问题驱动下的高中物理高阶思维课堂实践

李旭斌 陈晓陆

摘   要：以人教版高中物理必修一“超重和失重”为例，从“问题”“活动”“生成”３个维度构建物理高阶思维课堂。课前通过任务驱动学生利用手机、体重秤、便携式手提秤等家用设备探究生活中的超重和失重现象，课上通过问题驱动呈现超重和失重的认识过程，区分超重和失重的方法，运用Phyphox软件测量手机对手掌压力的极值，推理压力为零条件下的手机受力特点并建立完全失重概念，并通过有关太空生活的问题深化对完全失重概念的理解。

关键词：高中物理；问题驱动；高阶思维；超重；失重；Phyphox软件

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）8-0006-3

高阶思维包含分析综合、评价、创造（创新）。问题引领下的高阶思维课堂教学，是通过教师引导下的问题解决，让学生基于事实经验构建物理模型，运用抽象概括、分析综合、推理论证分析解决问题，基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解，旨在提升学生的高阶思维品质。

如何有效提升和发展学生高阶思维？如何引导学生通过反思和质疑、交流和评估产生新的问题？这些都是值得研究的方面。高效的高阶思维课堂主要由“问题”“活动”“生成”３个维度构成［１］。其中，问题（链）的设计应具备开放性、挑战性、层次性、多解性等一系列特征［２］，具体实施可在课前通过挑战性学习任务，给予学生充分时间进行模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维活动，并培养问题意识；课上通过问题（链）引导学生质疑批判提出创造性见解、检验修正完善自我认识，从而得到高水平生成，并发展学生分析综合、评价、创造（创新）的高阶思维。下面以笔者亲自教授的“超重和失重”研究课为例，分享如何实现一节高效的高阶思维课堂教学。

１    探究性的活动体验是高阶思维课堂的必备前提

【任务】 居家探究生活中的超重和失重现象。

【内容】 预习人教版高中物理必修一第四章第６节“超重和失重”，利用手机、体重秤、便携式手提秤等工具居家探究超重和失重现象。在手机中下载Phyphox软件，并用软件中的“加速度”功能记录研究对象（人或手机）的运动状态变化情况，观察不同运动状态下的测量仪器示数变化情况，并解释所看到或感受到的现象。

【要求】 利用周末时间独立完成，阐述实验方案、实验现象、问题提出、理论解释。

该任务具备开放性、挑战性，学生可自主选择常用的手机、体重秤、手提秤等设备进行探究，制订实验方案。同时，该任务具备层次性，学生完成任务时，需要依次经历仪器示数变化规律的总结、物理模型的建构、科学推理论证、现象解释，并在任务驱动下自发地对“研究对象（人或手机）的状态如何变化？”“仪器示数是什么力产生的？”“为什么仪器示数会变大（变小）？”“仪器示数与研究对象加速度间有何关系？”等一系列层层递进的问题进行分析，建立超重和失重的概念。

２    科学的问题设计是实施高阶思维课堂的基础

好的问题是让学生在回答过程中充分经历科学思维活动过程，通过相互关联、层层递进、激发需求、难度适当的问题，充分调动学生进行质疑批判、检验修正，提升认知、形成高阶思维品质［３］。

问题１：你的实验方案是怎样的？看到了什么现象？提出了哪些问题？（指向问题意识的培养）

问题２：你提出的问题有明确的答案吗？如何理解超重和失重？（指向模型建构、推理论证的科学思维，分析综合的高阶思维）

问题３：还有什么不同的方案探究超重和失重？你对超重和失重又有怎样的理解？（指向质疑创新的科学思维，评价创新的高阶思维）

问题４：通过以上同学的分享，你对超重和失重有何新的认识？如何通过加速度的方向区分超重和失重？（指向检验修正、完善认知的高阶思维）

问题５：能否运用Phyphox软件和能用到的测量工具，测量手掌托举手机抬升、下降过程中，手机对手掌的最大压力和最小压力？（指向创新的高阶思维，模型建构、科学推理的科学思维）

问题６：ａ－ｔ图像最低处，当手机对手掌压力为零时，手机受力有何特点？加速度有何特点？手机处于什么状态？（指向分析综合的高阶思维，推理论证的科学思维）

问题７：如图１，阅读人教版高中物理必修一中的相关素材，提出你感兴趣的问题，大家一起分析和解决这些问题。（指向问题意识的培养）

以上问题链在给学生搭建自我展示平台的同时，鼓励学生质疑创新，采用不同的方案解释现象，并通过檢验修正完善对超重、失重的认识。鼓励以独特的视角进行探究，激发学生的创新意识，设计测量手机对手掌压力极值的实验方案，通过科学探究、合作交流、分析综合、推理论证，建立完全失重概念，同时通过问题的提出和解决深化对完全失重概念的理解。

