聚焦高階素養培育 深化課堂教學思維

摘 要：現有教學研究中缺乏針對物理學科特征創設合適“情境”與生成適宜“問題”的高中物理課堂教學模式設計，課堂教學思維深度不足，導致學生物理素養不高。本文通過對高考真題的情境特征進行剖析，生成適宜的問題，探究采取七個思維步驟尋找思維化課堂的教學模式，把“學堂”變“殿堂”，培育學生的高階素養。

關鍵詞：情境；思維；高階素養

1 引言素養是知識、技能、經驗、態度和價值觀等在一定情境下的綜合體現，反映了知識與情境緊密聯系的綜合能力。高階素養則是指以分析、綜合、評價和創新為認知目標，解決復雜情境問題的能力。目前，我國高考重視通過情境化試題來考查學生的必備知識和關鍵能力，這就對學生的高階素養有較高的要求。然而，經過筆者的調查研究發現，現有教學研究中缺乏針對物理學科特征創設合適“情境”、生成適宜“問題”的高中物理課堂教學模式設計。課堂教學過程中的思維深度不足，導致對學生高階素養的培養缺失。為此，筆者試圖探索思維導向的課堂教學模式，以期將“學堂”轉變為培養學生高階素養的“殿堂”。

2 將真實復雜情境創設為合適的、個性化的物理情境及問題探究物理試題通常以真實世界中的問題情境為背景進行設計，將情境與物理學科知識和物理能力相結合，形成以解決問題或完成任務為核心的活動領域。這種設計強調學生在真實的物理情境中提取和轉換信息，從而將“未知”轉化為“已知”。［1］高中物理課堂教學應當創設接近學生生活、傳統和時代背景的生活實踐情境問題，分析真實情境中的復雜問題，提取并轉化情境中的有效信息，以建構物理模型。通過引導學生進行思考和探索，培養學生的直覺思維，激發學生內在的學習動機，提高學生提取和分析關鍵信息的能力。這樣的教學方式能夠促進物理課堂的多維互動，深化思維的深度，整合學生的智力資源，最終實現培育學生高階素養的教學目標。

2.1 將運動（游戲）轉化為物理現象，激發內在學習動機，培育直覺思維

高考試題將貼近生活的真實情境作為探究載體是一種趨勢。這體現了物理知識的實用性，也有效激發了學生探究問題的內在學習動機。《中國高考評價體系說明》強調“通過選取適宜的素材，再現學科理論產生的場景或是呈現現實中的問題情境，讓學生在真實的背景下發揮核心價值的引領作用，運用必備知識和關鍵能力去解決實際問題，全面綜合展現學科素養水平。”［2］2019年至2021年高考試題中涉及真實情境的部分高考例題如表1所示。試題中的場景是大多數學生都親身經歷過的。學生需要將這些經歷體驗與物理知識聯系起來，提出合適的問題，并從動力學、能量、動量等角度建構物理模型，進行物理描述。這是解決問題的必要環節，也是學生展現關鍵能力的時刻。

教學思考：提取有效信息通常是解決問題的重要步驟，而對有效信息進行合理的聯想、抽象、概括，并建構物理模型，是培養學生高階素養的關鍵過程。例如，在如圖1所示的情境中，學生需要提取“籃球運圓周運動模型，紐扣上距離中心1cm處的位置做理想化處理，建構為質點模型動員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H”的信息，然后抽象和概括這一信息，建構出重心進行豎直上拋運動的物理模型，并應用運動學規律來研究和解釋問題。在如圖2所示的情境中，學生需要求解“同學蕩到秋千支架的正下方時每根繩子平均承受的拉力”，這時研究對象和問題應集中在同學和秋千踏板上；這考驗了學生靈活選擇研究對象的意識以及應用運動學規律分析解決生活中常見物理現象的能力。在如圖3所示的情境中，學生需要對關鍵信息進行提取、分析和轉化，將紐扣的運動抽象概括為圓周運動模型，并將紐扣的“模糊”正轉和反轉交替運動簡化為圓周運動模型進行探究；這有助于提高學生獲取和處理信息的能力。上述三種場景可以通過不同的研究對象或從不同的物理視角（力與運動、功和能、動量定理等）進行分析。然而，這樣的做法可能會導致學生的分析視角過于分散，使得課堂思維的深度無法得到有效延伸，從而不利于學生高階素養的形成。為了改善這一點，建議課堂教學過程應從學生的生活體驗視角入手，讓學生帶著情境化的、合適的、具體的問題去驅動研究過程。例如，教師從運動、游戲等學生熟悉的場景導入，更容易營造課堂研討的氛圍，生成問題驅動的課堂聚焦。這有利于發揮學生的直覺聯想，訓練其發散思維，進行模型建構，從而提高學生的直覺思維能力。

