近十年我国物理教育领域科学思维研究综述

陈运保 张善奎

关键词：科学思维：教学策略：测评：研究综述

思维能力培养一直是教育实践和教育研究的重要内容。我国《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）把科学思维作为物理学科核心素养的重要内容，突出了科学思维这一课程目标，由此，科学思维再次成为教学改革的焦点。不过，鉴于思维的复杂性、模糊性，一些重要問题仍有待于进一步的研究，否则将会影响科学思维教学的落实。比如，科学思维的内涵和类型、科学思维的教学策略、科学思维的评价方法等。

本文尝试对我国近十年来相关文献内容进行质性分析，综述相关研究成果，为我国思维教学提供借鉴;同时，发现其中的不足，并提出建议，为优化思维教学研究提供新的思路。

1研究设计

1.1数据来源

本研究以中国知网平台为基础选取研究对象，具体操作步骤如下：（1）使用中国知网“高级检索”功能，设置检索时间为2011-01-01至2021-04-01，设置检索主题为“科学思维”，共检索到10 868篇文献;（2）再次添加检索主题“物理教学”后，共检索到1571篇文献;（3）为排除相关干扰，通过阅读文献内容，手动去除与本研究主题的无关文献、无法阅读文献、一文两发文献以及会议记录等，最终获得有效期刊文献1165篇、硕博论文226篇，共计1391篇。

1.2研究过程

登录CNKI平台，按照上述流程检索出近五年的相关文献，筛选出引用率排名前十的文献进行预研究，通过内容分类编码初步确定文本分析框架：然后，扩大研究对象，以近五年的文献为研究对象进行内容分析，进一步完善分析框架。随后采用所确定的分析框架对全部1391篇文献进行内容分析。

2研究的发现

2.1发文量整体趋势

通过对某一领域的发文趋势研究，可以从宏观上了解该领域的研究过程与动态。由图1可以看出，2011-2016年间关于科学思维研究的文章数量较少，而2017年之后关于科学思维的研究文献呈井喷式增长。不难看出，这与2017年颁布的《课标》有关，《课标》明确将科学思维作为物理学科核心素养的重要组成部分，这引领了物理教育领域对科学思维教学的研究和实践。

2.2科学思维的内涵与类型

“什么是科学思维”“有哪些类型的科学思维”是思维教学的基础问题。不过，这些文献对此并没有深入和统一的认识，而是从以下三个方面进行分析的。

首先，多数文献是从思维形式出发对思维类型进行分类的，不同文献的分类结果不同，其中的具体类型如表1所示。

其次，有些文献是从思维方法出发进行分类的，不同学者有不同的见解，文献中提及的思维方法如表2所示。

另外，有些文献是基于《课标》中科学思维的要素进行的深入分析，主要是针对模型建构和科学推理这两个思维要素。

关于模型建构的分类，较多学者将其分为对象模型、过程模型、状态模型;但也有其他分类，如，周婷等人把高中常见的模型分为理想模型、微观放大模型、运动过程、等效替代模型和微元极限模型;赵萍萍、刘恩山基于功能视角将物理模型分为更详细的八类：尺度模型、类比模型、图像和符号模型、数学模型、不表示数学关系的图表模型、理论模型、概念过程模型、系统模型：翟小铭、郭玉英总结出了对科学建模能力定义的四种不同视角，并介绍了三类科学建模能力模型：要素模型、过程模型和水平模型。

关于科学推理的分类，俞国富等将其分为演绎推理、归纳推理和类比推理三种类型;宋雅娇等将其分为守恒推理、比例推理、控制变量推理、概率推理、相关推理和假说演绎推理六种类型。

综上所述，文献对科学思维的分类没有统一的认识，并且一般不对思维的内涵以及不同类型思维的内涵和本质特征给以明确界定，由此表明，教师们对于思维的内涵与类型的认识并不够专业、精深，而往往是依靠生活经验来界定思维的内涵和类型。