３    课堂的实际生成是检验学生是否形成高阶思维的最好凭证

高阶思维课堂教学强调教师引导和学生主体的双主基调，学生是在教师问题链驱动下完成思维要素的应用、高阶思维的生成、概念认识的形成，而不是因为有了预习任务，就一味地让学生自我展示、片面地追求学生主体的形式，这样就弱化了教师的引导作用和学生的实际获得。

通过问题１、问题２，有学生在体重秤上下蹲和起立进行探究，提出“为什么下蹲过程中体重秤示数先减小后增大？”“为什么起立过程中体重秤示数先增大后减小？”构建支撑物模型，以人为研究对象并进行受力分析，通过牛顿运动定律解释现象，并提出“重物对支撑物压力大于（小于）重力的现象是超重（失重）现象”，学生的呈现过程如表１所示，学生的思维活动体现了模型建构、推理论证的科学思维要素，以及分析综合的高阶思维过程。当然，还有学生提出在直梯中测量体重进行探究，具体过程不再赘述。

问题３给学生评价机会的同时，还给不同方案的学生提供了展示的契机，有学生用便携式手提秤提着手机进行探究，提出“为什么提起手机过程中拉力先增大后减小？”“为什么放下手机过程中拉力先减小后增大？”构建悬挂物模型，以手机为研究对象进行受力分析，通过牛顿运动定律解释现象，并提出“重物对悬线的拉力大于（小于）自身重力的现象是超重（失重）现象”，学生的呈现过程如表２所示，学生质疑创新的科学思维活动、评价创新的高阶思维活动均得到体现。

问题４综合不同方案下的结论，学生通过交流、评价，发现不同方案下的超重、失重现象存在共性，即加速度向下物体处于失重状态，加速度向上物体处于超重状态，并以加速度方向区分超重和失重。该过程体现了通过检验修正、完善和优化认知的高阶思维过程，即评价创新的体现。

问题５建立在以加速度方向区分超重和失重现象的基础上，学生用便携式手提秤测量手机质量，通过分析判断压力的最小值出现在图２中ａ－ｔ图像的最低位置，压力的最大值出现在图２中ａ－ｔ图像的最高位置。软件采集最低点数据ａ１（取绝对值），根据牛顿第二定律方程ｍｇ－Ｆ支＝ｍａ１计算最小支持力大小，最后根据牛顿第三定律得到压力最小值；软件采集最高点数据ａ２，根据牛顿第二定律方程Ｆ支－ｍｇ＝ｍａ２计算最大支持力大小，最后根据牛顿第三定律得到压力最大值。该过程体现了借助手机定量测量压力极值的创新方案、非平衡状态下运用牛顿运动定律测量压力这一创新的高阶思维，同时学生也经历了模型建构、科学推理的科学思维要素。

建立在学生分析解决问题５的基础上，教师通过问题６引导学生推理图像最低处压力为零时的加速度（图2），发现此时手机只受重力作用，且加速度为ｇ，建立完全失重概念。该过程指向分析综合的高阶思维、推理论证的科学思维，建立完全失重的概念。

学生通过居家实验展示底部钻有小孔的水瓶在自由下落过程中水不流出的现象，并根据完全失重状态下水对瓶底无压力进行解释。最后通过问题７提出“航天员处于完全失重状态，他们受力吗？”“为什么不落回地面？”“为什么液体呈球形？”“为什么液体中的气泡不受浮力？”“航天员在太空中如何测量体重？”……并通过思考、讨论对以上问题的答案达成共识，深化对完全失重概念的理解。

４    结  论

高效的高阶思维课堂重在问题设计、活动体验、实际生成３个维度的串联［１］，教学设计不能仅停留在知识层面，应借助问题（链）引导学生亲历科学思维要素，发展高阶思维，促进认识的形成完善；同时，教師应善于借助问题启发学生反思和质疑、交流和评估，并提出新的问题。

参考文献：

［１］李旭斌．基于核心素养的高中物理高阶思维课堂创设［Ｊ］．物理通报，２０２３（３）：７６－７９．

［２］李贵安，邓泓，周详，等．中学物理教学中高阶思维能力的培养探究［Ｊ］．物理教师，２０１５，３６（８）：２－４，１３．

［３］马云秀．通过科学探究 培养高阶思维能力——以“机械能守恒定律”一课教学为例［Ｊ］．物理教师，２０１８，３９（１２）：１６－１８，２２．

（栏目编辑    赵保钢）