聚焦高阶素养培育 深化课堂教学思维

摘 要：现有教学研究中缺乏针对物理学科特征创设合适“情境”与生成适宜“问题”的高中物理课堂教学模式设计，课堂教学思维深度不足，导致学生物理素养不高。本文通过对高考真题的情境特征进行剖析，生成适宜的问题，探究采取七个思维步骤寻找思维化课堂的教学模式，把“学堂”变“殿堂”，培育学生的高阶素养。

关键词：情境；思维；高阶素养

1 引言素养是知识、技能、经验、态度和价值观等在一定情境下的综合体现，反映了知识与情境紧密联系的综合能力。高阶素养则是指以分析、综合、评价和创新为认知目标，解决复杂情境问题的能力。目前，我国高考重视通过情境化试题来考查学生的必备知识和关键能力，这就对学生的高阶素养有较高的要求。然而，经过笔者的调查研究发现，现有教学研究中缺乏针对物理学科特征创设合适“情境”、生成适宜“问题”的高中物理课堂教学模式设计。课堂教学过程中的思维深度不足，导致对学生高阶素养的培养缺失。为此，笔者试图探索思维导向的课堂教学模式，以期将“学堂”转变为培养学生高阶素养的“殿堂”。

2 将真实复杂情境创设为合适的、个性化的物理情境及问题探究物理试题通常以真实世界中的问题情境为背景进行设计，将情境与物理学科知识和物理能力相结合，形成以解决问题或完成任务为核心的活动领域。这种设计强调学生在真实的物理情境中提取和转换信息，从而将“未知”转化为“已知”。［1］高中物理课堂教学应当创设接近学生生活、传统和时代背景的生活实践情境问题，分析真实情境中的复杂问题，提取并转化情境中的有效信息，以建构物理模型。通过引导学生进行思考和探索，培养学生的直觉思维，激发学生内在的学习动机，提高学生提取和分析关键信息的能力。这样的教学方式能够促进物理课堂的多维互动，深化思维的深度，整合学生的智力资源，最终实现培育学生高阶素养的教学目标。

2.1 将运动（游戏）转化为物理现象，激发内在学习动机，培育直觉思维

高考试题将贴近生活的真实情境作为探究载体是一种趋势。这体现了物理知识的实用性，也有效激发了学生探究问题的内在学习动机。《中国高考评价体系说明》强调“通过选取适宜的素材，再现学科理论产生的场景或是呈现现实中的问题情境，让学生在真实的背景下发挥核心价值的引领作用，运用必备知识和关键能力去解决实际问题，全面综合展现学科素养水平。”［2］2019年至2021年高考试题中涉及真实情境的部分高考例题如表1所示。试题中的场景是大多数学生都亲身经历过的。学生需要将这些经历体验与物理知识联系起来，提出合适的问题，并从动力学、能量、动量等角度建构物理模型，进行物理描述。这是解决问题的必要环节，也是学生展现关键能力的时刻。

教学思考：提取有效信息通常是解决问题的重要步骤，而对有效信息进行合理的联想、抽象、概括，并建构物理模型，是培养学生高阶素养的关键过程。例如，在如图1所示的情境中，学生需要提取“篮球运圆周运动模型，纽扣上距离中心1cm处的位置做理想化处理，建构为质点模型动员原地垂直起跳扣篮，离地后重心上升的最大高度为H”的信息，然后抽象和概括这一信息，建构出重心进行竖直上抛运动的物理模型，并应用运动学规律来研究和解释问题。在如图2所示的情境中，学生需要求解“同学荡到秋千支架的正下方时每根绳子平均承受的拉力”，这时研究对象和问题应集中在同学和秋千踏板上；这考验了学生灵活选择研究对象的意识以及应用运动学规律分析解决生活中常见物理现象的能力。在如图3所示的情境中，学生需要对关键信息进行提取、分析和转化，将纽扣的运动抽象概括为圆周运动模型，并将纽扣的“模糊”正转和反转交替运动简化为圆周运动模型进行探究；这有助于提高学生获取和处理信息的能力。上述三种场景可以通过不同的研究对象或从不同的物理视角（力与运动、功和能、动量定理等）进行分析。然而，这样的做法可能会导致学生的分析视角过于分散，使得课堂思维的深度无法得到有效延伸，从而不利于学生高阶素养的形成。为了改善这一点，建议课堂教学过程应从学生的生活体验视角入手，让学生带着情境化的、合适的、具体的问题去驱动研究过程。例如，教师从运动、游戏等学生熟悉的场景导入，更容易营造课堂研讨的氛围，生成问题驱动的课堂聚焦。这有利于发挥学生的直觉联想，训练其发散思维，进行模型建构，从而提高学生的直觉思维能力。

