创设物理问题情境 发展高阶思维能力

李俊永 许光曙 王长江

（1.仁怀市周林高中，贵州 仁怀 564500；2.吴江经济技术开发区实验初级中学，江苏 苏州 215200；3.安徽师范大学物电学院，安徽 芜湖 241000）

《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）指出，创设情境进行教学对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用，认为物理概念的建立、规律的探究需要创设问题情境，应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境.发展高阶思维能力是落实核心素养的重要形式，借助问题情境发展高阶思维，促进素养形成具有较大研究价值与实践意义.

1 问题情境与高阶思维培养的实践模型

1.1 概念内涵

问题情境指将问题蕴含于特定的场合（环境）之中，就是当学生面临这种特定场境时，根据已有的知识或经验不能加以解释，导致认知失衡，从而产生困惑，且又急于消除这种困惑的一种心理状态.“境”就是提供认知场景，促进意义构建；“情”就是形成感情上的共鸣，达到情理交融的境界，产生学习兴趣，［1］具有合教学规律与认知心理的人为性特点.物理问题情境是教师将学生置于探索未知物理原理的教学环境，使学生经历激疑、生疑、释疑和明了的过程，是学生在提出问题、思考问题和解决问题的动态过程中主动参与物理学习引发积极思维与物理能力培养的环境.美国教育研究中心的Bloom教授对思维学习自低到高分为记忆、理解、应用、分析、评价、创新.一般而言，高阶思维指分析、评价和创新.江西师大钟志贤教授认为综合能力应当划入高阶思维，教师可以根据目标分类图式反思自己的教学是处在低阶思维（知道、领会和应用层次）还是处在高阶思维层次（分析、综合和评价）（图1）.［2］

图1 理论模型

1.2 建构模型

当下高中教学关注的重点依然是概念理解与规律掌握，忽视了分析问题和解决问题等思维能力的培养，教学重点依然放在低阶能力的培养上，严重阻碍了高阶思维能力的发展.［3］关于问题情境与高阶思维培养有两个问题需要重视，问题1：问题情境与高阶思维能力培养到底有何种关系？教学实践如何表达这种关系？问题2：高阶思维的结构是线性的还是非线性的，具体课型的问题情境如何与之相融合？

首先，创建了分析能力的发展基础.分析能力是人在思维中把客观对象的整体分解为若干部分进行研究、认识的技能和本领.问题情境的功能之一就是让学生产生困顿心理，达到懂其理却不可名状之态.这是分析能力形成的心理学基础.分析本身具有指向性和对环境的依赖，因为分析不能自动发生，创设问题情境需要带着明确目的去设计学习环境.例如展示游乐场中摩天轮做圆周运动的生活场境，让学生建立模型分析向心力的来源，展示瀑布下落自然场景，让学生分析动能从哪里来等，这行问题情境都是分析能力发展的基础.

其次，提升了综合能力的培养效能.综合能力简指整体能力，是把客观存在的各个要素、层次和规定性，用一定线索把它们联系起来，从中发现它们之间的本质关系和发展的规律.问题情境饱含着丰富信息，当它引发学生沉思、联想和想象等状态时，学生将会产生不竭的学习动力，学习思维将会实现外驱向内驱转化，学生“思维之键”于此处启动，积极思维促使高效思考，综合能力得到生长.比如在验证力的平行四边形定则的实验中，首先让两个学生提起来一桶水，再由一个学生提起同样一桶水，借助这样的实际情境让学生思考如何确定合力与分力，需要哪些实验器材，有需要注意哪些问题？最后让学生动手进行实验.该过程较好地发展了学生的迁移、物理建模和联想的能力.

再次，搭设了评价能力的形成平台.评价能力指根据所获取资料、证据等信息对事物、现象做出评估性结论的能力.问题情境中评价能力的形成在于信息与证据获取、信息筛选与甄别、事实分析与判断和结论形成与反思.基于问题情境的评价是情、理、人的统一，是外部情境、实在规律和主体判断的统一体，是主客观交互的过程，是评价发生的平台和载体.比如通过传动带运输货物的情境学习摩擦力方向，让学生思考静摩擦力是否一定发生在静止的物体之间，在质点概念形成的过程中教师呈现各种不同的运动情景让学生评估质点概念在不同情景的适切性.

最后，诱发了创新能力的启动程序.创新能力是由部分思维能力综合而来，主要包括系统性思维能力、创造性思维能力和实践能力.钟启泉教授指出发展高阶思维，要以高阶学习活动予以支持，要开展问题求解的学习活动，要形成知识共享、互动合作的学习模式，注重环境营造，注重教师有意义地引导.创新能力是高阶思维能力的最高层级，将思维问题化，实现问题情境化，学会在情境中思考问题.就教学而言，问题情境必然以学习者为中心，能够支持高阶思维活动，注重从不同视角挖掘问题情境的思维线索，能够有效地培养系统思维能力，发展创造性思维.当思维活动与问题情境实现深度融合时，创新能力的启动键将被触发，创新程序得以诱发.

