基于科学思维的初中物理问题化学习作业设计

马海珠 上海市教育学会宝山实验学校

科学思维是物理学科核心素养中的关键技能，基于科学思维的问题化学习作业设计就是针对特定认知行为、特定认知水平和不同类型问题相匹配，以知识为载体，以问题为导向，体现思维的过程性和递进性，不同层次学生解决不同类型问题，而问题解决的过程就是发展思维水平的过程，促进思维水平从记忆、理解、评价到创新的不断提高。

“双减”背景下，促使作业减负增效成为亟待研究和实践的课题，让作业成为提升学科基础应用能力、发展学科核心素养的重要载体。通过相应的内容主题、知识专题，在校本层面设计、开发序列化、结构化的校本作业，旨在通过一系列基于问题化学习的思维活动，为学生实现高质量的自主学习、个性化学习和深度学习提供支持。

一、走进作业

（一）形势与政策——作业是撬动教学改革的支点

2021 年上海发布《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的实施意见》对作业管理、设计质量、作业总量、指导方法等给出建议。统计近五年教育相关部门出台的有关教育文件，每一次都对作业提出不同的要求和意见，可见作业是撬动教育改革的支点。

（二）作业与作用——作业是实现课程育人价值的重要载体

作业，一般指学校教师依据一定目的布置并且由学生利用非教学时间完成的学习任务。作业是实现课程育人价值的重要载体，是提升教育质量的重要“抓手”，是社会认识和理解教育的重要途径，更是影响学生学习兴趣的重要因素。做作业的过程，是学生从教师指导下的课堂教学向没有教师指导的自主学习过渡的过程，需要学校和教师给予充分重视。站在一线基层老师视角，作业至少具有以下三个层面的作用：

基础层面任务：学科基础知识与技能的落实。作业实践活动是以学科基础知识的知晓和基本技能的习得为出发点，通过设计相应知识与技能的直接习得与训练活动，达到让学生落实“双基”的目的。

能力层面任务：学科基础应用能力的培养。作业实践活动是以知识的理解与简单应用为出发点，通过设计简单的问题情景（语境）和提出解决的问题，让学生在简单情景（语境）的问题解决中，达到提高学生对知识的理解和基础应用能力的目的。

价值层面任务：学科核心素养的养成与发展。作业实践活动是以学科核心素养养成与发展为出发点，通过设计实际问题情景（语境），让学生以实际问题解决的实践主动学习，促进学科核心素养的养成和发展。

二、科学思维

从物理学视角来说，科学思维是对客观事物的认识方式，它包括模型建构、科学推理、科学论证与质疑创新。四要素对应的学业水平按顺序陈述如表1 所示,五个层级水平都包含四要素的分阶内容。

表1 科学思维五级水平

对照课程标准可知，相比较物理观念、科学探究与科学责任等三个素养,科学思维素养的培育更具有实操性，容易落实到每一节的课堂教学当中，而其他三个素养更具有综合性，需要长期的训练、积累与内化。另外，四大素养相互融通，科学思维形成过程中也有助于其他素养的提升。由此，科学思维的渗透是有效提升初中生分析与解决物理问题能力的核心，是实现物理校本作业科学性、有效性与发展性的关键，是物理校本作业提质增效的突破点。

三、设计实践

样例1：变式性问题学科能力短作业

如图1所示，两个电阻R1和R2是____联。电源电压保持不变，当滑片向右移动时，电阻R2将______，在空格处选填各电表的变化情况，均选填“变大”、“不变”或“变小”。

图1

变式1：电流表A示数______；电压表V示数______；电压表V1示数______；电压表V2示数______。

变式2：电压表V1示数与电压表V2示数之和_____。

变式3：电压表V 示数与电压表V2示数之差_____；电压表V示数与电压表V1示数之差_____。

变式4：电压表V 示数与电流表A 乘积；电压表V1示数与电流表A1乘积_____。

变式5：电压表V 示数与电流表A 示数比值_____；电压表V1示数与电流表A1示数比值_____；电压表V1示数的变化量与电压表V2示数变化量比值_____；电压表V1示数的变化量与电流表A1示数变化量的比值_____。

样例2：递进性问题学科能力短作业

在如下图所示的电路中，电源电压为24 伏保持不变，电阻R1的阻值为10 欧，滑动变阻器R2上标有“50 欧2安”字样。闭合开关S，移动变阻器的滑片P，为保证电路安全工作，求：变阻器R2接入电路的最小电阻值。

图2

图3

图4

图5

图6

图7

专题复习时如何设计不同层次的题目，以问题为指向，结合目标要求、问题类型与认知能力相匹配的原则，多维度建构问题，由此实现由点到线、由线到面的整合，从而优化知识结构，优化认知方式，促进学生思维水平的不断升级。思维水平依据《普通高中物理课程标准（2017 年版）》中的划分方法，结合初中物理的实际特点，以串联电路中滑动变阻器阻值相关物理量的计算为例，其思维水平划分见表2。

表2 “串联电路动态变化”科学思维水平划分

同一个题干，通过不断改变电路图，逐渐增加难度，指向不同思维层次，这样学生问题解决的过程正是通过思维活动的过程，也是提升思维品质的过程。

样例3：应用性问题 学科长作业

根据相关考古资料，我国在战国时期就出现了最早的灯具，各种灯具种类繁多，经济实用，造型别致，设计新颖，具有很高的艺术性，1968 年出土的长信宫灯便是其中的优秀代表。台灯在生活中被广泛实用，成为生活中的好伙伴，而调光台灯由于其优越的性能更加受到人们的青睐。