2.2 将传统“科学文化”转化为物理探究，训练学生关键信息提取及分析能力真题呈现。

（2021年广东卷第13题）算盘是我国古老的计算工具，中心带孔的相同算珠可在算盘的固定导杆上滑动，使用前算珠需要归零。如图所示，水平放置的算盘中有甲、乙两颗算珠未在归零位置，甲靠边框b，甲、乙相隔s1＝3.5×10－2m，乙与边框a相隔s2＝2.0×10－2m，算珠与导杆间的动摩擦因数μ＝0.1。现用手指将甲以0.4m/s的初速度拨出，甲、乙碰撞后甲的速度大小为0.1m/s，方向不变，碰撞时间极短且不计，重力加速度g取10m/s2。

（1）通过计算，判断乙算珠能否滑动到边框a。

（2）求甲算珠从拨出到停下所需的时间。

真题分析。以我国古代计算工具算盘为载体，学生可以提炼与升华头脑中的物理概念和规律，从而发现其中的物理现象，并从中提取关键有效信息，利用对甲、乙算珠运动与相互作用、能量等的基本认识，将物理现象基于经验事实建构物理模型。用手指将甲算珠以0.4m/s的初速度拨出后，甲算珠的运动模型是容易判定的，但甲、乙算珠碰撞过程的关键信息提取难度较大。比如，将“碰撞时间极短且不计”提取分析，捕捉甲、乙算珠碰撞过程中内力远大于摩擦力（外力），考虑用动量守恒定律解决问题。甲、乙算珠碰撞后瞬间，乙算珠与边框a仍然相隔s2＝2.0×10－2m，假设乙算珠匀减速s′2停下来，运用运动学规律有v24＝2as′2，将计算求得的s′2同s2比较。本实例具有较强的综合性与应用性，考查了学生的多种素养。

评价与质疑。题中假设两颗算珠发生了弹性碰撞，据此笔者计算如下。甲算珠以速度v1＝0.3m/s碰撞静止的乙算珠，碰撞后甲算珠的速度v3＝0.1m/s，乙算珠的速度v4＝0.2m/s，那么此碰撞的恢复系数e＝v4－v3v1－0＝13，则碰撞时间由公式Δt＝2（1＋e）Rv1＋v2（其中v2为乙算珠被碰前的速度）求得。［3］而古代算珠的厚度约为D＝1.3cm，代入计算得Δt≈0.058s。设碰撞过程甲算珠对乙算珠的弹力的平均值为F，由动量定理有（F－f）Δt＝mv4－0。一颗算珠的质量约为10g，代入计算得F≈0.044N。此时内力F仅为外力f的4.4倍，那么外力是否可以忽略呢？此碰撞情境系统还能用动量守恒定律吗？乙算珠与边框a相隔仅s2＝2.0×10－2m，算珠碰撞过程中乙算珠滑动的位移Δs与s2相比可以忽略吗？

教学思考。虽然碰撞时间仅为Δt≈0.058s，然而通过碰撞过程中内外力的比较，发现碰撞系统的动量守恒使用存在疑问。如此小的碰撞速度加之狭窄的距离，导致乙算珠能否滑动到边框a也存在争议。因此，本情境下碰撞时间、碰撞过程和作为外力的摩擦力均不能被忽略。

在教学过程中，教师应当引导学生尝试运用直觉思维，调用动力学、能量关系、动量守恒定律等物理知识进行合理的联想，形成物理表述（包括物理规律、物理概念、物理图像等）。通过分析论证，学生能够将甲、乙算珠的运动表述为常见的匀变速运动和碰撞物理模型，进而探究并解决“旧”事物中的“新”问题。这样的过程不仅能够促进学生对物理知识的深入理解，还能够培养学生的多元素养，实现综合发展。

