在物理教学中培养高中生高阶思维能力的思考_思维品质论文

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      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的发展。因此，高阶思维既是高中生创新素养中的一个核心要素，也是物理教学中对于学生培养的追求。

      一、高阶思维与高阶思维能力的培养

      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。我们可以看一下2001版Bloom教育目标认知分类的情况（见表1）。确认了较高层次的认知过程和心智发展水平属于高阶思维的范畴，它在教学目标分类中表现为分析、评价和创造。

      国内教育界对高阶思维的描述不多，但也认同高阶思维是较高认知水平层次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，自富于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。高阶思维能力是知识时代对人才素质提出的新要求，是适应知识时代发展的关键能力。

      高阶思维与高级思维是容易被混淆的两个概念。高级思维是一个相对性的概念，是一种思维相对另一种思维比较而言的。例如，抽象思维相对于形象思维，可以称为高级思维，立体思维相对于平面思维也可以称为高级思维。高级思维不仅具有相对性，还会随着思维者年龄的增长，阅历、思维水平的提高而变化。高阶思维则对应着认知水平和层次，是根据教学目标分类确定的，对它的描述，有较为确切的认知行为动词解释。

      关于高阶思维能力的培养，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——要以学习者为中心；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。同时还应该注重交叉学科知识的学习，注重环境营造，注重教师有意义地引导。香港学者陈浩文博士在谈到如何提升高阶思维时也指出：要提升高阶思维，就要培养学生的论证、反驳、筛选和利用信息的能力；要培养学生的公民意识、判断、决定能力；要理解学科的思维方式。

      

      思维能力从来就被视为创新能力的重要因素。不论是对已有知识或已有作品的审视反思，还是新知识的融合、构建，新项目的设计完善，问题解决的实践，都离不开思维水平的支撑，特别是对应于“创造”等级的高阶思维能力的支撑。

      二、物理课堂教学中高阶思维能力培养中的关注点

      1.关注高阶学习活动方式组织教学

      培养高阶思维，需要以高阶学习活动方式组织教学，“分析、评价、创造”需要建构“概述、构造、检查、表述”的课堂环境，搭建学生“评论、判断”的思维碰撞平台，从而达到“产生、假设、规划、设计、创作、发明”的目标。经过多年课改的实践，广大物理教师对高阶学习活动方式是非常熟悉的。比如，“问题教学法”、“抛锚式教学”、“脚手架教学”、“合作学习”、“讨论式学习”、“探究式教学”、“头脑风暴”、“学徒式学习”等，许多都是教师们耳熟能详并已广泛用于课堂的行之有效的教学方法。只要在使用这些教学方法的过程中，不流于形式，能体现高阶思维培养的核心要素，注重“分析、评价、创造”，高阶思维能力培养就能落实在课堂物理教学中。

      案例1 静电场复习

      静电场复习时，笔者布置了一道练习题。如图1，两个带+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？呵，这下热闹了。有的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。笔者没有直接否定哪一种说法，而是组织学生进行辩论。辩论中笔者要求学生讲清自己的理由，找出他人的错误，以理服人。经过一番激烈的争论，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比性，以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。

      

      这节课给学生留下了深刻的印象，不仅这一部分的知识要求得到了落实，学生的思维也得到了较好的训练。尽管这样的教学，在课时使用上较为“奢侈”，但从培养学生高阶思维的角度看，确实是值得的。演讲、辩论等教学组织形式最大的特点，是提供了开放、宽松、自由的思维环境，让学生自由思考、批判和表述，对学生高阶思维能力的培养，具有积极的意义。

      2.关注物理课堂中思维教学内容的渗透

      为了培养高阶思维，可以开设一些专设课程，比如，思维课程。在这个课程中，可以让学生学习思维方法，体会不同思维方式的差异。但是物理教学毕竟不能等同于思维专设课程的教学，只能在教学中利用物理问题，有目的地渗透思维发展的内容，提高学生的思维品质。

      案例2 如图2所示，给出了几根蜡烛、一盒火柴、一盒图钉，一段绳子，如何把蜡烛竖直在墙面？并分析蜡烛所受的力。

      

