指向高階思維的證據意識培養實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）7-0008-6

在人工智能與大數據技術深度介人教育的背景下，全球基礎教育正經歷從“知識本位”向“素養本位”的轉變。我國新一輪課程改革將核心素養作為學生培養自標，正是迎合了這一趨勢。物理學科作為科學領域的引領學科，其教學實踐亟須改變，從僅關注物理知識學習的模式向以發展物理學科核心素養為目標的導向轉變?？茖W論證能力是物理學科中科學思維的重要素養，以證據為基礎的科學論證能力就是重要的科學能力。

1 相關概念界定

1.1 證據意識

意識是人腦對自身存在及外界環境的主觀覺察與反應能力，其物質基礎是大腦皮層的神經活動。意識有三個要素：一是意識是自我感覺；二是意識是自我與外界的信息互動過程；三是意識是自我對外界的反應。所以，意識的本質是主動積極的自我態度和自我對外界刺激的反應。那么，什么是證據呢？一般來說，證據是能證明真實性的具有關聯性和公正性的客觀材料。從科學論證的角度來看，證據是指通過系統性觀察、實驗或邏輯推理獲得的客觀數據或現象，其功能是支持或反駁科學假說，并需要滿足可檢驗性、可重復性和邏輯關聯性等核心標準。

證據意識是以探求真實為核心的品格，強調在科學探究和認知過程中，基于事實和證據進行嚴謹推理與判斷的能力。其核心在于通過科學方法獲取、評價和運用證據驗證假設或得出結論，同時體現對客觀真理的尊重和實證精神的追求。證據意識包括獲取證據的主動性和嚴謹態度、獲取證據的能力、評價和解釋證據的能力、運用證據綜合論證與表達的能力。

物理教學中，證據意識是指對物理教學中證據作用、價值的一種覺醒并知曉的心理狀態，并在學習探究活動中主動尋找和收集證據、分析證據、表達和運用證據的一種科學理性能力[1]。

為何要重視證據？首先，物理理論體系的形成基于觀察和實驗，物理的學科本質決定了物理學是以證據為基礎或以證據為核心的。其次，在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中將“證據\"置于顯著位置，在素養發展水平要求部分的表述中，更是反復提及“證據”[2]。因此，讓證據成為一種“意識”，對學生深入探究物理世界、提升核心素養具有重要意義。

1.2 高階思維

按布魯姆認知層級劃分的理解，其廣泛被認可的定義是“發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力”3]。布魯姆等在教育目標分類學（2001修訂）中將“認知過程維度”分為記憶、理解、應用、分析、評價、創造六個維度，如圖1所示，其中分析、評價、創造就對應著高階思維的范疇[4]?！吨袊鴮W生發展核心素養》明確提出核心素養是教育的主要目標，而高階思維能力是培養核心素養的關鍵任務。素養導向的教育強調學生應該通過學習逐步形成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力[5]。而布魯斯·威廉姆斯認為，高階思維的培養主要是運用主動學習、積極提出問題和跨學科整合等方式。個體只有具備高階思維才能建立穩固的品格、道德、價值觀[。由此可見，發展高階思維有其獨特的意義。

圖1布魯姆認知目標

1.3 證據意識與高階思維的關系

證據意識與高階思維之間存在深刻的關聯。培養證據意識不僅是科學素養的基礎，更是促進高階思維能力發展的有效路徑。證據意識與高階思維的關聯性可以從以下幾個方面認識。

1.認知目標的同構性。證據意識的核心能力如獲取、評價和整合證據的能力與高階思維中的分析、評價、創造等能力存在共同集合的關系。例如，分析能力和批判性思維是證據意識與高階思維共同要求的能力。在科學實踐中，對證據的合理性、真實性的判斷，要求質疑證據獲取的方法和推理邏輯，這與高階思維中的“審辯性思考”是相通的。

2.實踐過程的依賴性。證據意識的培養需要我們培養在真實情境中的問題探究和解決能力，這與高階思維培養的方式是相通的。因為只有真實、復雜的情境中的問題解釋和解決過程才能有效培養高階思維。

