基于科学思维诊断性测试结果的物理教学建议

强艳　赵峥

摘 要：科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，对高中生科学思维诊断性测试研究发现：不同层级、不同选考背景的学生科学思维水平存在较大差异，教师对学生科学思维水平的判断与学生的实际水平存在偏差，学生的推理论证以及质疑创新能力等方面存在严重的不足.基于诊断测试结果，提出如下教学建议：挖掘物理学知识中隐含的思想方法;创设指向科学思维的问题情境;设计满足不同层次学生需求的教学设计.

关键词：科学思维;思想方法;创设情境;分层教学设计;诊断性测试

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0019-04

作者简介：强艳（1978-），女，吉林人，硕士，中学高级教师，研究方向：物理课程与教学论;

赵峥（1978-），男，北京人，本科，科学传播系列中级职称，研究方向：科学传播.

科学思维是物理学科核心素养的四个方面之一.培养学生科学思维能力既是物理教学的目标，也是学生学好物理的保证，并且会对学生学习化学、生命科学等自然学科产生重要影响，乃至对学生终身发展及应对现代和未来社会的不确定性挑战具有重要意义.因此，物理教学应以培养学生的科学思维能力作为核心任务.

北京教科院学习诊断研究团队依据2017年版《普通高中物理课程标准》对科学思维的要素界定，对高中生的科学思维进行了诊断性测试，研究结果表明：（1）不同层级学生测试结果呈现了较好的层级关系，符合最初分层的设定，这说明科学思维能力与总体物理水平正相关;（2）同一班级由于存在多层次水平学生，教师对于学生科学思维水平的判断与学生实际情况有一定的偏差;（3）选考科目不同的学生的科学思维水平存在差异，不同学生的诊断结果有所差异，即使分数相同，学生的科学思维水平具体表现也存在差异.本文试图根据科学思维诊断性测试反映出来的具体问题，对在课堂教学中如何培养学生的科学思维提出具体建议.

1 挖掘物理学知识中隐含的思想方法

物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律.物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系[1]，是一门带有方法论性质的学科[2].因此，除了由物理学概念、规律、原理等构成的理论体系之外，物理学研究方法、思想方法等也是物理学的重要组成部分.研究团队发现：学生的科学思维诊断结果呈现明显的层级性，科学思维能力与物理学科核心素养的其它方面呈现显著正相关.进一步分析二级指标中模型建构、推理论证和质疑创新三个方面的表现，得分率依次降低，特别是质疑创新能力测试结果明显低于其他指标.结合教学实践反思，可以推断：学生在建构知识过程中缺乏对物理学思想方法的反思和提炼，导致在面对新情境问题时不能顺利进行迁移.

物理学思想方法是学生物理学科能力的重要组成部分.在实际教学中往往以知识学习和应用为主，没有安排单独的物理思想方法课，层级低的学生更难以通过自学去提升，让学生自己去领悟，耗时长，效率低.梳理物理知识的建构过程，会发现往往这个过程中蕴含着某种认识客观事物的思维方式或者研究方法这种隐性知识，而这种特定的认识方式也往往具有较高的概括性，可以在不同主题或者情境下迁移，有利于科学思维发展.因此，挖掘知识建构中的物理学思想方法具有重要意义.

在知识建构过程中的不同阶段都可以梳理出对应的思想方法.

1.1 挖掘基于事实经验抽象概括得出概念过程中的思想方法

事实经验是形象的，而科学概念是抽象的，正是科学思维完成了从形象化事实经验向抽象化科学概念的认识飞跃.在观察实验现象或事实经验之后，引导学生通过分类、建模、解释与推理等思维过程，进而在此基础上形成科学概念，这个过程蕴含着重要的思想方法.例如，在抽象过程中往往都涉及到模型建构环节，在传统物理教学中，学生很少意识到他们正在建构模型或使用模型来解决他们遇到的问题，也没有明确讨论模型的本质和功能，失去了通过科学知识的建构历程获得对知识深刻而全面的理解机会.

