问题解决的核心素养缺失诊断与教学启示

摘 要：问题解决是培养学生核心素养的教学途径，核心素养的缺失能在问题解决中凸显.理解物理核心素养的构成要素，按照“问题呈现—素养缺失表现—素养缺失诊断”的研究路径，诊断学生的知识素养缺失、思维素养缺失，经历素养缺失和科学态度素养缺失.

关键词：问题解决;物理核心素养;素养缺失;诊断

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）03-0017-04

作者简介：刘权（1980-），男，江苏苏州人，硕士，中学高级教师，研究方向：高中物理学科教学.

1 物理核心素养的构成要素

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的要素构成，见表1.

2 问题解决和核心素养的关系

关于核心素养的内涵和结构，李艺等提出了一个三层架构：第一层是“双基”，以基础知识和基本技能为核心;第二层是“问题解决”，以解决问题过程中所获得的基本方法为核心;第三层是“学科思维”，指在系统的学科学习中通过体验、认识及内化等过程逐步形成的相对稳定的思考问题、解决问题的思维方法和价值观[1].崔允漷教授强调核心素养中的关键能力是指在真实、复杂情境中的问题解决能力.问题解决是培养学生核心素养的教学途径.学生解决问题的过程其实就是学生提取头脑中的物理观念，运用科学思维构建模型、推理论证、质疑批判，并通过科学探究收集证据、合作交流、解释假设，交织着科学态度与责任心的过程.

3 问题解决的核心素养缺失诊断

3.1 知识素养缺失诊断

3.1.1 问题呈现

例题1 如图1所示，重力大小为G的物体静止在水平面上，要求建立直角坐标系，求物体受到的支持力大小？

例题2 如图2所示，演员正在进行杂技表演，由图估算出他将1枚鸡蛋抛出的过程中对鸡蛋所做的功？

3.1.2 素养缺失表现

题1中，学生建立如图1的直角坐标系，根据合力等于0，其表达式为：G-N=0，学生没有考虑力的矢量性，矢量观念缺失，正确的表达式为：N-G=0.

题2是典型的原始物理问题，由于没有给出解题的物理量，没有设定特定的物理模型，也没有明确考查的物理规律和方法[2]，有相当一部分学生不能把鸡蛋的运动抽象成竖直上抛运动（或斜上抛运动），不能使用功能关系（或动力学方法）来处理运动过程.甚至有不少学生不知道一枚鸡蛋的质量，也不会估计鸡蛋上升的最大高度.

3.1.3 素养缺失诊断

物理具体知识充实、发展着物理基本观念的内涵，它们是形成物理观念的基础和源泉.物理基本观念包括知识类的基本观念、方法类的基本观念和情意类的基本观念[3].上述问题解决是学生物理观念缺失的着力证明.

知识是形成学科素养的载体.学生的“自主建构、意义生成”对知识素养的培养尤为重要.学生主动建构新知识（特别是与生产生活相关的有生命力的知识），能动地把知识融入自身的认知结构，形成系统的知识网络.所谓知从识中来，识从悟中来，一切知识唯有成为学生探究和实践的对象时，学习过程才有可能成为知识素养发展的过程.

3.2 思维素养缺失诊断

3.2.1 问题呈现

例题3 如图3所示，竖直放置的等螺距螺线管高为h，该螺线管是用长为L的硬质直管（内径远小于h）弯制而成.一光滑小球从上端管口由静止释放，求小球运动到底端的时间？

例题4 如图4所示，细线的一端固定于倾角为45°的光滑斜面体的顶端P处，细线的另一端拴一质量为m的小球.求当斜面体以a=2g的加速度向左运动时，斜面对小球的支持力大小？

3.2.2 素养缺失表现

例题3中，螺线管模型为非常见模型，学生认知上出现困难，甚至无从下手.更不用说，能运用物理方法（等效法）来简化这个问题.若学生能将小球的螺旋线运动等效成小球沿高度为h、长度为 L的斜面运动（如图3），这个问题便迎刃而解.

例题4中，小球与斜面模型为常见模型，学生認知上易接受.几乎所有学生都能运用牛顿第二定律得到支持力FN=-2mg2.遗憾的是，学生缺乏验证答案的意识，没有学生对结果的合理性作出判断并提出质疑、修正.

3.2.3 素养缺失诊断

传统教育的痼疾，就在于教师过分看重知识的传递而轻视思维能力的培养.知识被误解为教育的目的，取代了“问题解决”.教育应该为思维而教，教会学生思维，学会解决问题[4].物理问题解决由思维品质、物理知识、物理科学方法共同起作用.学生通过对科学方法的不断了解、积累和熟练，能形成一种借助于科学方法获取物理知识的心理定式.还可以产生一种对问题的敏感性，并能够用科学方法迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径[5].思维品质是问题解决的基础与起点，并且先有思维品质的参与，然后才是物理知识和物理方法的参与.培养思维品质是发展智力、提高教育质量的有效途径[5].

