高中生物理高階思維能力的現狀與分析

李林 方明

(渤海大學物理與科學技術學院 遼寧 錦州 121000)

高階思維能力主要是指在處理復雜問題時所表現出來的能力.隨著課改的不斷推進，物理教學中也越來越重視對學生思維能力的培養.《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)中將科學思維作為物理學科核心素養，提出科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，體現了學生思維培養的重要性[1].隨著社會的發展，我們已經進入知識和信息爆炸式增長的時代，人們不能只局限于學會科學文化知識，還要有會學習的能力.因此,培養高階思維能力是當今社會的要求，也是我們教育過程中要重點關注的方面.所以，調查高中生物理高階思維能力發展狀況，找出高階思維培養中存在的問題，對于物理教育具有重要的意義.

1 物理高階思維能力維度劃分

對于高階思維能力的概念，很多學者提出了不同的觀點.許多西方學者，包括國內的大部分研究，都基于布魯姆的發現學習理論，將后3個維度，即分析、綜合、評價作為高階思維.而鐘志賢教授則認為高階思維能力是一種高層次認知水平上的心智活動和認知能力,認為學生的批判性、創新性以及反思能力是學生高階思維能力的重要組成部分[2].斯滕伯格的三元智力理論指出，高階思維能力所對應的是成功智力，主要有分析、創新、實踐3方面的思維能力構成.

本文基于SOLO分類理論，將學生思維能力進行分層.在思維的結構上從簡單到復雜、從具體到抽象.思維結構由低到高依次為前結構水平、單點結構水平、多點結構水平、關聯結構水平和抽象拓展結構水平[3],將后兩種水平歸結為高階思維，具體層級如圖1所示.

圖1 基于SOLO分類理論的思維水平分層

結合許多學者的觀點，本文將物理高階思維能力分為4個維度，即分析、綜合、評價、創造.

(1)分析能力

分析能力是學生在處理問題中進行比較概括的基礎.在日常學習中主要表現為幾個方面：一是學習相關聯知識時能進行比較，看到它們的異同點；二是對所學的知識進行梳理，理解其中的聯系；三是對同一問題能夠多方面深入地思考.較強的分析能力能使學生快速理清復雜問題，為解決問題奠定基礎.

(2)綜合能力

綜合能力是學生在理清問題的基礎上，進行整合和歸納.在學習過程中主要表現在3個方面：一是能對知識間進行整合總結，構建起它們間的邏輯關系；二是能建立知識體系，形成結構化的知識；三是在不同學科之間可以進行整合，形成跨學科的知識聯系.綜合能力強的學生往往能發現事物的隱藏聯系，能夠全面而深入地把握問題.

(3)評價能力

評價能力主要用于學生對問題解決情況的檢查以及運用假設解決問題方面.在日常學習中，可以從以下幾個方面觀察學生的評價能力：一是在學習知識時，能夠進行質疑，提出問題；二是對于自己掌握知識情況能夠進行合理的評價；三是對于驗證性的問題，能夠合理進行論證.評價能力關系到學生問題解決的準確度，是高階思維能力的重要組成維度.

(4)創造能力

創造能力是學生創造性解決問題，提出創新性方案的必備能力.在學習過程中主要表現在以下3個方面：一是面對復雜問題，能提出創造性的解決方案；二是進行物理實驗時能夠提出創新性有效的實驗方法；三是根據實驗要求，動手制作新的符合要求的實驗器材.創造能力是較為復雜的思維能力，是培養學生物理高階思維能力應著重關注的方面.

高階思維能力的主要內涵如圖2所示.

圖2 高階思維能力主要內涵

2 高中生物理高階思維能力現狀調查與分析

(1)調查問卷設計與統計分析

基于高中生高階思維能力的4個維度，經過查閱文獻，與專業教師訪談，最終編制成高中生物理高階思維能力測試問卷，將每個維度分為4個水平，分別對應1、2、3、4分，共16道題，分別測量高中生物理高階思維能力的4個維度.與許多一線教師訪談，大部分教師認為高階思維能力發展關鍵期在高二，因此,本研究從錦州市某中學選取了2個平行班共80名高二學生作為研究對象，在學生自習課上發放匿名試卷，要求學生在40min內獨立完成，最終將試卷全部收回，分析高中生高階思維能力得分總體情況，統計了高中生的問卷分值大致區間，最高分、最低分、平均分差異值分值分布如表1和圖3所示.