2.2 將傳統“科學文化”轉化為物理探究，訓練學生關鍵信息提取及分析能力真題呈現。

（2021年廣東卷第13題）算盤是我國古老的計算工具，中心帶孔的相同算珠可在算盤的固定導桿上滑動，使用前算珠需要歸零。如圖所示，水平放置的算盤中有甲、乙兩顆算珠未在歸零位置，甲靠邊框b，甲、乙相隔s1＝3.5×10－2m，乙與邊框a相隔s2＝2.0×10－2m，算珠與導桿間的動摩擦因數μ＝0.1。現用手指將甲以0.4m/s的初速度撥出，甲、乙碰撞后甲的速度大小為0.1m/s，方向不變，碰撞時間極短且不計，重力加速度g取10m/s2。

（1）通過計算，判斷乙算珠能否滑動到邊框a。

（2）求甲算珠從撥出到停下所需的時間。

真題分析。以我國古代計算工具算盤為載體，學生可以提煉與升華頭腦中的物理概念和規律，從而發現其中的物理現象，并從中提取關鍵有效信息，利用對甲、乙算珠運動與相互作用、能量等的基本認識，將物理現象基于經驗事實建構物理模型。用手指將甲算珠以0.4m/s的初速度撥出后，甲算珠的運動模型是容易判定的，但甲、乙算珠碰撞過程的關鍵信息提取難度較大。比如，將“碰撞時間極短且不計”提取分析，捕捉甲、乙算珠碰撞過程中內力遠大于摩擦力（外力），考慮用動量守恒定律解決問題。甲、乙算珠碰撞后瞬間，乙算珠與邊框a仍然相隔s2＝2.0×10－2m，假設乙算珠勻減速s′2停下來，運用運動學規律有v24＝2as′2，將計算求得的s′2同s2比較。本實例具有較強的綜合性與應用性，考查了學生的多種素養。

評價與質疑。題中假設兩顆算珠發生了彈性碰撞，據此筆者計算如下。甲算珠以速度v1＝0.3m/s碰撞靜止的乙算珠，碰撞后甲算珠的速度v3＝0.1m/s，乙算珠的速度v4＝0.2m/s，那么此碰撞的恢復系數e＝v4－v3v1－0＝13，則碰撞時間由公式Δt＝2（1＋e）Rv1＋v2（其中v2為乙算珠被碰前的速度）求得。［3］而古代算珠的厚度約為D＝1.3cm，代入計算得Δt≈0.058s。設碰撞過程甲算珠對乙算珠的彈力的平均值為F，由動量定理有（F－f）Δt＝mv4－0。一顆算珠的質量約為10g，代入計算得F≈0.044N。此時內力F僅為外力f的4.4倍，那么外力是否可以忽略呢？此碰撞情境系統還能用動量守恒定律嗎？乙算珠與邊框a相隔僅s2＝2.0×10－2m，算珠碰撞過程中乙算珠滑動的位移Δs與s2相比可以忽略嗎？

教學思考。雖然碰撞時間僅為Δt≈0.058s，然而通過碰撞過程中內外力的比較，發現碰撞系統的動量守恒使用存在疑問。如此小的碰撞速度加之狹窄的距離，導致乙算珠能否滑動到邊框a也存在爭議。因此，本情境下碰撞時間、碰撞過程和作為外力的摩擦力均不能被忽略。

在教學過程中，教師應當引導學生嘗試運用直覺思維，調用動力學、能量關系、動量守恒定律等物理知識進行合理的聯想，形成物理表述（包括物理規律、物理概念、物理圖像等）。通過分析論證，學生能夠將甲、乙算珠的運動表述為常見的勻變速運動和碰撞物理模型，進而探究并解決“舊”事物中的“新”問題。這樣的過程不僅能夠促進學生對物理知識的深入理解，還能夠培養學生的多元素養，實現綜合發展。

3 培育高階素養的思維過程及教學示例物理知識具有情境性特征。本文以“情境”為探究載體，思考情境化的“問題”，采用行之有效的操作策略，從探索發現、動手實踐、交流合作、論證應用等方面，系統地思考核心素養導向下培育學生高階素養的思維過程（如圖4所示）。