虽然“等效法”只是科学方法中的一种，却能反映学生运用科学方法的意识淡薄.教师对科学方法教育的不重视是学生思维素养缺失的原因之一：教师缺乏有针对性的显化科学方法，也不引导学生在规律中渗透方法、过程中模仿方法、实验中体验方法、运用中理解方法[6].学生的不自主是学生思维素养缺失的原因之二：学生没有主动建构科学方法，理解上也不深刻;不能外化建构科学方法，应用中不自觉.

虽然“批判性”思维只是思维品质中的一种，却能反映学生思维的低品质.只有具有优秀思维品质的教师才能培养出优秀品质的学生，教师通过示范作用精选情境问题，以自己的思维火花去点燃学生的思维之火.教师频繁地展现思维的过程与成功的结果，学生耳濡目染，深受启迪，收获了思维的种子，模仿教师思考的方式，摒弃不质疑的心智习惯，感受“我思故我在”的意境，最终趋向批判自觉.

3.3 经历素养缺失诊断

3.3.1 问题呈现

例题5 如图5所示，杆子OA通过轻绳AB和铰链固定在竖直墙上，轻绳AB与水平方向成θ角.在A端挂上物体，物体重力大小为G，整个装置处于静止状态，杆子水平.求轻绳AB的拉力大小？

例题6 如图6所示，a、b都是很轻的铝环，a环是闭合的，b环是不闭合的.a、b环都固定在一根可以绕O点自由转动的水平细杆上，此时整个装置静止，现在使磁体一端靠近b环，请利用电磁感应的相关知识判断b环会出现什么现象？

3.3.2 素养缺失表现

例题5中，大部分学生展现的思维过程是：先对A结点受力分析，认为杆子对A的弹力水平向右，再运用力的正交分解法（或力的合成法）得到答案.这是典型的思维负迁移.学生没有留意题目对杆子的描述，杆子是轻杆吗？带铰链的轻杆对A的弹力方向水平向右.如果杆子质量不能忽略，思维过程便截然不同，学生需运用力矩平衡的方法来解决问题.

例题6中，学生的预期是b环仍静止不动，因为b环不闭合，当磁体靠近时，b环内不会出现感应电流.而实验现象却超出预期，磁体在靠近b环时，b环竟然远离了磁体.虽然学生的认知平衡被打破，但大部分学生没有尝试着去解释现象.即使少部分学生猜测产生这种差异现象的原因是b环中出现了感应电流，遗憾的是，他们没有进一步采取行动去求证.

3.3.3 素养缺失诊断

学生学习知识和方法，除了由外而内的“输入”外，更重要的是由内而外的“生长”. 学生的独立思考和过程体验恰好搭起了“输入”和“生长”之间的认知桥梁.

无论是物理概念的建立、规律的探究，还是物理二级结论的获得都应该突出研究的过程性.教师通过揭示物理学家的思维过程，展示自己的思维过程，暴露学生的思维过程，来解决结论“怎么来”的问题.假如学生经历了结论生成的过程，理解了杆子的特性：“杆子提供的弹力不一定沿着杆子方向，但带铰链的轻杆提供的弹力一定沿杆子方向”，相信学生审题时，必定留意杆子的信息（轻杆吗？带铰链吗？）.

教材中的探究实验，要求学生具有良好的认知结构，具有一定的实验操作技能和数据生成能力.学生通过合作探究都能完成任务.而更多的课外探究对学生素养有更高的要求，当学生掌握的知识不能够提供依据时，学生的探究就会停滞不前，这是学生经历素养缺失的一个显著特征.假如学生经历过一些课外探究，掌握了研究的一般步骤和常用的研究方法，相信学生的经历素养会提高，学生不至于会出现例题6中的尴尬：不知道用网络检索的方法去自主学习“金属中出现涡流”的知识.

3.4 科学态度素养缺失诊断

3.4.1 问题呈现

例题7 如图7所示，在验证机械能守恒定律的实验中，所用电源的频率为50Hz.某同学选择了一条理想的纸带（如图8），用刻度尺测得各计数点到O点的距离（單位：mm），图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点.重锤的质量为1.0kg，g=9.8m/s2，请处理纸带数据，验证机械能守恒定律？（动能和势能的结果保留三位有效数字）

3.4.2 素养缺失表现

实验操作方面：一些学生没有考虑到重物释放后，会对接触面产生较大的撞击，没有做一些保护措施（如在接触面上放上一本书）.一些学生完成一次纸带打点后，并没有立即关闭打点计时器的电源.以上两件事，有些学生注意到了，给出了建议，可他们却无所谓，一意孤行.