      蜡烛除重力外所受的力，取决于蜡烛在墙面竖直的方式。蜡烛在墙面竖直的方法很多，如，利用绳钉悬挂法、利用蜡油粘合法等，最简单的则是将蜡烛直接放在地面、靠在墙面（虚接触）。不同的操作方法使得蜡烛的受到的力的性质不同，如果只从物理角度分析力的性质、大小、方向等问题，这样的教学是标准的。但如果注意到学生高阶思维的培养，可以从蜡烛在墙面竖直的方式，进行思维方法的教学渗透。

      蜡烛在墙面竖直方式的问题，有点像“脑筋急转弯”，但却打破了学生的思维定势。所谓思维定势，是指人们习惯使用常用的思维方式来看待和解决问题，形成的固有的思维习惯。例如，在这个问题中，看见绳钉就想到了悬挂，看见火柴蜡烛，就想到了点燃，这就是思维定势。在解决问题的过程中，人们能否摆脱事物的固有功能以适应新的问题情景的需要，常常成为解决问题的关键。原有的一些习惯有时会节省时间，提高效率，但有时又会阻碍思维的发散。要提高认知水平，就需要在集体的头脑风暴中不断汲取别人的思维所长，修正自己的观点，使分析、综合、评价和创造能力得以提升。

      3.关注学生讨论发言的批判性思维成分

      现在的教学方法，绝大多数都具备“问题教学”的特征。在这一类型的教学方法中，学生的合作学习、讨论交流环节是不能缺失的。如果学生在交流过程中，只是介绍自己的方法或方案，那还不够，至少缺失了对方案的评价。通过观察、倾听、分析，发现他人问题解决方法的不足，及时指出（评价），并做出修改完善，甚至另辟蹊径重新设计（创造），重新予以评价，这样的思维过程既包含了生成性思维，又张扬了批判性思维，符合了高阶思维能力培养的基本要素。

      案例3 静电除尘现象的解释

      通过实物投影仪，讲台上的装置被清晰地投放在大屏幕上。一个广口瓶，橡皮塞中央插了一根铜棒，瓶身外绕了几圈粗导线。一个直流高压电源通过开关，一端和铜棒相连，另端和粗导线一端相连。教师向学生介绍了整个装置后，打开橡皮塞向瓶中喷入浓烟，然后塞紧瓶塞。只见瓶中烟雾弥漫，一片浑浊。然而，随着开关闭合、五万伏高压的加载，瓶中的烟雾浑浊立刻消失，瓶中又重新恢复了清澈透明。

      同学们被这像魔术般的“表演”完全吸引住了。数秒的沉寂后，教室里开始了热烈的讨论。同学们一边分析，一边争论，几个同学甚至围住了讲台，仔细地审视各个装置，大家都想尽快搞明白烟雾是怎样消失掉的。几分钟后，教师将同学们的观点进行了集中：（1）瓶中形成了磁场，烟雾分子因磁场吸引而消失；（2）瓶中形成了电场，带电粒子因电场力作用被吸附到铜棒和瓶壁上。

      “瓶中怎么会有磁场呢？”有同学开始质疑了。“铜棒和导线没有构成回路，没有电流，不可能形成电流的磁场。”也许是被“点中了要害”，提出磁场的同学接受了其他同学的观点。全班同学的意见开始趋于统一了。

      “烟雾中有带电粒子吗？通常物体都是电中性的呀。”不知哪位同学嘟囔了一句。教室里寂静了，也许是同学们都没有想到的缘故吧，大家都不知该怎样回答，讨论也开展不起来了。

      “我为大家重新做一遍实验。不过，这次我要调整电压，请大家注意瓶中的效果。”教师说着重新开始了操作，只是瓶中充满烟雾后，电压调到了三百伏。“没什么效果嘛。”有同学开始小声议论。电压继续上升了，五百伏、八百伏……每隔几秒，电压都重新调节一次，上万伏了——瓶中的“魔术”再次重现了。

      “为什么电压低的时候没有效果，一定要加到几万伏的高压呢？”“是啊，几百伏也应该有电场，照理说也应该对带电粒子有电场力呀？”同学们的情绪又一次被调动起来了。这次，问题的关键变成了为什么要加载高压？高压的作用效果到底在哪里？

      “即使是低压，电场还是存在的，没有效果，只能说明烟雾粒子不是带电粒子。”“高压产生了效果，说明高压时烟雾粒子应该是带电的。”“低压时粒子不带电，高压时粒子带电，难道粒子是被催化了吗？”

