高阶思维能力培养：物理教学中良构问题的劣构化

1、高级思维能力培养：物理教学中良构问题的劣构化先发表 于中小学教材教学2020年第三期，后被人大报刊复印全文转载 在中学物理教与学2020年第六期。高阶思维能力培养：物理教学中良构问题的劣构化上海师范大学附属中学李树祥摘要：高阶思维能力是指发生在较高层次上的心智活动或认知能力，是高中 生创新素养的核心因素，是物理教学中培养学生核心素养的根本要求，教材和考 试中所选的问题基本都是答案唯一的良构问题，将其变为答案不唯一、解决方法 多样的劣构问题，对培养学生的高级思维能力会有很大的帮助。关键词：良构；劣构；问题；高阶思维能力培养良构问题是指限定性条件的问题，它具有明确的己知条件，并在 己知条件范围内运

2、用若干规则和原理来获得同一性的解决方法。一般 来说，一个良构问题只有一个满意的解决方案。学生平常所做的练习 题以及高考题基本都是良构问题。劣构问题，又称非良构问题，是指富含多种解决方案、多种解决 途径的问题，其组成部分较难把握，解决问题所必需的概念、规则和 原理（以及它们的组成方式）带有不明确性。例如，让学生考察所在 地区的环境污染情况，撰写一篇论文，学生解决问题的目标和方案并 不明确，这就是名副其实的劣构问题。高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次 的认知能力，从其行为表现看主要是分析、综合、评价和创造；从思 维能力看，主要表现为创新能力、问题解决能力、决策能力和批判性 思维

3、能力。钟志贤认为，高阶思维能力是以高阶思维为核心，解决劣 构问题或复杂任务的心理特征。培养高阶思维能力是学生发展的需 要，是时代对人才培养的要求，也是物理学科教学义不容辞的责任。 那么在教学中应如何变良构问题为劣构问题，以此培养高阶思维能力 呢？一、引入包含劣构问题的真实情景。来源于日常生活或虚拟世界，包含有劣构问题的真实情景，能激 发学生科学探索热情，有助于学生理解、迁移概念，获得解决现实问 题的能力。如在学习力的平衡后，老师可提供几根蜡烛、一盒火柴、一盒图钉、 一段绳子，让学生分析如何使蜡烛垂直于竖直墙面固定，并分析蜡烛 所受的力。对于这一问题，学生会给出多种方法，如利用绳钉悬挂法、 利用

4、蜡油粘合法等，最简单的方法则是将蜡烛直接放在地上靠近墙而 （虚接触）放在地上。使用不同的方法，物体受力情况不同，这一类似脑筋急转弯的劣 构问题，有利于打破学生的思维定势。人们看见绳钉就会想到悬挂， 看到火柴蜡烛就会想到点燃。但最简单的方法却不需要任何辅助材料。 在头脑风暴中吸取别人的思维所长，可以使学生修正自己的观念，提 升其高阶思维能力。二、引入原始物理问题所谓原始物理问题，是指自然界及社会生产、生活中客观存在的， 能够反映物理概念、规律且来被加工的典型物理现象和物理事实， 它最显著的特点就是物理量及数据的隐蔽性。解决原始物理间题时需 要先对题目中的情境进行分析，从中找出关键信息，再对信息中

5、涉及 的物理学知识进行认知，联系己学的物理知识对其进行简化，运用物 理知识和数学工具来解决问题。即要自行完成抽象、假设、估计、简 化、建模、求解等一系列加工活动，才能得到最终结果并做出解释。 研究原始物理问题不仅能帮助学生透过现象看本质，培养其抽象、简 化的思维能力，还可以引导学生从不同的角度去分析物理现象，让学 生了解多因一果同样是自然界的普遍规律，从而提升思维的多样性和 整体性。例如，学习动量定理后，我们可以让学生思考下列问题：很多人 对于高空抛物这一危险行为不以为然，请估算一下，从高楼上抛下的 物体砸到地面的物体上，对地面上物体产生的力有多大。这一问题需 要学生合理地设定相关数据，在解题

6、过程中还需要思考是否需要考虑 空气阻力，是否需要考虑地面物体的高度，是否需要考虑被抛物体的 初速度。通过类似题目的训练,学生在思考问题时会更仔细、更深入， 思维能力得以逐渐增强，建模和化简意识得以形成和提高；又如，在 学习万有引力定律后，可以让学生计算两位同学之间的万有引力，肯 定有学生对相距很近的两个同学也直接套用万有引力的公式进行计 算，我们就可以通过讨论让他们明确知道万有引力定律成立的条件, 加深对概念规律的掌握和理解。三、开展项目式学习项目式学习是一种动态的学习方法，通常是在一个学习小组中进 行,学生在这个小组中有各自的角色，需要弄清楚他们已经知道的， 需要知道的，去哪里以及如何获得有