在教学中建模过程可以分为两步：第一步模型选择，面对问题情境，从经验中挑选一些合适的模型并进行整合，通常是在熟悉模型中选择一个适合的模型开始建模过程，这个选择的步骤需要考虑模型的适用范围，根据建模的目的，该模型应能做出有效的解释;第二步模型建立，确认所选模型相关成分与结构或重建更普适的模型来帮助学生更有效地描述与解释[3].比如，高中物理最初接触到的是质点这个模型，但是在研究带电粒子在场中的运动时，确立对象模型时需要在“质点”原有信息基础上增加“电量”这个成分（见表1），引导学生梳理“它的主要因素和次要因素都是什么？为什么可以或者不能忽略重力？”对“质点”进行重建“带电粒子”“带电质点”才能够解决对应范围的问题，根据需要完成新的物理模型的构建.经过长期潜移默化的学习，未来学生在遇到真实情境的问题时，会具备较强的提取信息建立物理模型分析问题的能力.

1.2 挖掘知识的结构化过程中的思想方法

科学教育不是给学生传授一些零碎的、不连贯的知识片段和堆积在一起的科学定律，而是围绕涉及重要科学领域的有结构、有联系的科学核心概念和模型——大概念来进行学习[4].简单来说，知识结构化就是把所学的知识要素按其相互作用、相互联系的方式和秩序组合起来，使知识由繁杂变成简化概括.当零散的知识按照一定的逻辑整合成结构化的“观念”时，学生就初步具备了应用知识分析问题、解决问题的能力，在建立结构化知识体系过程中必然涉及到不同知识彼此之间建立关联，这个关联的过程蕴含着知识背后对应的重要的物理学思想方法.在教学中将这些知识关联处的隐性知识挖掘出来，通过这样的教学不仅可以培养学生科学思维发展，同时知识的結构化也促进了学生对知识的全面深入理解.

1.3 挖掘物理实验中的思想方法

物理学以观察和实验为基础，概念规律的得出往往需要实验证据的支持，通过设计实验、完成实验获得证据的过程，学生不仅可以获得建构具体概念规律的事实证据，还可以在设计实验、完成实验的过程中促进概念体系的形成和思维能力的发展.例如，在学习光的干涉时，通过类比机械波分析光也能够发生干涉，进而设计实验观察现象，在实验操作中加深对干涉条件的认识，通过控制两个狭缝的宽度观察现象，对光建立从“光线”模型过渡到“光波”模型，体会物理模型建构过程并理解其具有适用的场景范围.

2 创设指向科学思维的问题情境

科学思维诊断测试结果表明选考“物化生”的学生其科学思维能力水平优于其他选科组合的学生，进一步对个性化测试结果分析发现，学生存在分析推理过程中思维链条断裂情况，缺乏从不同角度分析问题的思考，在学习过程中可以理解解题思路，但是当学生独立面对问题时，往往不能把所学知识与实际物理情境相结合.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，创设情境进行物理课堂教学对培养学生的物理核心素养起到了关键作用.国际经济合作与发展组织（OECD）在2005 年遴选和界定核心素养时明确指出，核心素养是个体在面对复杂的、不确定的现实生活情境时，表现出来的综合性品质.因此，核心素养的培养必然与情境相关联.2019年6月，国务院办公厅颁布的《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中明确提出对于课堂教学的要求，提倡“积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学”的教学方式[5].运用物理知识解决实际问题能力的高低，往往取决于学生将情境与知识相联系的水平，因此创设指向科学思维的问题情境对培养科学思维提升核心素养具有重要作用.

这里的问题情境指的是为了深入讨论某一主题内容而创设的以思考和讨论为主的情境，是以问题或者任务为中心构成的活动场域，学生的主要活动是思考、建模、推理论证等有利于促进科学思维发展的活动.结合物理学科自身特点，可以将问题情境分为联系实际情境、物理学史情境和学习探究情境三类.