教學示例。

（2022年浙江卷第21題）航載機電磁彈射是現在航母最先進的彈射技術，我國在這一領域已達到世界先進水平。某興趣小組開展電磁彈射系統的設計研究，如圖1所示，用于推動模型飛機的動子（圖中未畫出）與線圈絕緣并固定，線圈帶動動子，可在水平導軌上無摩擦滑動。線圈位于導軌間的輻向磁場中，其所在處的磁感應強度大小均為B。開關S與1接通，恒流源與線圈連接，動子從靜止開始推動飛機加速，飛機達到起飛速度時與動子脫離；此時S擲向2接通定值電阻R0，同時施加回撤力F，在F和磁場力作用下，動子恰好返回至初始位置停下。若動子從靜止開始至返回過程的v-t圖像如圖2所示，在t1至t3時間內F＝（800－10v）N，t3時撤去F。已知起飛速度v1＝80m/s，t1＝1.5s，線圈匝數n＝100匝，每匝周長l＝1m，飛機的質量M＝10kg，動子和線圈的總質量m＝5kg，R0＝9.5Ω，B＝0.1T，不計空氣阻力和飛機起飛對動子運動速度的影響。求：

（1）恒流源的電流I；

（2）線圈電阻R；

（3）時刻t3。

示例評析。以科技“熱點”為載體創設物理情境進行探究，不僅能夠激發學生的內在探究動機，還能夠滲透愛國主義教育，體現“立德樹人”的教育根本目標。學生對艦載機電磁彈射系統可能只聞其名而未親眼見過，對其結構和具體工作原理充滿探究欲望，這有利于提高學生從物理學視角進行探究的意識和能力。以例題為基礎的高階素養培育的探究過程如表2所示。本題情境復雜，對學生的素養要求較高。掌握相關的物理學知識是解決問題的基本條件；運用相應的物理學研究思維是解決問題的必要手段。由于題目情境涉及的信息量龐大且錯綜復雜，學生需要從物理學視角提取關鍵信息，運用直覺思維將生成的問題與物理知識相互聯系，建構物理模型，分析電磁彈射系統的工作原理，并應用相關的物理規律、物理概念、規范的物理符號等來描述和解釋問題。通過質疑與評價，反思探究過程，優化問題解決設計，借助遷移與創新，教師可以深化課堂思維，推動學生高階素養的形成。

教學建議。以學生熟悉的科技“熱點”為背景作為探究的載體，更有利于激發學生的內在探究動機。縱橫交錯的物理情節有助于考查學生提取和綜合分析有效信息的能力，以及在抽象概括方面的模型建構水平。此外，從電磁彈射系統的同一情境出發，可以從電生磁、磁生電、動量定理等多個物理視角進行探究，生成不同層次的探究問題，促使學生產生持續的內在學習動機。

4 結束語

學生高階素養的培育是一個長期的過程，需要教師在教學過程中不斷地以復雜的“情境”為載體，以情境化的“問題”為驅力，推動學生進行探究和思考。這個過程應該遵循探索發現、動手實踐、交流合作、論證應用的思維過程同時過程應該包含提取有效信息、生成問題、建構模型、分析解釋、質疑評價、解決問題、遷移創新這七個思維步驟。在教學過程中，教師應該漸進式地創設學生能夠獨立探索的復雜情境，幫助學生豐富其想象力，調動內在動機，培養直覺思維，以及提升關鍵信息的提取、分析與轉化能力。同時，教師應引導學生將物理知識與生活情境緊密聯系起來，使學生逐步形成探索和解決復雜情境的綜合實踐能力。

參考文獻

［1］張紅洋，張婧婧. 高考物理試題的情境化特征研究［J］. 物理教師，2022，43（3）：75-79．

［2］教育部考試中心. 中國高考評價體系說明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：36．

［3］鄭煥武. 幾種碰撞時間計算公式的推導［J］. 西昌學院學報（自然科學版），2006（2）：34-38．

*基金項目：本文系廣州市增城區教育科學規劃2021年度課題“基于核心素養的物理情境問題化研究”（課題編號：ZC2021108）的階段性成果及廣州市增城區教育科學“十三五”規劃2020年度課題“基于核心素養的高中物理概念情境化教學研究”（課題編號：ZC2020020）的階段性成果。