略

教學(xué)主題：科學(xué)思維即從簡單情境入手；兩大基本突破方法：正交分解、微積分的思維方法；科學(xué)理論的統(tǒng)一性。

學(xué)習(xí)模式：回憶—討論—決策（小組討論，調(diào)動學(xué)生理論證明的自信，促進(jìn)學(xué)生提煉出科學(xué)探究的策略）。

思維培養(yǎng)：科學(xué)思維（培養(yǎng)學(xué)生決策能力）。

流程4：借研究一切運(yùn)動的法向合力與向心力的關(guān)系培養(yǎng)學(xué)生的高階思維

思維培養(yǎng)：分析能力、綜合能力、創(chuàng)造能力（啟發(fā)全體學(xué)生以科研者角色進(jìn)行獨(dú)立深層思考，支持學(xué)生敢于質(zhì)疑、敢于闡述自己的見解，運(yùn)用探究式學(xué)習(xí)的模式，合作探討、分析、類比、歸納、推理系列學(xué)習(xí)活動中去，引導(dǎo)學(xué)生全面系統(tǒng)地層層深入分析推理，得出揭示科學(xué)本質(zhì)的論點(diǎn)）。

教學(xué)主題及學(xué)習(xí)模式：研究一切運(yùn)動的法向合力與向心力的關(guān)系（學(xué)生小組討論，分析歸納，拓展延伸，展示交流，促進(jìn)學(xué)生生成：勻速圓周運(yùn)動→變速圓周運(yùn)動→一般曲線運(yùn)動→直線運(yùn)動，系統(tǒng)分析全面研究的策略）。

從簡單入手：勻速圓周運(yùn)動

回憶——做勻速圓周運(yùn)動的物體：速度大小不變，只是方向在改變，所受的合力是法向的力（Fn）提供向心力。

兩種方法突破：

①變速圓周運(yùn)動：微積分思維——變速圓周運(yùn)動：由大量的極短時間內(nèi)勻速圓周運(yùn)動構(gòu)成；正交分解：法向、切向——結(jié)論：法向合力為該點(diǎn)的向心力。

②一般曲線運(yùn)動：把一般曲線分割為大量極短的小段，每一段都看成極小段圓弧[4]。這些圓弧具有不同的曲率半徑。在分析質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過曲線上某位置的運(yùn)動時可以采用圓周運(yùn)動的分析方法進(jìn)行處理。結(jié)論：法向的合力（Fn）提供向心力。

科學(xué)理論的統(tǒng)一性——直線運(yùn)動

勻速圓周運(yùn)動、變速圓周運(yùn)動、一般曲線運(yùn)動，法向合力提供該點(diǎn)的向心力（引導(dǎo)學(xué)生由科學(xué)理論統(tǒng)一性的思想方法預(yù)判：直線運(yùn)動法向合力也應(yīng)提供向心力的觀點(diǎn)，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維）。

綜上推理所有運(yùn)動（含直線運(yùn)動）法向合力提供向心力。

（引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維能力，提出以下矛盾）

直線運(yùn)動法向合力Fn=0

向心力公式：Fn=mv²/R（引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體感受解決矛盾，培養(yǎng)創(chuàng)造能力）

直線運(yùn)動可看成R→∞的圓周運(yùn)動，則其向心力也等于零，得統(tǒng)一。

結(jié)論：直線運(yùn)動法向合力提供向心力。

總結(jié)：勻速圓周運(yùn)動、變速圓周運(yùn)動、一般曲線運(yùn)動、直線運(yùn)動，一切運(yùn)動的法向合力提供該點(diǎn)的向心力（學(xué)生揭示科學(xué)本質(zhì)的論點(diǎn)，高階思維促進(jìn)物理概念的構(gòu)建）。

流程5：利用結(jié)論解決實驗猜想并做實驗佐證

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維及評價能力（引導(dǎo)學(xué)生先運(yùn)用高階思維能力，先理論推導(dǎo)再實驗驗證，解決實驗猜想，學(xué)生體驗到創(chuàng)造性思維運(yùn)用的成就感）。

教學(xué)主題及情境創(chuàng)設(shè)：

理論推理

利用結(jié)論解決實驗猜想：物體在豎直圓軌道上通過圓心等高處又未到達(dá)圓最高點(diǎn)，脫離圓軌道后將做什么運(yùn)動？（引導(dǎo)學(xué)生頓悟，利用一切運(yùn)動法向合力提供該點(diǎn)的向心力的結(jié)論作為理論解決實驗猜想）

學(xué)生得出正確結(jié)論：斜拋運(yùn)動。

學(xué)生理論證明：Fn=mv²/R

球即將離開軌道，與軌道只接觸沒有相互作用，故只受重力作用，重力正交分解，法向合力不為零，質(zhì)量、半徑為確定值，由向心力公式得速度不等零，方向為軌跡該點(diǎn)圓的切線方向：斜向上，故為斜拋運(yùn)動。（學(xué)生的高階思維得以充分運(yùn)作，自然進(jìn)入實驗驗證環(huán)節(jié)）

實驗驗證

做過山車實驗驗證（促進(jìn)學(xué)生思考釋放高度范圍值）：實驗現(xiàn)象球脫離圓軌道后做斜拋運(yùn)動，引導(dǎo)學(xué)生觀察，慢播放實驗錄像、信息技術(shù)動畫模擬。（引導(dǎo)學(xué)生明白由這個實驗現(xiàn)象也逆向定性證明了“一切運(yùn)動法向合力提供該點(diǎn)的向心力”的理論的正確性）

流程6：例題求解——升華例題為該“理論”定量證明的實驗設(shè)計思路

思維進(jìn)階：創(chuàng)造性思維（教師精心設(shè)計一題多解的原創(chuàng)題，促進(jìn)“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維）。