2.1 与生产生活相联系或者是科技应用相关的联系实际情境

知识是人类从实践活动中获得的，所以知识本身具有丰富的实际内容，而表征出来的物理概念、物理规律则是抽象简约的，越是核心的概念往往越抽象，教学过程中要将物理知识与它们背后蕴含的实际事物、实际情景关联起来，让学生能够从接近真实的实际情境经过抽象分析建立并理解概念规律，进而迁移到新情境，提升解决不同情境问题的能力.因此，教学中创设的情境应尽可能联系实际，特别应该关注与学生的日常生活相联系的情境;另一方面，科学知识在工程和技术领域的应用已经对人类活动的许多方面产生了显著的影响，技术的进展增进了对自然的了解，中学生具有强烈的好奇心和参与欲望，自然对科技前沿知识充满好奇，因此教学中可以将课内与课外学生可接受前沿知识进行整合，引导学生从科技前沿创设的情境来探索所学内容，并在学习知识中获得“真正做科学”的成就感.

2.2 物理概念、规律建立发现过程中的物理学史问题情境

物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史，集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的历程，而学生的认识过程在一定程度上与人类认识的发展过程有着许多相似之处，因此在教学中恰当地运用物理学史在科学思维发展的关键节点创设情境，不仅使学生从中了解物理知识的发现和发展的来龙去脉，并且可以学习到物理学家的科学思维方法，加深对物理知识的理解，提高自身的科学素养.

2.3 学习过程中围绕某一学习主题的学习探究情境

从教学实践来看，学生对引入物理概念的必要性，或者说物理概念的意义，为什么采用这样的研究方法，不同概念的研究思路有哪些共同之处等内容的理解不够，从这几方面入手，教师通过设计问题、演示实验、学生活动等手段创设问题情境，铺设思维台阶，引导学生解决问题.例如，围绕动能这一主题设置进阶式问题驱动链：“动能可能与哪些因素有关，你的证据是什么？表达式为什么是12mv2，请分析说明理由？为什么在匀变速直线运动情况下推导出的动能定理仍然适用于变力曲线情况？”

创设情境要关注以下几个原则：第一相关性，情境要与学习内容联系紧密，相关度高，不能为了创设情境而创设，情境是为了更好地促进学生的学习而设计的;第二综合性，情境要具有较高的综合性，要能够将课堂教学涉及到的核心概念、规律、重要思想方法等尽可能设计在内;第三适应性，情境设置要由浅入深循序渐进，符合学生的认知发展规律.在教学中为了引导学生展开思维，搭建台阶设置具有梯度的问题是必要的，但需注意台阶过多反而会导致学生的思维被教师“牵着走”，缺乏独立思考的能力，在某种程度上，设置过多台阶引导学生思考与直接告知都是被动式的教学，不利于学生思维能力的提高，因此设置问题要抓住关键节点.

3 设计满足不同层次学生需求的教学设计

物理科学思维診断性测试发现：学生科学思维水平具有层级性，并且这种层级与物理整体水平层级具有一致性，教师对于学生科学思维水平的判断与学生的实际情况有一定的偏差，实际教学中由于选课走班等多种因素，许多情况下教师都面临同一班级存在多层次水平学生的情况，这是普遍存在的现象，如果长时间采用相同的教学内容和教学策略，势必会影响学生的科学思维发展.

早在2000多年前孔子就提出了“有教无类”和“因材施教”的主张，强调教育要面向全体，考虑个人特点.前苏联教育家维果茨基的“最近发展区”理论认为，从个体差异出发，把最近发展区转化为现有发展水平，并不断创造更高水平的最近发展区，可以促进学生的发展.《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，切实将物理学科核心素养的培养贯穿在物理课程的设计和实施中，基于学生在物理学科核心素养的发展水平，分层设计高中物理课程中各模块的教学.因此，不论是从学习知识角度还是促进核心素养发展角度设计，在教学设计中关注不同层级学生的差异，进行分层教学设计具有重要意义.

设计同一班级的分层教学，可以从以下几个方面进行.

