物理教学中基于问题的高阶思维培养策略-新.doc

物理教学中基于问题的高阶思维培养策略

曾 志 旺
（玉环县楚门中学 浙江 台州 317605）

摘 要：高阶思维是学生创新素养的一个核心要素，有效地培养学生的高阶思维能力是物理教学的追求。本文阐述了高阶思维的基本内涵，提出基于问题的高阶思维培养的5种策略。
关键词：基于问题 高阶思维 培养策略
思维能力从来就被视为创新能力的重要因素。不论是对生活、科学的态度，还是特长发展的选择，或是问题解决的实践，都离不开思维的发展，特别是高阶思维能力（High Order Thinking Skills ）的发展。高阶思维是学生创新素养的一个核心要素，有效地培养学生的高阶思维能力是物理教学的追求。
1 高阶思维的基本内涵
按照心智活动或认知能力，思维分为高阶和低阶思维。高阶思维是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。美国学者瑞斯尼克（Resnick）认为，高阶思维是不规则的、复杂的，能够产生多种解决方法，需要多种应用标准，自动调节，且包含不确定性。布鲁姆对学习者的思维发展从认知角度细化为具体可操作的六个层次（2001版，右表）。其中，分析、评价和创造称之为高阶思维。
国内教育界也认同高阶思维是较高认知水平上的心智活动或认知能力，是一种跨学科、跨知识领域，能对思维予以评价的思维。它是生成性思维和批判性思维的互补运用，是一种创造性的跨学科知识的思维。高阶思维是高阶能力的核心，直接表现为创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力，是适应知识时代发展的关键能力。
2 基于问题的高阶思维培养策略
通过解决问题来学习的思想由来已久，从苏格拉底的谈话法到杜威的问题教学法、
布鲁姆的发现学习法，都是以问题为中心的学习方法。物理教学中巧妙地设置各种问题，实现对知识自主建构和深度理解的同时，进而有效培养学生的高阶思维能力。
2.1 设置阶梯性物理问题，在低阶思维的基础上提升高阶思维
把一个复杂的、难度较大的课题分解成若干个相互联系的子问题、或把解决某个问题的完整的思维过程分解成几个小阶段，从而形成的阶梯性问题，能有效地把学生的思维引向新的高度。阶梯性问题的设置应考虑适应性和针对性，即针对学生已有知识、心理发展水平和学习材料的难易程度；其次应具有序性和阶梯性，即针对知识的系统性和学生认知发展水平的有序性。阶梯性问题坡度适中、排列有序、形成有层次结构的开放性系统，能有效地实现思维由低阶向高阶的转换，从而培养高阶思维能力。
案例1 在进行“电阻定律”课题教学中，研究导体电阻的大小究竟与哪些因素有关，我们通过分解形成如下阶梯性问题：
（1）导体电阻的大小可能与哪些因素有关? 试根据已有知识进行猜测。
（2）导体的电阻与各相关因素的关系可能如何? 试猜测。
（3）如何通过实验确定导体的电阻和长度、横截面积、材料的关系? 试设计实验电路。
（4）在检验导体的电阻与各相关因素的关系时，实验条件应怎样进行控制?
（5）由本实验可以看到，对多因素的问题要通过实验确定各个因素的作用，其基本方法是什么? 等等。
问题（1）（2）比较简单，涉及的认知维度是学生已有知识和经验的回忆和简单应用，思维的层级是低阶思维。在此基础上提出的问题（3）（4）（5）需要进行有效的分析、运用“控制变量思想”和创新设计实验方案，并对实验全过程进行反思和评价，形成物理基本观念，涉及的认知维度属高阶思维。
2.2 设置开放性问题，在思维的动态变化中培养高阶思维
封闭性问题具有静态、唯一的特征，没有灰色地带，认知和思维是单一的，传统物理教学问题往往是封闭的。开放性问题是一类思维要求很高的问题，具有智力挑战性。它或因条件是多维的，导致答案多元化特征；或因条件是变化的，导致分析方法的不同和结果的变化；或者因思维途径的开放性从而导致解决方法的多样化。开放性问题的解决，往往需要学生进行深度的分析、评价、创造→分析、评价、创造…。开放性问题有利于培养学生创新意识、独立思考能力，有效培养学生的高阶思维。一题多解、多联和多变等开放性问题均可以使学生产生多向联想，实现高阶思维培养。
案例2 “探究功与速度变化的关系”课题教学中，教师设置初速度为零的简单模型，提出如何设计实验方案? 学生在实验方案的设计过程中不断调动原有认知和实验经验（分析、评价、创造→分析、评价、创造→…），非常有效地实现着高阶思维的提升。在设计方案时，需要思考以下两个问题：一是如何间接或直接测量所做的功W；二是如何测量某时刻的速度V。学生结合对问题的思考，提出了如下可行的方案。
⑴ 借助于改变橡皮筋的根数改变做的功W。设计如图1实验方案（人教版教材中的方案1）。
⑵ 借助于功的定义改变做的功W。
① 合力不变，改变位移。学生联系已学的知识，将“研究自由落体运动”和“探究加速度和力、质量的关系”的实验装置迁移过来，形成两种方案：一、如图2，借助于刻度尺在纸带上测出重锤多次下落的位移，计算出相应的速度。……；二，如图3，“小车”受到的合力为恒力，测出多次实验时纸带上研究对象相应的位移，计算出对应位置的速度V。……
② 位移不变，改变合力。将气垫导轨倾斜放置，如图4。滑块受合力F=Gh/L。控制滑块到光电门的距离x不变，通过改变导轨左侧垫起的高度来改变合力做的功W，具体操作：垫1块垫片、2块、3块…对应合力功为W、2W、3W…，通过探究垫片个数n与滑块上遮光条通过光电门时间的倒数1/△t的关系，就能得出W与速度V的关系。