7、助于解决问题的新信息,从而最 终解决问题。项目式学习关注的是学科核心概念和原理,分为基础项 目（收集）、中级项目（处理）、高级项目（应用）三个层次，具有综合性、 实践性、开放性、生成性、自主性等特点。项目式学习有助于提升 学生提出问题、探索问题、沟通交际和团队合作等能力，能培养批判 思维，多方面提升学生物理学科核心素养，充分突出学生的主体地位。项目式学习具有十分明确的目标，即“做什么”“如何做”“做得 如何”。以“滑动摩擦力”项目为例，学习目的是自主建构滑动摩擦 力概念,项目确定后,通过问题进行任务驱动，然后分小组查阅资料， 设计方案，包括根据生活中的现象，总结建立滑动摩擦力的概念；研 究滑动

8、摩擦力大小与什么有关，思考动摩擦因数的决定因素是否只有 教材中提到的相互接触的两个物体的材料和接触面的情况；设计实验 步骤并选取器材进行实验，最后得出结论；利用课余时间查找资料, 设计小实验，体会滑动摩擦力的存在、作用及在生活中的应用。完成 项目后，教师进行小组评价，提出改进建议，小组自我反思，改进项 目成果。学生一方面可以利用公众号或展板展示活动过程及成果，体 会项目学习过程中科学思维及科学探究的过程。另一方面也要对自己 的活动过程进行反思并完善,撰写研究报告或小论文，为今后的其他 活动提供经验借鉴。四、将教材实验改为自主探究实验自主探究实验就是改进传统实验课的组织形式，在学生熟悉实验 流程

9、的基础上，让学生自主设计实验方案，自主选择仪器，制定步骤， 设计表格，收集信息，处理数据，得出结论，进行评价。学生自主探 究实验需要明确实验目的,这是实验设计的出发点；其次才是广泛联 想、灵活运用所学知识和经验,确定实验原理和情境,为实验方案的设 计提供大体框架；最后确定实验器材和实验步骤。实验方案的形成不 是一蹴而就的,教学中要充分发挥学生评价的调节功能,对方案进行 修改和调整，使之从半成品走向成品。自主探究实验可以培养学生的 好奇心和求知欲，活跃思维，培养创造力。一方面，自主实验可以让学生对于同样的实验原理选择不同的实 验情境。以测量电源电动势和内电阻为例，实验原理是闭合电路欧姆 定律，但

10、学生设计出了不同的实验方案：有的利用电流表、电压表和 滑动变阻器的伏安法；有的利用电流表、电阻箱的安阻法；有的利用 电压表、电阻箱的伏阻法；有的利用两只电流表，一个定值电阻，一 个滑动变阻器电阻的安安法；有的两只电压表，一个己知定值电阻, 一个滑动变阻器电阻的伏伏法等等。另一方面，自主实验也可以根据 不同的实验原理来设计。以测量当地重力加速度为例，学生们提出了 根据平衡条件、自由落体运动规律、竖直上抛运动规律、牛顿第二定 律、圆周运动规律、机械能守恒定律、单摆周期公式等多个实验原理 进行设计的实验，只要根据该实验原理列出的公式中含有当地重力加 速度g,就可以根据该原理选定不同的器材.、设计步骤

11、、进行实验， 测出当地重力加速度。在自主实验中，应要求学生从实验的可行性、 安全性、操作性、精度等角度展开分析和比较，从而对实验进行评价。 实验方案的设计和评价是一个分析、反思和创造的过程,有利于培养学生的高阶思维能力。五、编制开放性试题开放性试题主要是条件不完备、问题不完备或答案不固定类题目0 编制开放性试题既可以使学生以点带面展开复习，也有利于养成独立 思考、大胆想象的科学态度和尊重事实与勇于怀疑的科学精神。在编制开放性试题上，中高考早有先例。2000年上海市高考物理 试题给出一张宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片，请考生根据照 片展现的情景提出两个与物理知识有关的问题；2014年山东省荷

12、泽市 中考物理试题以“免费公共自行车”为素材，让学生指出公共自行车 上涉及的两个物理知识或原理。这两道试题都是答案不固定试题，教 师可以采用头脑风暴法来激发学生联想到各种可能的答案。我们也可 以让学生自主编制条件不固定类试题，例如，针对如下试题：“如 图1所示，倾角为质量为M的粗糙斜面置于水平地面上。质量为m 的木块静止于斜面上，求地面对斜面的支持力和摩擦力”，让学生改 变条件并给与解答。学生的改编形式丰富，例如：（1）如果m沿斜 面匀速下滑且斜面静止，求地面对斜面的支持力和 摩擦力；（2）在m沿斜面匀速下滑且斜面静止的情 /|况下，对m施加一个沿斜面向下的力F,使m加速下滑，图1 求地面对斜