请你根据学过的电学知识，设计制作一个调光台灯，能体现美观和实用相结合的创意或制作。

表3 制作调光台灯长作业评价表

样例4：拓展性问题指向素养的学科短作业

变阻器在日常生活中的应用非常广泛，请你通过网络、书籍等方式，学习不同的变阻器在汽车的油量表、台秤压力器及调亮度的电灯、调热度的电锅和调转动强度的电风扇等方面利用。如图8 所示是某同学设计的风力测定仪，O 是绕着转动的固定点，OC 是金属杆，其下端连接面积较大的受风板，一段同种材料制成的粗细均匀圆弧形电阻片AB，金属杆与圆弧形电阻片的接触点为P点，R0为定值电阻。无风时，金属杆OC 在重力作用下竖直，风力越大，OC杆偏离竖直方向的角度越大。

图8

（1）圆弧形电阻片AB 与金属杆OC 组合起来，相当于是（实验器材名称）_______。

（2）风力越大，电流表示数越_______。

（3）小王同学认为定值电阻R0对该风力测定仪测量风速没影响，可以不用定值电阻R0，你是否同意这种观点，并说明理由。

（4）如果要提高风力测定仪的灵敏度，你有什么建议？

科学思维：①模型建构②科学推理③科学论证④质疑创新

表4 作业属性统计表

我校作业分为六类，分别是：1.学科双基短作业；2.学科能力短作业；3.指向素养的学科短作业；4.指向素养的跨学科短作业；5.学科长作业；6.跨学科长作业。

四、设计特点

（一）序列化、结构化的作业设计展现思维递进性

学生学会分析电路变化趋势和特点，经过逻辑推理，建立串联电路中电流、电压与电阻之间的逻辑关系，再通过比对滑动变阻器的最大电流、滑动变阻器的最大阻值和电表的量程等因素，寻找解题的突破口，最终将复杂的串联电路动态变化计算转化为简单的等效串联电路计算，从而分解难点，建立解决问题的问题系统或思维流程，提升逻辑推理能力。在解决递进性问题时，调动学生储备的相关知识，结合相关联题目，归纳不同题目解题的策略，深化对物理规律的理解，提升知识的整合能力。学生在解题过程中，寻找一题多变、多题归一的逻辑关系，通过比较、推理论证和归纳寻找解题的规律，促进思维水平从记忆、理解到分析综合的不断提高。

在进行作业设计时，要注意根据课堂学习的知识要点和学科特点，尽可能选择需要学生理解所学物理知识的要点、把握知识间的内在联系、形成知识的网络结构和掌握解题方法的习题作为作业设计重点，即要贴近学生的学习水平和认知特征，又要重视学科特点和内在逻辑关系。

（二）体现（真实问题情境下）物理解题思维过程性

学生解决实际问题时的效能，首先取决于学生对情境要素的解构力和对知识理解的深度与广度，其次取决于学生对情境和知识的建构力，即情境中的要素对接相关物理知识，将情境要素转化为物理相关条件，连接适当的物理内容。通常物理解题的基本步骤是:审题—选择对象—划分过程—分析对象与过程—选择物理规律—建立与求解方程。基于真实问题情境下的物理解题思维如图9 所示，与传统解题并无相悖，增加了情境化试题到非情境化试题的转化步骤，即结合已有的物理知识(经验)，对问题情境进行分析、判断、简化与抽象，转化为熟悉的非情境化试题。

图9

在作业设计时，引导学生思考与生活相关的问题，按照一定的逻辑关系层层推进，形成问题链或问题系统（样例4 解题问题系统，如图10 所示），教师应为学生科学思维层次搭设合适的脚手架，使学生所学知识与方法不断迁移、升级和整合，逐步实现学习者的科学思维由识记、理解和掌握走向分析、评价和创造能力的提升。

图10

通过建模、解释的思维训练，建立物理概念、理解物理规律。有效的思维训练，要求教学、作业和评价的一致性，第一，要准确把握课程标准；第二，设计作业时根据课程标准，对教学内容进行分解、整合与优化，使教学内容与学生学习特点、认知能力和思维水平相匹配；第三，把握作业的内容、形式、数量和难度等，防止内容重复，分层增加难度，重视作业形式多样化，发展学生多元智能，坚持学生发展为本的育人理念。引导学生运用类比、分析、推理、转化、论证、建模等逻辑思维方法，持续培养学生科学思维。从而通过物理作业来发展学生科学思维，既减轻学生学习的过重负担，同时也提高学生物理学科核心素养。

总之，基于科学思维的作业设计注重课本性、针对性、层级性、递进性、趣味性与发展性原则，在内容上注重教材解读、知识迁移应用与真实问题解决;在能力培养上不仅注重关键知识与能力的夯实，而且强调科学思维素养的提升。

在充分洞悉学情和课程标准的基础上，作业的设计就有了方向，这个基本方向就是：以知识为载体，以问题为导向，训练思维方法，以方法为载体，发展物理学科核心素养。一方面要高度重视知识(基本概念与规律)的深度理解，另一方面要重视以知识为载体的思维方法。另外，还要重视知识与方法融会贯通，解决生产与生活中遇到的真实问题，即从科学思维素养培育的角度，科学设计校本作业。