2 促进高阶思维能力发展的教学实践

高阶思维能力发展需要与具体教学活动相融合.笔者以“速度”教学为例设计了问题情境在发展高级思维能力过程中需要经历认知冲突、境理相错、反视评价和应用创造4个进阶过程.

2.1 借用“冲突情境”发展分析能力

新课导入应着眼于思维触动，于平常之现象挖掘有用之问题，依托情境搭载思维，凭借“问题”发展分析能力，冲突情境基于认知冲突通过情境对思维的刺激实现思维由平衡态向不平衡的转化.新课伊始可设计如下过程：（1）教师播放飞机、汽车、摩托车赛跑的视频并展示短跑情景与运动员在各个位置的时刻数据；（2）让学生在视频播放前先说一说对3种交通工具的基本看法，在观看后思考如何解释看到的现象并依据初中所学知识，初步提出“描述运动快慢”的办法.

教学实践中“飞机跑的快摩托车跑的慢”是学生的普遍认识，问题情境的呈现颠覆了学生的原有认知.教师应引导学生观察并思考生活中与运动有关的现象，在视频和数据分析的“冲突”中反思自己的错误认知，结合自己的生活感受感知运动现象，借此发展分析能力.

2.2 利用“境理相错”培养综合能力

境理相错是指把问题情境与物理道理按照教学逻辑相融合，培养综合能力就是建立问题情境与物理规律之间的关联，做到情境思维化，思维问题化和可视化，调动学生感官促使深度学习发生.当学生产生认知冲突之后，如何剥离错误认知保留合理经验实现认知科学化首当其冲，这是综合能力培养的基本过程.

首先，教师提出问题——如何描述运动的快慢，为什么描述运动方向需要把路程改成位移，为什么不可以使用时间与位移的比值描述运动的快慢.学生需要提出比较运动快慢的具体方案，思考如何解决所提方案中“运动方向”的问题，结合自身生活体验分析用时间与位移的比值描述运动快慢的弊端.紧接着教师诱导学生分析初中阶段速度概念与高中阶段速度概念的不同，结合生活实际提出概念建立需要切合认知习惯，促进综合能力.其次，创设绕圈实验——教师围绕教室走动一圈.提出如下问题，整个过程平均速度如何，如何描述运动员在某一时刻运动的快慢，平均速度与瞬时速度有何区别及联系.学生则利用圆规画圆，思考瞬时速度为什么是平均速度在时间趋于0时的极限值并说明其物理意义.该过程通过对运动时间逐渐变短的分析，让学生体会极限思想，培养具有极限意识的科学思维，形成平均速度与瞬时速度的概念.

上述两个步骤在综合能力培养过程中，始终依托问题情境，在问题分析中让思维逐层递进，既顺接先前问题情境，又创设绕圈运动的演示实验，在实验与问题分析中把握科学方法掌握物理概念，综合能力得到有效培养.

2.3 依托“反思评价”促进评价能力

速度概念学习过程中如何评价科学概念的合理性与可行性值得研究.这涉及到评价能力培养的问题.表现在两个方面：（1）“瞬时速度是平均速度在时间趋于0时的极限值”仅仅只是思辨分析的结果，它的正确性需要进一步探索和深化；（2）为什么速度概念的建立采用位移与对应时间的比值，不沿袭路程与时间的比值，或者将比值因子双方位置对调建立速度概念，依然需要深度思考和正确评价.

创设实验情境弥补思辨缺陷.利用打点计时器分析平均速度和瞬时速度评估二者关系.首先教师介绍打点计时器的工作原理，演示使用规范.其次学生设计实验方案、利用打点计时器打出一条纸带、处理实验数据，计算平均速度，根据近似法算瞬时速度，得出科学结论深化极限关系.该过程依托实验情境培养了学生解决问题的科学探究能力，深化了平均速度与瞬时速度的概念，对两者关系的评估起到了确证作用.

例举同类概念推定认知佯谬.将速度与密度进行类比.速度和密度在建立的过程中都采取了比值定义法，这是利用密度来评估速度的理论基础.如果将密度定义为体积与质量的比值，那就意味着在质量不变的情况下，同一物质体积增大的情况下密度也将增大，体积不变时如果质量变大则密度减小.这显然是不对的.对一个运动过程而言，如果采用时间和对应位移的比值定义速度，那么在位移不变时间增加时速度将会变大.这就与速度大时间短的基本认知相差太大.该过程中，同质概念的类比推理及速度概念自身的直接比较对评价能力的培养尤为重要，教师需要让学生明白评价某个概念建立的可行性既可以从概念自身出发还可以通过具有同类方法属性的概念入手.