3.1 梳理教学内容中隐含的思想方法

梳理教学设计中确定的教学内容，从新知建构或者问题解决环节入手挖掘可以培养科学思维能力的素材.例如，曲线运动部分，首先分析该部分的知识内容：包括曲线运动、曲线运动的速度方向、物体做曲线运动的条件、曲线运动的描述方法以及运动的合成与分解.接下来，结合上述内容从新知建构角度进一步分析知识背后蕴含的隐形知识如下：通过探究曲线运动的速度方向，可以发展学生实验与理论相结合的研究思想，提高实验观察、归纳及表述能力，加深对极限思想的理解; 通过探究曲线运动的条件，提升因果解释的能力，巩固和发展运动与相互作用观; 通过引入平面直角坐标系，运用运动合成与分解概念来描述曲线运动，加深对矢量和标量的认识，体会物理学中“化繁为简”的思想.

3.2 整合知识内容与科学思维，开发课前诊断资源

学生是学习的主体，教师的“教”是为学生的“学”服务的，这已是国内外教育研究者的共识，也是国内外课程改革的共同理念.但是，如何发挥好学生的主体地位，单凭教师的教学经验，对学生的了解是片面的，也是不够准确的，只有更加准确地、全面地了解学生的学习情况，才能更有效地促进学生的学习，基于学情分析进行的教学设计才会具有针对性，才会利于提高课堂效率.开发课前诊断资源时为面向全体学生，需从低阶思维入手，设置递进式问题，为鼓励学生学习的信心，高阶思维难度题目设置为课上或者课后拓展.课前的诊断测试由于时间安排早于课堂学习，是学生自主学习的一个环节，因此在设计测试题目中要更加关注物理概念规律的建构过程.

3.3 开发个性化学习指导资源实现分层异步教学

在实践中受课堂时间或者教学进度等因素制约，教师不得不继续下一个环节的教学任务，但是学生水平存在差异，并不能保证所有学生全部掌握，同时另外一部分对课堂内容消化吸收较快的学生，又会出现缺乏深入学习的情况，传统的教学设计没有足够的条件为每个学生提供有针对性的学习、复习和重新诊断的机会，这为学生后续的学习造成了一定程度的障碍.知识之间彼此是有关联的，推理分析等思维能力并不是空中楼阁，因此依据学生的个性问题制作个性化指导学习资源以及过关诊断，可以让学生反复学习研究并通过过关诊断来检验学习效果.在课堂面向全体学生，创设问题情境，利用讨论或者实验探究等教学方式解决学生存在的共性问题.对个别学生的个性问题进行个性化指导，个性化指导是提前录制的微课资源等学习资料包，在同一时间学生依据自身需要选择合适的学习材料，与老师同学交流，从而实现异步教学，这也是分层教学的重要环节.

3.4 设计学生课堂学习任务单，布置分层课后作业

任务单相当于说明书，课堂学习结束后学生根据说明书来自行判断是否达到目标要求，根据需求进行后续的巩固训练，如果存在问题则需要选择巩固学习，如果达标就可以选择进行拓展学习任务单同时也可以帮助教师了解学生的自我学习收获，根据学生反馈及时调整任务的挑战难度，进行后续的教学设计调整，见表2.

教师需要认识到科学思维的培养教育是长期性的，高中学生的思维正处于从感性认识到理性认识的转变过程，因此教师对学生的科学思维的培养不能操之过急，要循序渐进，需要通过科学思维与教学内容的全面整合才能实现促进学生物理学科核心素养的整体发展.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（ 2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2018.

[2]闫金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京： 高等教育出版社，2019.

[3]Dreyfus BW，Redish EF，Watkins J.Studentsviews of macroscopic and microscopic energy in physics and biology[C].2012 Physics Education Research Conference，AIP Conference Proceedings，vol.1513，New York： AIP，179–182.

[4][英]溫·哈伦（著），韦钰译.以大概念的理念进行科学教育[M].北京：科学普及出版社，2017.

[5]中华人民共和国中央人民政府网.国务院办公厅印发《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》[N].新华网，2019-06-19.

（收稿日期：2020-02-05）