3.元認知的觸發作用。證據意識強調對思維過程的反思，例如，我們常常會對實驗結果與假設之間的矛盾進行深度反思，這與高階思維中的自我調節能力（如修正實驗設計）直接相關。再如，學生在實驗失敗后分析原因，本質上是對自身認知的再評估。

2培養證據意識是發展高階思維的有效方式

2.1 證據意識對高階思維能力的促進作用

為什么培養證據意識能有效促進高階思維能力？我們可以從證據意識與高階思維能力的本質聯系來分析。

第一，證據意識能使人實現從“被動接受”到“主動建構”的思維升級。傳統教學中，知識多通過記憶傳遞（如背誦公式），屬于低階思維。而證據意識要求學生在實驗或案例中主動獲取數據、驗證假設，推動思維從“復現\"轉向“重構”。例如，電梯變速上升或變速下降時失重與超重問題的討論，如果我們簡單地用公式來處理這個問題，沒有激發學生證據意識的過程，就不能很好地培養高階思維能力。但如果從證據意識的角度，我們會設計電梯做各種勻變速運動時測力計的計數變化的實驗，從實驗數據中歸納出測力計的數據與運動狀態之間的關系。這種依據實驗證據進行推理分析的過程，就能很好地培養學生的高階思維能力。

第二，證據意識是復雜情境中的綜合因素的整合能力，與高階思維相吻合。證據意識訓練常嵌人跨學科、開放式任務，如“氫能源推廣利弊”的辯論，要求學生整合多源證據，權衡利益沖突，這正是高階思維中的“復雜溝通\"和“決策能力”。

第三，證據意識是從“工具理性\"到“價值理性”的思維深化。證據意識不僅關注“如何做\"的方法問題，更強調“做得怎樣\"的評價問題。例如，電梯視重問題中，我們會根據需要設計升降機中測視重的實驗。實驗過程和實驗完成后，我們會結合實驗數據對實驗的方法和過程進行可靠性評估，一旦發現問題，我們會重新設計和改進實驗，這個證據獲取過程需要評價、批判等高階思維的協同作用。

2.2 證據意識培養的具體策略與高階思維能力的映射關系

證據意識與高階思維能力之間存在許多相通之處，我們可以對它們的相通或相同特征進行對比分析，如表1所示。

表1證據意識與高階思維能力的映射關系

因此，證據意識與高階思維的培養需融合實驗探究、問題驅動和元認知訓練等方式。在物理學科中，通過實驗數據驗證假設、矛盾情境引發質疑、跨學科遷移應用等策略，可同步提升學生的科學探究能力與高階思維品質。教師需從“知識傳遞者\"轉變為“思維引導者”，讓學生在“證據一推理一重構\"的循環中實現深度學習。

2.3 證據意識是培養高階思維能力的“腳手 架”

從本質特征分析和實踐經驗兩方面都可以得出結論：證據意識的求真態度、實證方法和邏輯推理等訓練，為高階思維提供了結構化的發展路徑。其訓練的有效性體現在以下幾個方面： ① 認知工具化，證據處理過程（獲取一評價一運用）本身就是高階思維的實踐載體； ② 思維顯性化，證據的可視化（如數據圖表、聲波圖像）使抽象思維具象化，降低了認知難度； ③ 素養整合性，科學探究活動中，證據意識大然融合了分析、創造、決策等綜合能力。

因此，培養證據意識不僅是科學教育的需求，更是發展高階思維能力的戰略性方法。

3促進高階思維發展的證據意識的培養 實踐

在物理教學中，指向高階思維的學生證據意識培養，是發展學生物理核心素養的本質要求。我們在教學中，應該始終將這一目標與實際教學緊密契合，從而在知識、能力、品格等方面促進學生的全面發展，彰顯學科的育人價值。下面就指向高階思維能力發展，培養學生的證據意識的實踐研究做一個方法與案例相結合的介紹。