      “电离，对，是电离。高压使电中性的分子电离了。”“电中性的分子被电离，形成了带电粒子，带电粒子在电场中受电场力作用运动，吸附到瓶壁和铜棒上，烟雾就消失了。”

      同学们经过讨论、研究，终于完成了对“静电除尘”的解释。在随后的课堂点评中，教师一方面肯定了学生的讨论结果；另一方面，重点对学生的讨论过程进行了分析，尤其点评了“磁场作用”和“烟雾带电”两个假设的否定过程。教师鼓励学生通过实验、观察和分析，去否定、批判和假设，从而提高自己的认知水平和思维水平。

      4.关注“一题多解”的指向性

      “一题多解”要求学生不为解题定势左右，通过生成性思维，获得更多的解题方法。但是新的解题方法是技巧上的提高，还是解题思维上的变化；是在他人基础上的改进，还是自己全新设计，需要教师有所关注，才能正确点评和激励学生。

      案例4 某个做匀变速直线运动的物体，通过连续两个相等的位移s时，经历的时间分别为

和

。试求该物体做匀变速直线运动时的加速度。

      该题的常规做法是设出初速度、加速度和时间，代入运动学基本公式即可求出。另一种做法是利用平均速度，分别求出两段位移的时间中点的瞬时速度，然后根据加速度定义求解。为了关注学生的思维培养，教师请学生介绍他们是如何思考的。

      学生A：我也试着用基本方法求解，可是方程几处都出现了二次函数，求解太麻烦了，我相信应该有更简单的办法，于是就想到了用平均速度来解。

      学生B：我仔细地审题，发现题设条件隐含了平均速度的概念，我就选择了用平均速度求解。

      可以看出，B同学从接受信息开始，“分析”、“评价”就开始同步，而A同学“分析”过程不够仔细，也未能及时评价，碰到钉子后才进入“评价”过程，效率较低。当然A同学在对原求解方法的评价中表现出来的较为明显的批判性思维，是应该值得肯定的。如果教学中教师的关注点只是两种解题方法本身的比较，就不可能对思维的发展做出较为有效的评析。

      案例5 光滑大环被轻绳悬起，从环的上端释放两个套在大环上的小球（如图3）。环与球的质量不能忽略。小球滑至何处时，轻绳张力为零？

      

      按照正常解题逻辑分析：环必受小球给其沿径向的弹力，因此球只能在上半环时方可使大环受到斜向上弹力（与球受向心力方向相反），也才有可能使悬线张力为零。利用能量守恒、向心力、平衡、隔离法、力的分解等知识，可以求出结果。但如果换个角度思考：有重量的物体被悬挂起来，为什么悬绳张力为零呢？这只有在失重状态下才能实现。利用系统分析、失重、分解等，也可以求出结果。

      这两种求解方法差异较大，思维的差异更为明显。前者在问题研究时选取了独立对象，后者则采用了系统分析；前者的解题思维按部就班可以称为直线思维，后者的思维则是由结果反问属于逆向思维。本题教学中如果在注重求解方法差异的同时，有意识地从思维角度去分析类似问题，就可以找到高阶思维能力培养的切入点。

      5.关注探究性实验方案的评价

      在研究性学习中开展实验方案的设计，对于中学生物理核心素养的提升，有着积极的作用。探究性实验中对学生猜想的验证，形成的是“事实评价”。而在“事实评价”之前，加强对实验方案（或设计）的“思维评价”，则是凸显“分析、评价、创造”的过程，强化了学生的思维活动。所以，研究性学习中应注重组织学生在实验前开展对实验方案的评价。

      案例6 为了测量物体间的动摩擦因数，两位同学分别设计了两种不同的实验方案。

      方案A：在水平桌面上，用测力计水平拉动一个已知质量的滑块，使滑块匀速运动，读出测力计的读数。再根据物体平衡时的受力关系，即可得出此时滑块所受滑动摩擦力的大小。更换材料相同、质量不同的滑块，重复操作，可以得到若干组滑动摩擦力的数据。将摩擦力和对应的滑块质量列表，就可以测得滑块与桌面间的动摩擦因数。