13、面的支持力和摩擦力；（3）在m静止在斜面上的情况下，对m施加一个沿斜面向下的恒力F,使m以加速度a 匀加速下滑且斜面保持静止，求地而对斜面的支持力和摩擦力；（4） 把m轻放在斜面上后，m以加速度a匀加速滑下且斜面保持静止，求地 面对斜面的支持力和摩擦力；(5)若把m轻轻的放在斜面上后，m以 加速度a匀加速滑下且斜面保持静止，现再给m施加一个沿斜面向下的 恒力F使m且斜面扔保持静止，求地面对斜面的支持力和摩擦力等。这 些改编实际上是学生思考和创造的一个过程，有利于学生高阶思维能 力的提升。六、设计场景回构问题场景回构问题以物理方程开始，要求学生用物理概念或原理、规 律等物理名词来描述该过程。解决

14、问题需要使用到对物理符号语言深 入地概念性理解，与阅读经典相似。该类问题最本质的特征为场景回 构，即将物理方程用一系列或科学或生活化的场面、情境进行还原性 建构和描述。在此类问题中，学生的发散性思维被激发，当他们创造 性地描述该方程的过程或状态时，他们的高阶思维能力得以充分发展, 也能更容易教师对其进行评价。例如，在学习机械能守恒定律后，可以给出如下方程：2kgx(10/r?/52)x(5m) = -x(2)x(10/n/s)',请学生设计符合该方程的物理情境。 2根据公式中的物理量单位可以看出，该方程左边是重力势能，右边是 动能，可以描绘的情境很多，既可以描述状态，如某时刻一个物体的

15、 重力势能等于另一物体的动能；也可以描绘过程，如质量为2kg的物 体自由下落5nl过程中重力势能转化为动能，或竖直上抛5m过程中动能 转化为重力势能，或沿光滑斜面、光滑曲面运动上升(或下降)过程 中动能与重力势能的转化；还可以是其他各种情境下恰好有这么多的 重力势能与等量的动能相互转化。由于场景回构问题需要学生假设物 理情境、设计物理过程，所以属于高阶思维能力的创造性维度。同一 个物理方程,可以展现多种不同的物理情境和多种不同的物理过程， 对学生的发散性思维有所提升。七、布置研究类课外作业：研究类作业是指学生在教师的指导下，由教师指定或由学生根据 兴趣爱好自主确定小课题，然后在自主开放的条件下

16、，确定研究方法, 开展研究，通过多种渠道主动收集、分析、处理信息，并加以综合应 用，解决实际问题。它与项目化学习的重要差异是不需指向学科最核 心最本质的问题。小课题答案不唯一，解决过程相对曲折,重在探索。 在解决过程中，学生通过亲身实践获取直接经验,能使他们掌握基本 的科学研究方法，养成科学精神并培养严谨的科学态度,还能提高综 合运用所学知识解决实际问题的能力，能极大激发学生的创造力。例如，在学习了自由落体运动后，笔者布置了研究班级所在教学 楼高度的小课题。学生各显身手，大部分人采用自由落体法测量，即 测出时间后根据/?=;g产求出楼的高度。采用这种测量法的学生所用 仪器也各有不同，从楼顶下落

17、的重物有的是粉笔头，有的是小铁球, 还有的是石块；测量时间有用秒表的，有用手表的；此外，有人用足 够长的绳子直接垂落地而，再用尺子量出绳长直接得出楼的高度；也 有人通过数整栋教学楼的楼梯台阶总数，再测出一个台阶的高度，从 而计算出楼的高度；有人测量大楼的影子长度和人的身高及对应的影 长，通过比例关系得出楼的高度；还有人直接到档案室查出了楼的高 度。学生在研究中不但感受到学以致用的乐趣，而且在交流过程中进 行了思维的碰撞，还对各种实验误差特别是自由落体法误差进行了分 析。他们对空气阻力问题的研究，对后续力和运动的学习也有很大的 帮助。此外，课外作业也可以采用撰写小论文、自主复习建构知识网 络等形式。良构问题劣构化，使教学活动的重心由向学生传授固有的知识转 向促进学生具备在真实社会环境和复杂技术条件下深度学习的能力, 是学生发展核心素养的必然要求。设计难度适当的劣构问题和相应的 学习支架，也是对教师教学智慧的挑战，它需要教师充分理解和掌握 解决问题所需要的理论与技能,不能操之过急，须循序渐进。参考文献：1 Jonassen DH,钟志贤，谢榕琴：基于良构和劣构问题求解的教学设计模 式(上)J.电化教育研究,2003(10) :33-392钟志贤.教学设计的宗旨：促进