3 培育高阶素养的思维过程及教学示例物理知识具有情境性特征。本文以“情境”为探究载体，思考情境化的“问题”，采用行之有效的操作策略，从探索发现、动手实践、交流合作、论证应用等方面，系统地思考核心素养导向下培育学生高阶素养的思维过程（如图4所示）。

教学示例。

（2022年浙江卷第21题）航载机电磁弹射是现在航母最先进的弹射技术，我国在这一领域已达到世界先进水平。某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究，如图1所示，用于推动模型飞机的动子（图中未画出）与线圈绝缘并固定，线圈带动动子，可在水平导轨上无摩擦滑动。线圈位于导轨间的辐向磁场中，其所在处的磁感应强度大小均为B。开关S与1接通，恒流源与线圈连接，动子从静止开始推动飞机加速，飞机达到起飞速度时与动子脱离；此时S掷向2接通定值电阻R0，同时施加回撤力F，在F和磁场力作用下，动子恰好返回至初始位置停下。若动子从静止开始至返回过程的v-t图像如图2所示，在t1至t3时间内F＝（800－10v）N，t3时撤去F。已知起飞速度v1＝80m/s，t1＝1.5s，线圈匝数n＝100匝，每匝周长l＝1m，飞机的质量M＝10kg，动子和线圈的总质量m＝5kg，R0＝9.5Ω，B＝0.1T，不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响。求：

（1）恒流源的电流I；

（2）线圈电阻R；

（3）时刻t3。

示例评析。以科技“热点”为载体创设物理情境进行探究，不仅能够激发学生的内在探究动机，还能够渗透爱国主义教育，体现“立德树人”的教育根本目标。学生对舰载机电磁弹射系统可能只闻其名而未亲眼见过，对其结构和具体工作原理充满探究欲望，这有利于提高学生从物理学视角进行探究的意识和能力。以例题为基础的高阶素养培育的探究过程如表2所示。本题情境复杂，对学生的素养要求较高。掌握相关的物理学知识是解决问题的基本条件；运用相应的物理学研究思维是解决问题的必要手段。由于题目情境涉及的信息量庞大且错综复杂，学生需要从物理学视角提取关键信息，运用直觉思维将生成的问题与物理知识相互联系，建构物理模型，分析电磁弹射系统的工作原理，并应用相关的物理规律、物理概念、规范的物理符号等来描述和解释问题。通过质疑与评价，反思探究过程，优化问题解决设计，借助迁移与创新，教师可以深化课堂思维，推动学生高阶素养的形成。

教学建议。以学生熟悉的科技“热点”为背景作为探究的载体，更有利于激发学生的内在探究动机。纵横交错的物理情节有助于考查学生提取和综合分析有效信息的能力，以及在抽象概括方面的模型建构水平。此外，从电磁弹射系统的同一情境出发，可以从电生磁、磁生电、动量定理等多个物理视角进行探究，生成不同层次的探究问题，促使学生产生持续的内在学习动机。

4 结束语

学生高阶素养的培育是一个长期的过程，需要教师在教学过程中不断地以复杂的“情境”为载体，以情境化的“问题”为驱力，推动学生进行探究和思考。这个过程应该遵循探索发现、动手实践、交流合作、论证应用的思维过程同时过程应该包含提取有效信息、生成问题、建构模型、分析解释、质疑评价、解决问题、迁移创新这七个思维步骤。在教学过程中，教师应该渐进式地创设学生能够独立探索的复杂情境，帮助学生丰富其想象力，调动内在动机，培养直觉思维，以及提升关键信息的提取、分析与转化能力。同时，教师应引导学生将物理知识与生活情境紧密联系起来，使学生逐步形成探索和解决复杂情境的综合实践能力。

参考文献

［1］张红洋，张婧婧. 高考物理试题的情境化特征研究［J］. 物理教师，2022，43（3）：75-79．

［2］教育部考试中心. 中国高考评价体系说明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：36．

［3］郑焕武. 几种碰撞时间计算公式的推导［J］. 西昌学院学报（自然科学版），2006（2）：34-38．

*基金项目：本文系广州市增城区教育科学规划2021年度课题“基于核心素养的物理情境问题化研究”（课题编号：ZC2021108）的阶段性成果及广州市增城区教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于核心素养的高中物理概念情境化教学研究”（课题编号：ZC2020020）的阶段性成果。