      方案B：水平桌面上铺有一张白纸，白纸上放着一个已知质量的滑块，滑块一端被水平绳拉住，水平绳则与固定的测力计相连。沿水平绳向滑块另一端方向拉动白纸，即可读出此时的测力计读数——滑动摩擦力的大小。更换材料相同、质量不同的滑块，重复操作，可以得到若干组滑动摩擦力的数据。将摩擦力和对应的滑块质量列表，可以测得滑块与纸面的动摩擦因数。

      教学中对实验方案的分析评价的讨论非常热烈，两个实验操作的稳定性、可持续性、可视性、测量结果的不一致性等，都被提了出来，而随着问题的提出，新的设想也诞生了。比如，实验B中的测力计可以由力传感器替代，实验A改为借助通过滑轮的砝码下落拉动滑块等。两个实验最终都进行了操作，也验证了学生对方案的评价。但就整个教学过程而言，最为出彩的就是对实验方案的评价过程。

      6.关注教师自身的行为模式

      高阶思维的一个重要特征是能够“对思维进行思维和评价”，这就需要培养学生不受束缚，敢于思考、批判、评价的勇气和态度。作为教师就应该更加关注自身的行为模式，不迷信权威，敢于对教材进行“批判性”评价，以自己的思维方式，为学生做出表率。

      三、物理教师要积极参与中学生高阶思维能力培养的校本课程建设

      校本课程是拓宽学生视野，发展学生兴趣，培养学生个性和特长的重要载体，也是培养高中生高阶思维能力的重要举措。物理教师在指导学生开展科技活动、研究性课题、社团活动等方面，有着学科背景的优势，物理教师应该积极参与培养中学生高阶思维能力的校本课程建设，在课程的开发、建设中形成自己的特色，搭建高中生高阶思维能力培养的独特舞台。

      例如，开发校本辩论课程。辩论课程就是用一定的理由来说明自己对事物或问题的见解，揭露对方的矛盾，以便最后得到正确的认识或共同的意见。辩论呈现出的是辩手在接受信息后的分析、评价、创造能力，凸显的是批判性和创造性思维能力。几年来我们已经看到，辩论课程不再是文科教师的“专利”，已经在物理课堂、科技活动中大放异彩。

      再如，开发创新实验室课程。2010年以来，上海市许多高中都建设了学校创新实验室，不仅给高中生带来了许多科技发展的新鲜内容，而且培养了学生的动手实践能力、想象能力、设计能力和创造能力，发展了学生的高阶思维能力。

      以下是某校创新实验室课程开发的案例——《能源实验室课程计划》。

      第一模块（二课时）：能源的知识。

      教学方法：教师讲述、学生资料查询交流。

      教学内容：能源的概念；常规能源；新能源；一次能源；二次能源；能源的使用；能源的危机。

      第二模块（一课时）：能源模型的参观。

      教学方法：实地参观、教师讲解。

      教学内容：火力发电、风能发电、太阳能发电、核能源、风力发电。

      第三模块（一课时）：发电机原理。

      教学方法：教师授课、教具观看、学生体验。

      第四模块（四课时）：学生制作（一）——水力发电机模型；结构式积木搭建场景；发电机模型、水力冲击系统；各种灯泡发光表示效果。

      第五模块（四课时）：学生制作（二）——云霄车机械能守恒模型的研究；轨道的设计；轨道平整度调适；小球运动的能量守恒及测量。

      第六模块（四课时）：学生制作（三）——太阳能发电的应用；太阳能电池板电动势、内电阻的测定；太阳能发电储存实验；太阳能动力的应用（路灯、电扇、水泵等）。

      第七模块（四课时）：学生制作（四）——风能发电机模型和应用；风力发电机（水平、垂直）功率测定；风能动力小车安装。

      第八模块（四课时）：学生课题研究作品介绍；重力发电模拟装置；太阳能滴灌模拟装置。

      这一课程，从第四个模块开始，强化学生的设计和动手实验，不仅与学生已有知识形成了关联，还涉及“分析、评价、创造”等高阶思维培养要素，这样的课程无疑为高中生高阶思维的培养搭建了良好的平台。

      高中生高阶思维能力的培养，是高中人才培养的一个重要内容，也是高中物理教学中应该关注的问题。只要我们在物理教学中重视这个问题，有目的、有意识地加强高阶思维培养的教学设计和课堂引导，加强对学生思维发展水平的研究和分析，就一定能在高中生高阶思维能力的培养中，获得更多的经验和成功。

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