2.3 设置批判性问题，在批判与思辩过程中发展高阶思维
批判性问题不仅可以培养人的洞察力、辨别力和判断力，还能激发人的敏锐智慧、
反思能力，以及创造能力和独立思考的能力。从认知维度看批判性问题的解决，需要对整个过程进行分析、检查、探测、判断、评论等，若问题的方案和结论存在错误，还要引导学生进行创造，以生成可行的方案和正确的结论。因此，设置批判性问题，组织学生展开“学术辩论”不仅能够促进学生对知识的深度理解，更能有效地培养学生的高阶思维能力。
案例3 静电场复习时，笔者布置了一道练习题。如图5，两个带+Q 的电荷相距 2a，在它们形成的电场中，有一带负电的粒子（不计重力）正在作匀速圆周运动，试问该粒子的轨道应在哪里?有的学生说是在两个点电荷之外的距离较远的圆周上；有的说是在绕着某一单个点电荷的圆周上；有的说是在绕着一个核转动且正对另一个核的位置上；也有的说是在垂直于点电荷连线中点的平面上；还有的则拿出了二价原子（核内有两个质子）核外电子的模型作为佐证等。笔者组织学生进行辩论。辩论中要求学生讲清自己的理由，找出他人的错误，以理服人。
经过激烈争论，同学们从核外电子轨道的佯谬到电子云的形状，从几率的意义到衍射条纹的实质，进行了条理分明的阐述，明确了这两种模型的不可能性、及粒子绕双荷做匀速圆周运动的不可能性。 辩论中，同学们还对粒子重力不能忽略的情况做了进一步的发挥——可以在以点电荷连线为轴的上方平面旋转，并计算了这种情况下的回转半径以及与点电荷的距离。
上述教学在课时使用上是较为“奢侈”的，但从培养学生高阶思维的角度看，确实值得！在开放、宽松、自由的思维环境里设置批判性问题，组织学生进行“学术”交流和讨论，学生自由思考、批判、评价和创新，培养着高阶思维能力。
2.4 设置原始物理问题，在知识的创新应用中培养学生的高阶思维
原始物理问题指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的问题，具有情境
性和复杂性特征。其教学如图6示。当学生面临真实性问题之“头”时，由于只暴露了现象的某些特征，难以作出有效的判断，只能创新应用已知的事实或理论，运用非逻辑的方法形成适应性的领悟，提炼“物理图像”使认识走出关键的一步。当学生面临问题之“尾”时，同样需要借助于直觉和反思判断结论的合理性。因此，设置原始物理问题情境，同时提供探索的时空。在学生深度思考和创新应用物理知识、观点、方法的过程中培养学生的高阶思维。
案例4 《中国青年报》1990.12.25 报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电——“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摆动愈发剧烈，船体横摇已达150，最高达270…为了减小船体摇动，船上已采取了新的减摇措施，为此航速已减至10节。”为什么通过减速能实现减摇?（波浪冲击力的频率接近轮船摇摆的固有频率时，轮船摇摆幅度最大。）
怎样思考和解决这样一个原始问题呢? 先看两种特殊情况：（a）船的速度方向和波浪传播的方向在同一直线上；（b）船的速度和波浪传播的方向垂直。
（a）设船的速度为，波浪的速度为，则波浪相对船的速度，式中正方向与相同。波长相对运动着的船不变，即，波浪相对船的频率

（b）此时波浪相对船的速度，波速是波的传播速度，在垂直其传播方向上观察，观察者的运动不影响结果。故，波浪相对船的频率
任意方向的速度分解成上述两种情况，则可以得到一般结果，当船以速度与波浪传播方向成角航行时，波浪冲击力的频率为。为了避免与的接近，人们往往通过改变轮船的航向和速度以达到两者远离的目的。
上述原始物理问题解决过程中，从方法角度看运用了物理模型方法、归纳推理方法、分析和综合方法，从认知层次维度看则运用了分析、评价和创造思维。因此，有效地培养了学生的高阶思维。
2.5 设置探究性问题，在探索与综合过程中促成学生的高阶思维
探究性问题一般没有明确的条件或结论，也没有固定的形式和方法，要求学习者。认真收集和处理问题的信息，经过观察、分析、综合、归纳、概括、猜想和论证等深层次的探索活动，并认真研究才能获得解决问题的答案。开放性、操作性、探索性和综合性是探究性问题的重要特征。探究性问题涉及的基础知识和基本技能十分广泛，在问题解决过程中需要创造性和探索性，解决问题的方法也必须灵活多变，在探索与综合过程中促成学生高阶思维的形成。
参考文献
1 林勤. 物理教学中培养高中生高阶思维能力的思考. 物理教学探讨，2014（11）
2 李贵安. 中学物理教学中高阶思维能力的培养探究. 物理教师，2015（8）
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4 林勤. 在物理概念、规律教学中培养学生的高阶思维能力. 物理教学，2015（4）

2016-11-28
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