表1 問卷分值分布

圖3 百分制下高中生物理高階思維能力各維度得分情況

(2)調查問卷信度效度分析

針對每個維度的4個問題，運用spss軟件分析各維度的克隆巴赫信度系數，各維度均在0.7以上，說明具有比較好的可信度.問卷的KMO值均在0.7以上，而各維度都有P<0.001，說明問卷有較好的效度.因此，該問卷能夠比較好地反映該階段學生的物理高階思維發展狀況.其中各個維度的測試數值分布如表2所示.高中物理高階思維能力各維度雷達圖如圖4所示.

圖4 高中生物理高階思維能力各維度雷達圖

表2 問卷信度與效度分析

(3)基于實證的課堂觀察分析

為了更清晰地把握學生的思維聯結程度，結合“自由落體運動”模型建構過程中3個真實情境，分析學生思維過程.

情境1:將紙片與橡皮同一高度下落，橡皮下落得快.將紙片揉成紙團與橡皮一起下落，幾乎同時落下.提出問題為什么兩次結果不同？

在此問題中，學生經歷真實物理情境，大部分同學能夠通過分析比較，提出因為空氣阻力的不同導致結果不同.教師演示牛頓管實驗，演示3種不同的情況，學生觀察發現在忽略空氣阻力的情況下，不同的物體幾乎同時落下.在此過程中以真實物理情境為基礎，讓學生經過分析與觀察，概括出自由落體運動概念，但能夠自主建立自由落體運動模型的學生較少.

情境2:在上述實驗結束后，提出問題——如何探究自由落體運動的規律？

此問題主要是在學生形成自由落體運動的模型基礎上，實現思維進階，通過思考建立實驗方案，實驗儀器如圖5所示.學生會聯系之前學過的勻加速運動探究方案，如何設計一個可行有效的實驗計劃，對學生的綜合思維、創造力以及對實驗計劃的評價能力都有較高的要求.

在平行班一中，采用學生提出方案的方式，盡管有很多不足和考慮不周全的地方，但是教師邊糾正邊引導，最終提出了3種可行的實驗方案.第一種測量紙帶上各點的速度，做出v-t圖像來探究規律.第二種測量紙帶上各點的位移，做出x-t圖像來探究.第三種根據相鄰點的位移差來研究自由落體運動的規律.在平行班二采用教師直接給出實驗方案的方式.在設計實驗方案的過程中，學生的思維不斷地進行訓練，相比教師直接給出實驗方案，前者更加適合學生養成高階思維.

圖5 探究自由落體運動規律實驗儀器

情境3:布置課后作業，提出測量教學樓高度問題，并希望同學們基于本節知識設計一個專題研究.

在第二次課進行時，發現對于平行一班，84.6%的同學都可以運用本節課建立的自由落體運動模型來完成測量樓高問題，而二班只有54.6%同學可以做到.一班有4%同學提出了研究形狀不同、高度不同，雨滴下落等落體運動研究的專題，二班沒有同學提出專題研究方案.明顯對于模型建立和綜合分析利用及創新程度上，一班都要優于二班.

在模型建立過程中，基于SOLO分類理論，學生思維存在3個層級.第一層級的學生僅僅停留在概念上，沒有建立起模型，更談不上運用，處于思維單點結構水平.第二層級的學生能夠建立起思維的多點聯結，認識到了自由落體運動模型，并能夠將此模型遷移到解決具體問題中.第三層級的學生較少，他們能夠進行思維的拓展深化，充分認識到落體運動的特點，分析不同因素的影響，運用科學方法來進行探究.

3 高中生物理高階思維能力發展存在的問題

通過高中生物理高階思維能力測試問卷的分析，以及對兩個平行班在“自由落體運動”思維模型建構應用情況的調查研究，發現高中生在物理高階思維能力發展中主要存在以下的問題.