3.1樹立“以實驗為核心，以學生為中心”的教學觀

實驗是物理學的基礎，也是物理學習中至關重要的一環，它極大地影響著獲取證據的水平與證據的質量，也影響著學生對于證據的認知和思維質量。因此，我們必須樹立以實驗為核心的觀念。目前，盡管物理教學中重視發展學生核心素養已是共識，但實驗教學仍是最薄弱的部分。在教學中充分發揮實驗的育人價值和功能尤為重要。

如何做到以實驗為核心？首先，要端正我們對實驗的認識。對于實驗，我們往往只滿足于口頭上的泛泛而談，或是書面上的應景文章，并沒有從本質上認識和重視實驗，這也是很多課堂出現真實實驗缺位，甚至演示實驗也變成口頭描述的原因所在。造成目前實驗薄弱的原因，并非全是“不能為”，大多是“不想為\"的問題。很多看起來很直觀的現象，似乎無需實驗，恰恰可能具有極高的實驗價值。加強實驗意識，關鍵在于尊重教材的實驗設計，創新實驗方式，挖掘實驗的內在教育價值。

在“超重和失重\"教學中，礦泉水瓶實驗具有不可替代的認知價值。當靜置的帶孔水瓶自然流水時（圖2），教師拋出關鍵問題：“如何不堵孔而正水”。理想的教學應讓學生親眼見證：自由下落的瞬間，原本流動的水柱驟然停止。這種具象化的實驗操作比視頻演示更具沖擊力一學生能直觀感知失重狀態下流體靜壓的消失本質。實際教學中，常因操作簡單、怕水漬清理，有的教師省略實驗或用視頻替代。這實屬舍本逐末。教師應鼓勵學生親手釋放水瓶，觀察拋物線運動中液體“懸停\"的奇妙現象。當提出斜拋實驗時，違反直覺的操作會瞬間激活學生思維：空中劃出弧線的水瓶滴水不漏，這種認知沖突促使學生主動構建加速度與壓力關系的物理圖景。通過“基礎下落一逆向拋接一多維斜拋”的進階實驗，學生不僅理解了公式背后的物理本質，更培養了實證意識與批判性思維。相比被動接受理論，這種融合感官體驗與思維躍遷的學習過程，才能真正建立學生的物理觀念，塑造科學探究的關鍵能力。

這個案例，與其說是提出了因陋就簡、深入挖掘實驗的可能性，不如說是指出了更新觀念、增強實驗意識的重要性。為了提高學生的證據意識和探究精神，教師應該設法讓本來不具備條件而不能做的實驗變得也能做。在課標要求的實驗應做盡做的前提下，我們還需要增加高質量演示實驗的比例，以此提高學生的參與度，將“以實驗為核心\"這一觀念從教師到學生、從課內到課外、從理念到行為層層落實，有效培養核心素養。

在教育觀念上，除了要重視實驗的核心地位，還需要在教學中貫徹“以學生為中心\"的觀念。我們需要避免兩個誤區：一是“教師主導課堂”，其根源在于教師將自己視為知識的掌握者和施予者；二是把強調學生中心變成異樣的自主自由教育，而沒有把高質量的學習活動、有證據意識的探究活動落實在學生的學習活動中。怎樣真正做到以學生為中心呢？最關鍵的是要從口頭變為行動，化教學主導為學習引導。教師可以從一些細節做起，通過增強物理課堂的互動性，鼓勵學生質疑，把課堂打造為交流的平臺，有時不妨“賣個破綻”，甚至進行“身份互換”。

筆者在“變壓器電流與匝數關系\"實驗中，一次未裝鐵芯的失誤反而成就了深度教學。當實測數據與理論公式嚴重偏離時，全班在哄笑中形成了認知沖突。教師并未立即糾錯，而是將問題拋給學生，要求他們觀察分析可拆卸的變壓器。隨著學生自主檢查，終于有人發現鐵芯缺失一這個發現過程比程序正常的實驗更具教育價值。重新安裝后獲得了預期數據，自然引出“理想變壓器\"概念和成立條件的討論。教師順勢構建對比實驗框架：通過鐵芯有無的對照，學生直觀理解磁損耗對能量傳遞的影響。這種反向教學設計將失誤轉化為探究契機：當學生親歷“發現問題—尋找證據一修正結論”的全過程時，不僅深化了對渦流效應等物理現象的本質理解，更培養了基于證據的科學論證能力。這種刻意保留的實驗“瑕疵”，成為培養學生批判性思維的有效教學策略，使學生在主動糾錯中完成知識建構，這正是培養學生物理核心素養的有效路徑。