2.3科学思维的教学策略

大多数文献对“如何教”这个问题比较关注。不过，它们主要是针对物理学科核心素养提出培养策略，其中也涉及到科学思维教学策略。主要有以下内容：

2.3.1教学目标具象化

教学目标的具象化能够更好地引领教学过程和教学活动。为此，学者们提出以下观点：

（1）在确定教学目标时要具体构思内涵与培养途径，在表述教学目标时也要体现内涵和过程性要求。如，有学者主张使用“环节一要素一水平一目标”列表的形式呈现具体教学目标：有学者总结说在一线教学中更普遍的目标表述格式是“经历……思维过程，提升……思维能力。”

（2）应用目标引领科学思维教学的显性化过程。大多数学者都赞成在知识的生成过程中培养科学思维，并提出具体做法。如，何临红以。电场强度”的概念教学为例，提出在概念的起源、定义方法与图像分析过程中培养学生的科学思维能力;殷小慧分别在概念引入、形成、运用和完善环节提出不同科学思维的具体培养策略。

2.3.2创设物理情境

创设物理情境是学者普遍认同的教学策略。其中涉及到如下问题：

（1）物理情境类型

根据情境内容的来源，物理情境可分为借助生活物品、社会热点等载体呈现的生活情境，也叫具象情境;以演示实验为主的实验情境;还有游戏故事情境、习题情境和物理学史情境。

根据物理情境的功能进行分类，有问题情境、知识应用情境、模型建构情境、认知冲突情境和协作对话情境。

（2）创设物理情境的原则

创设物理情境时应该遵循一定的原则才会有利于学生的思维发展，如，符合学生认知规律、学生“最近发展区”以及切题性等原则。

（3）物理情境的呈现方式

文献中提及较多的有四种呈现方式。一是使用多媒体以图片、视频、动画的形式呈现;二是学生动手实践，增加学生的具身经验;三是教师使用语言描述;四是使用实物进行展示。

2.3.3经历科学探究

多数文献认为，在知识建立过程中让学生经历科学探究是培养科学思维的有效途径。不过，这些文献在陈述科学探究过程时主要针对的是物理实验过程，其中论述较多的内容是：

（1）有利于培养学生思维能力的实验类型

多数文献认为，有利于培养学生思维能力的实验包括：与现代教育技术相融合的数字化实验（如数字化传感器、Arduino开源电子原型平台、Python编程软件、VR可视化软件等）、创新实验、趣味实验、对比实验、开放性实验等。

（2）实验探究的教学过程

多数文献主张加强设计如下环节有利于发展学生的科学思维。一是提出问题环节。强调由学生提出问题，在实验过程中对问题进行解答。二是设计实验环节。强调对实验仪器的原理进行详细讲解，使学生不仅会做，还要知道为什么这样做。三是对实验结果的分析与论证环节。实验结果分为定性结果与定量结果，对于定性结果，鼓励学生使用掌握的知识，通过观察、分析、分类归纳、化抽象为具体等方法，推理结果产生的原因。对于定量结果，引导学生通过论证的方式，对实验误差和异常数据进行符合理论的解释与数学分析。

2.3.4问题解决策略

大量文献认为，在物理教学中应当让学生经历问题解决过程，这样不仅能够引导学生进行深度学习，还能发展学生的高阶思维能力，其中论述较多的内容是：

（1）问题类型

使用问题解决策略，首先要明确问题的类型有哪些。很多文献认为问题类型主要分为原始物理问题和真实物理问题。原始物理问题定义为“在白然界及社会生活、生产中客观存在且未被加T的物理现象和事实，其表述形式是采用文字叙述的方式来呈现物理现象。”学者们基本认同这个观点，并对原始物理问题的特点、来源以及解决流程进行研究。真实物理问题也叫实际物理问题，理论研究较少，多集中在应用层面。如，赵莹、沈志斌通过对真实问题的模型建构、问题解决、合理外推等过程达到教学目标。