2.4 凭借“应用创造”实现能力创新

课堂教学中的能力创新并非指让学生创造出一套前所未用的东西，主要指让学生实现能力提升形成区别于他人对相同事物的不同见解，抑或能够联系所学知识创造性的解决教师所提出的问题，抑或自己提出问题形成方案并解决问题经历类似科学探究的过程.实践是创新的源泉，教学中教师应当尽可能引导学生在知识应用的学习实践中提升创造力，培养创新品质，尽可能多地在应用创造的过程中发生高水平的思维活动，整合已知信息，推理判断，创造性地得出解决方案.

此时，教师可展示交通工具历史演进的图片及其对社会发展的实例，并介绍交通事故案例等生活情境，让学生思考交通工具的速度是不是越快越好，如何解决超速问题.学生则以小组讨论形式分析交通工具的速度与社会、生活的关系，陈述利弊，提出限速、区间测速和智能交通等解决方案.

需要明确的是，针对上述生活情境，教师提出的问题或者学生研究的问题具有开放性特点.因为只有开放性问题才能最大限度地培养学生的发散性思维，恰恰它是能力创新所必须的，所以创新能力所必需的思维高于发散性思维表现出了聚合性特点.其次，我们始终不能割裂生活情境的教学属性，教师所呈现的情境应当服务于教学，依附于情境的问题过于宏大则会超越课堂，然而学生并不是现实的设计师或发明家，所设置的问题情境只是给学生朝该方向发展埋下一颗会发芽的种子而已，当然也不能过于平淡细微，那样会使思维培养的品味降低.

3 教学实践对理论的回应

教学实践与教学理论分属不同领域，课堂教学既是理论应用于实践的场所，也是实践与理论相融合并检验理论的实验田.课堂教学以其丰富充实了理论，以其多样化拓展了理论.笔者尝试从实践的角度回答1.2节第一段中提出的两个问题.

关于问题（1）.本节课设计了4个情境：飞机、汽车、摩托车赛跑的冲突情境，打点计时器应用案例的科学实验情境，师生做绕圈或画圈运动的生活情境，密度与速度基于科学方法的类比情境，历史与现实相呼应的问题情境.按照普遍的教学认知，一节课应当包含课堂导入、新知学习、理解深化、应用巩固和作业思考5个主要环节，理解速度概念建立过程中的比值定义法（科学方法）、科学思想（极限思想）对本节教学意义重大，而这也是本节教学的重点和难点，教学实践需要回答怎样导入新课，怎样落实比值定义法，怎样落实极限思想，解决的是“怎么办”的问题.我们认为与“怎么办”相联系的高级思维能力包括分析能力、综合能力，教学导入环节通过冲突情境诱发思维，培养分析能力，展开新知学习及深化理解环节通过实验情境与绕圈的生活情境培养综合能力，落实科学方法与思想教育.

另外，解决“为什么”和“怎么样”这两个方面亦不可或缺，它是培养学生创新能力与批判性思维的关键，换言之为什么采用位移与时间的比值定义速度而不采取时间与位移的比值定义速度，或者采用时间与位移的比值描述运动快慢会怎么样，以及为何交通工具的速度不是越大越好，或者说交通工具速度越大就越有利于现代文明的发展吗等问题需要在课堂教学中予以重视.笔者认为与之相联系的高阶思维能力包括评价能力和创新能力.在知识巩固环节利用打点计时器的操作案例评估与验证思辨结果的正确性，利用密度概念建立过程所用方法与速度的一致性找到类比情境评价速度概念建立的合理性.在作业思考环节利用问题情境促进学生思考科学、技术、社会与我的关系培养学生创造能力.

关于问题（2）.教学是多维的、非线性的，发展何种高阶思维受制于教学主客观环境，所以不同高阶思维对应于不同的问题情境，同一高阶思维可以利用不同问题情境培养.反过来相同的问题情境也可以培养层次各异的高阶思维.换句话如果以问题情境为自变量高级思维为因变量，那么他们的关系就是非线性的.利用打点计时器来验证极限思想培养了评价能力与综合能力，飞机、汽车、摩托车赛跑的冲突情境培养了分析与概括能力，依附于生活情境的问题链则有利于分析与综合能力和创造性思维的发展.对具体课型教师应当认真分析需要培养的思维类型、遵循非线性关系合理选择问题情境围绕“思维”设计教学，实现情、境、理自洽融合，让问题情境成为思维发展强有力的支撑.

4 研究总结

虽然问题情境具有具有教学属性有预设的特点，我们却不能忽视情境的自然属性，即情境的真实性.情境越真实思维发生的过程也就越自然，创设冲突情境就应体现情境之真与认知之实，据此培养分析能力.不能忽略情境的科学理性，建构和谐课堂应当借“境”学“理”、借境悟理，在境理相错中有意识的培养综合能力.不能抛却知识间的固有逻辑，依据这种逻辑确定情境间和情境内基本问题的关系.根据这些关系调动元认知表达情境的育人性，促进评价能力提升.不能轻视情境的实践性，教师应引导学生在情境中实践所学，在应用中实现创造，培养创造性能力.