数据处理方面：学生研究纸带上的OB段，计算打B点时重物的速度大小.有的学生计算出的结果为19.4375m/s（正确答案为1.94375m/s）.学生在计算打B点时重物减小的重力势能时，随意地将题目中g=9.8m/s2近似为g=10.0m/s2来处理数据;学生在计算打B点时重物增加的动能时，随意地将题目中v=1.94375m/s近似为v=1.94m/s来处理数据.

结论生成方面：研究纸带上的OB段、OC段、OD段的学生都有，得到了三组（v，h）数据，教师要求学生将这些数据整合，利用简洁直观的数据处理方法来完成实验验证.课的尾声，学生提出可以建立v/h直角坐标系，描点画图，根据图线来验证.遗憾的是，课后没有学生描点画图来求证自己的观点.

3.4.3 素养缺失诊断

素养是知识、技能、态度的超越和统整.素养=（知识+技能）态度，若态度为正值，知识和技能皆会产生乘数效应或者放大效应;若态度为负值，知识和技能皆会产生缩小效应甚至出现负面效果.在素养的“冰山模型”中，知识、技能裸露在水面以上的表层部分，是容易测量的，也是可以通过针对性教育或培训习得的;而态度则潜藏于水面以下，不易观察与测量[7].

实验操作方面：学生的操作行为反映出他们缺乏爱护公物和节约能源的意识，学生不听同伴的劝告，无所谓的态度，反映了学生情感的冷漠、合作意识的缺乏.

数据处理方面：学生只会机械地运算，不顾及数据的意义，实验中重物的速度能达到19m/s吗？由此凸显出学生缺失科学的严谨性.学生一味地追求计算方便，随意地四舍五入减少有效数字，同样反映学生责任意识的淡薄和缺乏实事求是的科学态度.

结论生成方面：学生没有实证素养，对自己观点的正确与否不关心，对自己和学科都不负责任.其实教师希望学生能结合v/h图线，质疑v/h图线并不能反映v∝h的关系，也许是v∝h13、v∝h14……的关系，通过思维的碰撞最终选择v2/h图线来验证.这样做不仅能培养学生的思维能力，也能培养学生科学严谨的态度，感受科学思维的魅力，增强学习的效能感.态度是内隐的，而坏习惯却是顽固的，教师必须重视和显化科学态度教育，让学生理解其价值，要求学生在活动中反复地自我教育，让科学素养回归.

4 教学启示

教师的导学旨在学生的发展，即学生知识的增加、思维的深入、精神的丰富.教师通过示范导学，展露自身素养，以自己的思维火花去点燃学生的思维之火，以自己的高尚人格去感染学生的人格.教师应设计问题情境化、知识生活化，帮助学生将知识概括提炼成物理观念，提高学生知识素养;教师应以原始问题为内容，实验为基础，显化科学方法，培养学生思维品质.依托林崇德先生的“思维型”课堂教学理论，强调诱发思维动机为特征的教学导入、以引发思维动力为特征的教学过程、以思维监控为特征的教学反思和以抽象概括为特征的应用迁移[8].借用吴加澍老师的“稚化思维、延迟判断、认知冲突”的教学策略，增强教学艺术性，提高学生思维素养;教师应放慢教学节奏，走好关键性步子，揭示物理学家的思维过程，展示自己的思维过程，暴露学生的思维过程，引导学生理解问题本质，提高学生的经历素养;科学态度素养渗透在学习活动中，需要教师由“潜”到“显”的启迪与强化，激发学生自我教育，具有科学精神和人文关怀，理解精神“行而上”的意义，更深刻地履行知行合一.

参考文献：

[1]喻平.发展学生学科核心素养的教学目标与策略[J].课程·教材·教法，2017（01）：48-53+68.

[2]卞志荣，方洪.加强原始问题教学 提升学生思维品质[J].物理教师，2016（04）：6-9.

[3]徐卫兵.注重“物理观念建构”教学 培养学生物理学科素养[J].物理教师，2017（07）：5-8.

[4]刘权.显化方法 生成思维 转识成智[J].中学物理，2018，36（11）：14-17.

[5]郅庭瑾，袁振国.为思维而教[M].北京：教育科学出版社，2007.

[6]邢红军.高中原始物理问题教学研究[M].北京：中国科学技术出版社，2016.

[7]姜立冬.谈从四个维度实施物理科学方法教育[J].物理教师，2014（09）：12-13.

[8]刘权.批判性思维培养的实践路径分析[J].物理教师，2020（02）：37-40.

[9]褚宏启.核心素养的国际视野与中国立场——21世纪中国的国民素质提升与教育目标转型[J].教育研究，2016（11）：8-18.

[10]王长江，胡卫平.中学物理“思维型”课堂中概念的教学探讨[J].物理教师，2015（07）：2-6+12.

（收稿日期：2020-10-29）