（2）具体做法

如何使用问题进行教学？不同文献关注的焦点不同，汇总文献后发现主要提出了以下注意事项：①提出问题。大部分学者认为问题应当由学生提出，但没有给出“如何培养学生提问”的策略，研究多集中在教师提问策略。②追问。教师应该在符合学生认知规律的条件下循序渐进地提问、追问。③问题出現的位置可以是预习、课中和课后。④问题的选取应该具有有效性、启发性、尊重学生智能差异等特征。

2.3.5物理学史的渗透

物理学史中蕴含着丰富的教育价值，在建构知识的过程中，如何用好物理学史培养学生的科学思维也是学者较为关心的话题。但大部分学者仅停留在经验层面，且使用的学史案例多集中在运动学部分。此外，还发现大部分文献都在试图回答“引什么”和“怎么引”的问题。

关于“引什么”的文献中涉及到引入课堂的物理学史主要有以下四类：科学家的思维过程（探究过程与实验过程）、科学家的人生历程或名人轶事、科学家的科学研究方法和思想方法、科学本身的发展经历过程。

关于“怎么引”的教学方法和教学原则的探索比较多样化。如，于源影通过对HPS融人高中物理教学的现状调查，提出HPS融人高中物理教学的模式建构与实施策略，并用“牛顿第一定律”教学片段加以说明：尹庆丰针对结合物理学史教学的弊端提出“混合式”教学法：周琼琼、许敏萱分别对物理学史融人教学的情况进行现状调查分析，提出物理学史融人课堂的原则，并设计具体教案。

2.3.6改变教学模式

为解决科学思维教学方法单一的问题，学者普遍认同多个教学方法并用、多个教学方法有序结合而成的教学模式。很多文献通过理论分析或实践经验总结，提出了大量本土化教学模式。

思维显性化教学模式。学者以某种思维形式或思维方法为理论依据，依照思维发展顺序进行教学模式设计。如，韦叶平、张新玉基于逆向思维理论分别提出了倒推式教学设计和三步骤模式：林丹娜基于对高一学生推理归纳能力的调查，提出归纳推理教学框架图，并进行教学试验，证明其有效性。

问题教学模式。如，李凤姣对高一学生核心素养现状进行调查，发现学生科学思维渗透不足的问题，进而提出问题拓展探究模式流程：周玲根据原始物理问题的特点和教学经验，提出原始物理问题教学流程，并举例呈现其教学实践：吕磊在PBL导向下进行物理学科核心素养的课堂渗透，并以“力的分解”的教学为例加以说明。对问题教学模式的研究是问题教学法的进一步深化和落地，有利于直接指导教学实践。

物理学史教学模式。较多的学者围绕HPS教学模式进行了教学设计或本土化改造。如，黄采兰、袁锦奎分别根据HPS六步骤对运动学和电磁学部分的内容进行教学设计：于源影对HPS教学模式进行本土化改造，并进行案例分析;王黎倩根据《课标》与《中国高考评价体系》提出物理学史与规律教学相结合的九步教学设计。

综上所述，怎么实施科学思维教学或怎么培养学生的科学思维能力是文献论述最多的话题，表明它是我国物理教育改革中的焦点问题。文献论述了大量零碎的教学方法，也提出了一些教学模式。难能可贵的是一些文献把理论分析、经验总结和教学实践检验相结合，也有一些文献在实证研究的基础上进行教学策略研究，还有一些文献注意去论证教学策略的合理性、可行性和有效性。不过，大多数文献的总结比较宽泛、笼统，尤其是没有密切结合具体科学思维类型的内涵与科学思维过程来论证相关教学策略。

2.4科学思维能力测评

“思维教学的效果”与“中学生科学思维能力的水平和特点”涉及到科学思维能力的评价，是物理教育教学中的重要课题。本研究发现，一些文献对此开展了研究，其中，主要是高校学者进行了深入的探索，研究的内容涉及测评方法的选择、测评内容的确定和测评标准的制定等。