圖2水瓶靜置狀態

3.2 以真實情境中的層級問題“重演”科學發展過程

發展以高階思維為導向的證據意識，需要進行“知識復現”。這意味著教學需要力求讓學生回溯到知識發生的起點，通過盡可能真實的情境，抽離物理教學對理想模型的過度依賴，直面問題本身。由于學生在學習中大量接觸理想模型，往往會認為物理的關鍵不過就是提取一些概念并演算。物理學絕大部分的論證都是從現象開始的，現象或情境在教學實踐中扮演了極為重要的作用，好的情境可以讓知識的生成過程從被動灌輸向主動整合轉變，讓學生真正成為科學探究的學習主體。

在“洛倫茲力”教學中，教師利用CRT投影機構建認知沖突：將磁鐵藏于衣袖中晃動，導致投影圖像扭曲。當學生發現“教師的手具有魔力”時，已自然觸發安培力的知識遷移。遞進式問題鏈隨即展開： ① 異?，F象與磁場關聯，學生推測衣袖中藏有磁鐵； ② 引導思考“磁鐵如何影響電流”，激活安培力認知； ③ 追問“電子運動與圖像扭曲的關系”，揭示陰極射線管中電子束受力的本質。通過實物結構圖展示，學生發現電子在磁場中的偏轉實為單個帶電粒子的受力表現，從而自然區分安培力與洛倫茲力。這種基于真實情境的探究，使抽象概念具象化：當學生自睹電子束受磁場影響的直觀證據，原本復雜的帶電粒子運動模型轉化為可感知的物理圖景。相比直接理論推導，通過制造認知沖突一獲取現象證據一重構知識體系的教學路徑，學生不僅理解了洛倫茲力的物理本質，更掌握了“從現象溯源原理\"的科學思維方法。

從指向高階思維的證據意識培育角度看，在“知識復現\"基礎上，更需要“知識重演”，使學生的學科知識形成結構化體系，真正成為形成素養的載體。在物理教學中，在真實情境的前提下，教師要盡量讓學生在探索問題中重現知識形成過程中物理學思想發展的關鍵史實，從“知識復現”走向“知識重演”7。重演的過程，是一組不斷增添問題的“支架\"引導學生進行科學探究的過程，從中串聯已學知識，并導向新知識的獲取。在這種像科學家那樣的高質量的思想碰撞和方法運用的探究中，證據意識有效促進了高階思維能力的發展。

在“閉合電路歐姆定律\"教學中，針對電源內阻這一難點，設計“知識重演\"式的探究。首先，用橙子電池驅動LED失敗，引導學生用串聯三組電池的方法成功點亮（圖3），初步建立電壓疊加的概念認知。隨后，接入 2.5V 小燈泡時再次失敗，通過干電池驗證燈泡完好，電壓傳感器測得開路電壓為2.8V，但負載時電壓驟降至零，引發“消失電壓\"的認知沖突。此時，引導學生推測電池存在內阻，進而構建可樂電池實驗裝置，調節外電阻并記錄內外電壓數據。實驗發現，外電壓與內電壓呈反向變化關系，當外電壓趨近零時，內電壓接近電源總電壓，直觀揭示了電源內阻的分壓效應。整個流程以生活化實驗為階梯，通過兩次認知沖突推動思維進階，用傳感器技術突破傳統實驗局限，使抽象概念具象化，實現從現象觀察到理論建構的自然過渡，有效培養科學探究能力與物理核心素養。

圖3串聯后的“橙子電池”