(1)高中生物理高階思維能力發展不均衡

通過對高中生物理高階思維能力測試題分數分析，能夠看出高中生高階思維各維度的發展程度明顯不均衡.其中學生的分析思維能力明顯高于其他兩個維度，這些數據說明大部分高中生的物理高階思維能力發展還處于中等水平，在思維聯結程度上不高，很少有學生形成抽象拓展層級的思維結構，學生的創造能力有待提高.

(2)高中生思維能力訓練意識缺乏

從兩個平行班級對“自由落體運動”模型構建情況來看，多數學生習慣于教師來設計實驗方案，對物理規律之間的聯系沒有深入思考，更不要說建立系統的知識結構.在學習到知識之后，面對問題時不能系統地分析，從多角度、多方面、多層次靈活應用[4].所以，學生處于不深入思考的全盤接受式學習，高階思維能力很難得到訓練和提高.

(3)高中生創新意識和創造能力薄弱

從高中生物理高階思維能力雷達圖上看，學生的創造性思維能力最薄弱.學生更加側重于知識學習和解題，學習知識后很難開展專題研究，正說明了他們對于知識的運用和其與生活聯系認識不足，所以難以提出創造性的實驗方案和產品.

4 高中生物理高階思維能力發展存在問題的原因分析

對于上面關于高中生物理高階思維能力發展狀況的分析所得出的結果，筆者認為可能有以下幾方面的原因.

(1)高中生缺乏一個好的養成高階思維的環境

高中生長期受應試教育影響，在知識學習上更偏向于關注如何提高成績，如何解題，而對知識的深入思考和應用較為欠缺.所以由于解題訓練較多，更加擅長于分析，而其他維度的思維能力就相對較弱.

(2)高中教師對培養學生的物理高階思維能力重要性認識不足

教師對學生的思維養成具有非常重要的作用，但由于現在的評價制度，許多高中物理教師在教學的時候缺乏對學生高階思維能力的培養，停留在傳統的教學模式上.在調查問卷中，曾經接觸過的許多一線教師，接近80%的教師都比較看重知識傳授，關于學生思維能力的訓練相對比較缺乏.

(3)目前高中教學方式和評價方式較為單一

很多教師在教育目標的設置和具體的備課、授課中，缺失培養思維這個環節，更加注重于講明白知識，而忽視知識的運用和思維構建.受高考和應試的影響，整個社會都過于關注學生的學業成績，而忽視學生的能力.這也導致學校在評價方式上比較單一，重考試而輕實踐.這就限制了高中生的知識應用能力和創新能力，導致高中生物理高階思維能力發展比較差.

5 高中生物理高階思維能力養成的相關建議

根據對高中生物理高階思維能力發展狀況的分析，從物理高階思維能力培養存在問題出發，本文給出幾點針對性的建議.

(1)高中生要加強思維能力訓練意識

可以鼓勵學生構建思維導圖，使學生建立起知識間的聯系，進而提高學生的綜合性思維能力.同時，注重生活問題與書本知識的聯系，加強真實物理情境在學生學習中占的比重.培養學生合作設計實驗方案的能力，對于實驗方案的可行性和有效性能夠進行自主評價.

(2)教師要熟悉培養學生思維的方法

首先,應該加強教師的認識，讓教師認識到學生物理思維培養的重要性.

其次，教師要學會培養學生思維的方法，具有進行物理高階思維能力培養的教育研究意識.

最后，教師要合理地將學到的培養高階思維能力的方法靈活運用到教育教學中[5].

如在“自由落體運動”模型學習中，平行班一教師所采用的真實情境讓學生自主構建物理模型的方式，如圖6所示，就是一個比較好的訓練學生物理高階思維的路徑.

圖6 真實物理情境到問題解決

(3)學校要有意識地培養學生創新創造能力

首先，教師要緊跟時代發展，時常充電，及時更新知識，發現課本知識在生活中的最新應用，在日常教學活動中滲透知識的遷移應用，讓學生學到更多課本知識的實際應用.

其次，教師應該注重學生創新性思維的養成，帶領學生開展專題研究活動，在活動中挖掘學生的創造力.

最后，學校要多舉辦創新性的學生活動，提供學生動手實踐的環境，鼓勵學生利用所學知識動手制作產品，有意培養學生發散思維和知識靈活運用能力.