教學(xué)主題及情境創(chuàng)設(shè)：

原創(chuàng)例題求解

例：小球（質(zhì)點(diǎn)）沿著豎直面內(nèi)的光滑曲線槽狀軌道（過山車模型）從ɑ點(diǎn)釋放滑下，沿圓軌道運(yùn)動b點(diǎn)離開軌道，已知ɑ點(diǎn)高度H=15m，b點(diǎn)高度h=13m，R=9m，求小球離開軌道時的速度大小。（g=10m/s2）（引導(dǎo)學(xué)生一題多解）

方法1：球從ɑ運(yùn)動到b的過程機(jī)械能守恒，mg（H-h）=mv²/2

方法2：在b點(diǎn)重力法向、切向正交分解mgcosθ=mv²/R

實驗設(shè)計思路

升華例題為“一切運(yùn)動法向合力提供該點(diǎn)的向心力”理論定量證明的實驗設(shè)計思路，利用上面解題方法1“機(jī)械能守恒”驗證方法2“法向合力提供該點(diǎn)的向心力”的結(jié)論，明白實驗器材軌道要盡量光滑是減小誤差以精確驗證的關(guān)鍵，布置該實驗的具體設(shè)計為課后作業(yè)。

（布置實驗設(shè)計的開放性課后作業(yè)，有利于培養(yǎng)學(xué)生項目調(diào)研能力、科學(xué)探究能力、決策和問題求解能力、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）

流程7：遞進(jìn)式例題演練

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維（教師精選題目，編排向心力遞進(jìn)式例題，促進(jìn)學(xué)生形成物理概念，內(nèi)化方法，通透解題）。

流程8：升華為大概念

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維（教師更深層次設(shè)計高階問題，開放性的、創(chuàng)造性的，促進(jìn)學(xué)生深度思考，激發(fā)學(xué)生的高階思維更高維度的運(yùn)作）。

教學(xué)主題及情境創(chuàng)設(shè)：

學(xué)生分組討論活動

學(xué)生就本節(jié)課理論聯(lián)系實際運(yùn)動展開討論，并派代表發(fā)表見解（學(xué)生深度思考，部分學(xué)生突破維度，展開對平拋運(yùn)動、近心運(yùn)動、離心運(yùn)動的創(chuàng)造性思考，靈感誕生，思維進(jìn)階到高潮）。

簡單啟發(fā)（面向全體學(xué)生，照顧未悟道的學(xué)生，啟發(fā)思考，共贏共情）

提問突破維度的學(xué)生分析講解，應(yīng)用所有運(yùn)動法向合力提供該點(diǎn)向心力的動力學(xué)原理分析平拋運(yùn)動及離心、近心運(yùn)動軌跡特點(diǎn)。例如：離心運(yùn)動產(chǎn)生的分析，當(dāng)物體法向合力減小，而且速度不突變，根據(jù)結(jié)論（一切運(yùn)動法向合力提供該點(diǎn)的向心力）推理：∵Fn=mv²/R，F(xiàn)n減小，V不變，m不變，∴R增大，即離心運(yùn)動。

感悟物理大概念之美，培養(yǎng)學(xué)生的物理情懷

學(xué)生領(lǐng)悟到圓周運(yùn)動的圓周保證、近心運(yùn)動的“近心”、離心運(yùn)動的“離心”、平拋運(yùn)動等，所有運(yùn)動及其軌跡的誕生受法向合力提供該點(diǎn)向心力的動力學(xué)原理支配，這過程高階思維運(yùn)作及大概念的誕生令學(xué)生內(nèi)心久久不能平復(fù)，震撼于物理大概念教學(xué)之美……

該課無疑具備高質(zhì)量課堂教學(xué)的特點(diǎn)，教學(xué)邏輯嚴(yán)密。教師在備課時精心研究，巧妙設(shè)計實驗引入問題，生成問題鏈，結(jié)合課程自主編創(chuàng)例題，一題多解，引導(dǎo)學(xué)生由原創(chuàng)例題悟出實驗原理，布置實驗驗證開放性作業(yè)，高中物理學(xué)科特有的價值予以充分挖掘，基于情境、問題導(dǎo)向的體驗式課堂教學(xué)，體驗式與互動式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學(xué)的主要模式，整節(jié)課理論、實驗、習(xí)題三者相輔相成，深入淺出，高潮迭起，一氣呵成，碰撞出學(xué)生智慧的火花，不但掌握了物理概念、促進(jìn)大概念的生成，還培養(yǎng)了高階思維能力。

結(jié)束語

教師應(yīng)充分挖掘高中物理教材的理論及實驗特點(diǎn)，運(yùn)用自己的智慧對教學(xué)進(jìn)行頂級設(shè)計，多方開發(fā)構(gòu)建高質(zhì)量課堂，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，積極探究大概念教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生理論推理和實驗驗證的創(chuàng)造能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。學(xué)生一旦擁有高階思維能力勢必?fù)碛薪K身學(xué)習(xí)、科研的能力，可以自發(fā)地在較高認(rèn)知水平層次上進(jìn)行心智活動，那終將成為一名造福人類的人才。

參考文獻(xiàn)

[1]李晶.創(chuàng)設(shè)問題鏈，建構(gòu)教學(xué)邏輯：以“向心力”教學(xué)為例[J].湖南中學(xué)物理，2022，37（3）：40-42.

[2]陸昌松.基于體驗式教學(xué)的物理概念課堂教學(xué)實踐：以粵教版“向心力”為例[J].物理通報，2022（4）：46-49，53.

[3]艾生明.以“問題為中心”的高中物理概念教學(xué)初探：以“向心力”為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2022，51（18）：18-20.

[4]韓亞君.交互式電子白板在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2012.