3.3 以認知沖突為學習生長點、興趣為驅動力引導學習

學生在以往學習中所構建的“舊知識結構體系”，一方面能幫助學生理解新的知識，但有時也會阻礙“新知識結構體系”的構建。在課堂教學中，教師往往會發現學生似乎學會了新的物理知識，其實還沒有將其真正融人新的知識結構，而是原來的“常識”“舊知識”嚴重影響了思維活動。從知識生成的視角看，只有持續打破學生原有的認知結構，使學生思維處于不平衡的矛盾沖突中，才能有效地調動起他們學習新知識的積極性。對此，我們可以運用實驗手段顯化證據，將新舊知識的矛盾“尖銳”地擺在學生面前，以此作為新知識的“生長點”。

例如，在“彈力\"教學中，針對學生“硬物不會形變\"的前概念，設計階梯式探究（圖4）： ① 無法觀測空瓶演示形變，通過敲擊確認玻璃剛性特征； ② 連接細玻璃管后擠壓出現液面上升，揭示放大法的科學思維； ③ 沿扁瓶短軸方向施壓，液面顯著上升，驗證體積變化； ④ 質疑熱脹冷縮時，改沿長軸方向施壓，觀察到液面下降，證偽溫度因素，確證形變本質。通過兩次矛盾實驗（同力不同方向導致液面升和降），打破“形變 軟物專屬”的迷思，構建“所有物體受力必形變\"的觀念。該設計將學生質疑轉化為探究驅動力，借助控制變量與證偽策略，實現從現象觀察到本質認知的思維進階。

圖4扁玻璃瓶示意圖、沿玻璃瓶短軸方向擠壓

不破不立。為了打破原有根深蒂固的“舊知識體系”，教師在演示實驗操作中要有意識地針對原有知識體系的矛盾點而設計，讓學生觀察和解釋實驗現象時，排除表面干擾因素，探求問題本質。例如，學生質疑“可能是熱脹冷縮使液柱上升”，那么通過設計讓液柱下降的實驗來解開學生的疑惑，疏導他們構建新知識體系。這是借助學生認知沖突，以演示實驗為載體，化矛盾為證據，促進新知識體系的構建和高階思維的形成。

除了運用認知沖突外，還可以通過提供有趣的證據來引起學生極大的好奇，促進學生主動構建證據意識。興趣是最好的老師，興趣是激發學生、培養學生核心素養的最佳方式。以“全反射\"教學為例，創新設計“消失的貓\"情境實驗（圖5）：將貓圖卡片裝入透明塑料袋浸入水中，卡片圖像消失，引發認知沖突（對比傳統激光實驗更具代入感）。通過“貓為何消失\"的懸念，自然導出全反射概念。隨后構建問題鏈： ① 定義全反射現象； ② 推導發生條件（折射率、人射角）； ③ 自主設計新實驗（如用玻璃杯觀察水下硬幣消失）。這樣的開放性實驗設計可激發學生的創新思維，學生在課后延伸出了系列簡易光學實驗：利用水杯、塑料片等材料探究光路突變、光纖傳導等現象。該設計通過生活化情境建立物理圖景，以問題驅動促進深度思考，借助低成本實驗延伸探究時空，使抽象原理具象化。學生在興趣驅動下主動整合折射定律與材料特性知識，既深化對臨界角計算等核心知識的理解，又培養科學探究與創新實踐能力，實現物理觀念與學科素養的協同發展。

圖5卡片圖案入水后消失

弗賴登塔爾談數學問題時認為，數學思維的過程是一個火熱的數學問題解決過程，而數學思想是問題解決后所形成的冰冷美麗的思維方式[8]物理學也是如此。但是，正如著名教育家張奠宙先生所說，“為了使學生容易接受，要把嚴密學術形態的冰冷美麗轉變回火熱的思考”[9]。要讓興趣回歸科學探究的過程。高階思維錨定了人的關鍵能力的先決條件之下，證據意識培育應當基于興趣激發學生的學習，基于認知沖突生發知識生長點，基于實驗引導學生進行探究性的證據獲得、證據推理等活動。顯然，培養學生的證據意識可有效促進學生高階思維能力的發展。

參考文獻：

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[9]張奠宙.關于數學知識的教育形態[J].數學通報，2001（4）：1-2.

（欄目編輯 趙保鋼）