测评方法的选择。文献主张的测评方法主要是问卷调查和试卷测验，此外，还有访谈、课堂观察、作业观察等。问卷的编制一般以《课标》的学业水平划分或其他已有问卷为基础进行开发。如，张成香以《课标》对科学思维的学业水平划分为基础，借助Rasch模型设计物理科学思维测试量表;曹键粮参考《课标》和已有文献编制问卷，调查了中学生物理模型的认知情况和建模能力水平。除了问卷调查法以外，科学思维能力也可以通过试卷进行测评。高考考试大纲指出：“高考物理在考查知识的同时注重考查能力，并把对能力的考查放在首要位置：通过考查知识及其运用来鉴别考生能力的高低，但不把某些知识与某种能力简单地对应起来。”那么，高考试卷是如何考查学生的科学思维能力？这是一线教师非常关心的问题，因此，有很多教师期望通过研究高考试卷的命题特点得到思维能力测评的方法。如，伏森泉以《课标》中“学业质量水平”为依据研究了2016年全国10份理综卷中的部分题目，从“模型建构”“科学推理”“质疑创新”三个维度分析高考试题考查的能力类型，判断该题涉及科学思维的水平等级。

测评内容的确定。测评主要针对科学思维整体或单一思维类型进行，较多的学者对科学思维整体进行测评。如，李琬莹以《课标》对科学思维规定的四个方面为一级指标，又以“形象思维、模型建构、直观表述”等为二级指标，设置了13道主观题、1道客观题来测评学生的科学思维发展现状。对单一思维能力进行测评的文献较少，其理论依据主要是《课标》中的学业水平划分，也有其他理论基础，如SUMS量表等，不过相关研究很少。

测评标准的制定。目前使用较多的评价标准是《课标》提出的学业水平划分，有学者基于学业水平划分进行进一步细化、具体化制定出操作性指标。也有学者提出新的测评标准。如，郭玉英提出了物理学科能力表现指标体系，并详细界定了物理学科能力的一级指标与二级指标，为评价提供可操作的依据;袁媛等人根据SOLO分类理论，提出物理模型思维能力的层级。

综上所述，文献对科学思维评价的研究比较重视评价方法多样化、比较重视围绕《课标》提出科学思维的四个要素、重视以《课标》描述的学业水平标准为参考，表明《课标》对教育实践发挥着重要引领作用。不过，文献对科学思维整体情况的测评论述虽较为全面，但不深入;对于具体各类思维的测评研究较少。此外，文献对思维评价的实施过程和方法规范性论述较少。总体而言，文献对思维评价的研究较为薄弱，不利于研究者對科学思维教学进行评价、反馈和改进。

3总结与建议

总的来说，我国物理教学领域非常重视科学思维教学，尤其是2017年版《课标》的修订，引领了科学思维教学的发展。这些文献研究主要聚焦于科学思维的类型、科学思维教学策略、科学思维能力的评价等方面，还有一些研究注意了理论分析、经验总结和实践检验多方面的结合，是我国物理教育研究的重要成果。不过，这些文献也有一些不足之处，很多内容比较宽泛、笼统、经验化，在专业、精深、实证性等方面略显不足。这就需要教育理论研究与教学实践密切结合，共同优化思维教学研究的方向、方法与思路。比如，美国中部地区教育与学习实验室（简称McREL）将思维能力具体化为13种学生应掌握的推理和思考技能，包括：分类（或分级）、比较、分析（观点分析）、抽象概括、推理、归纳、论据建构、错误分析、实验探究、做出决策、创造发明、调查研究、问题解决。针对每一种思维类型，他们概括了它的内涵和关键特征、列出了它的思维过程与步骤、教师组织教学的流程、教师进行评价的问题和评价标准、学生进行自我评价的问题和评价标准。这样细致、系统、全方位的研究才有助于增强教师对思维教学的理解、对思维教学的实施和评价。其研究思路值得我们借鉴。