“渐进式深化科学思维”教学策略的价值意蕴与设计路径

摘要：“渐进式深化科学思维”教学策略以概念进阶为主线，在进阶环节基于实时反馈整合联系核心素养各维度，以此厘清概念逻辑主线，明确思维方法应用，从而为科学思维的形成和深化提供一条实施路径。本文以“动量定理”的教学为例，对“渐进式深化科学思维”教学策略的价值意蕴与设计路径展开探讨。

关键词：核心素养；学习进阶；科学思维；实时反馈

1提出问题

在课堂教学中形成和深化科学思维是提升核心素养的重要环节。科学思维的形成和深化不能一蹴而就，需要经历一个符合认知水平、遵循物理学科逻辑的发展过程。学习进阶以核心概念和关键能力的发展历程为对象，描述学生的认知过程并提供针对性的教学改进方案。现有研究表明，“建模＋证实”模式已逐渐成为教育研究的主流范式之一。因此，笔者所在的研究团队开展了基于学习进阶理念的“渐进式深化科学思维”教学策略实践研究，围绕核心概念的发展进程，为学生搭建思维台阶，井然有序地深化科学思维，提升学科核心素养。本文以“动量定理”的教学为例，对其价值意蕴与设计路径展开探讨。

2“渐进式深化科学思维”教学策略的价值意蕴

2.1厘清概念发展逻辑，挖掘教材使用能力

动量定理的教学有三个核心环节：建立冲量概念、推导动量定理和应用动量定理。

“建立冲量概念”环节围绕动量、冲量和动量定理三个关键概念逐次展开。从物理概念体系分析，三个概念存在这样的层级关系：在建立冲量概念前，需要先理解动量的概念；有了冲量概念后，才能进一步建立动量定理的概念。动量、冲量、动量定理与“变化”这个共通概念相关联，并且三个关键概念都具有矢量性。

据此，笔者设计了“建立冲量概念”学习进阶示意图（见图1）。实践表明，该设计有助于厘清概念进阶的逻辑主线，使学生形成良好的认知结构，促进知识的迁移。

2.2预设中间认知状态，实时反馈，及时调整教学

笔者参考了“动量定理”已有的进阶研究的学情诊断分析，调查了学生对碰撞的迷思认知，确定了“动量”“动量变化”两个前概念，以此建构了“动量定理”概念学习进阶层级（见表1）。

“经验”层级至“整合”层级，体现了“动量定理”概念逐步建构的过程。随着层级的递进，一方面学生对概念的认知持续加深，从开始的现实经验到定量推导建立动量与冲量的联系；另一方面学生不断整合内化关键概念、共通概念、科学思维以及其他核心素养元素。隐藏情境复杂度也在不断提升，如从恒力定量推导表达式，发展为一般情境下的变力推导。矢量运算的认知也不是一步到位的，从一维方向发展到多维方向，需要学生不断提升认知。

至于定位学生处于哪个层级的第几序列，则依赖于进阶测评。现阶段的研究较多基于项目反应理论（如Rasch模型）开发“动量定理”知识点测试题作为诊断工具进行测评，以此诊断进阶难点，进而实时调整、改进教学。

2.3关注整合联系，注重素养形成

“渐进式深化科学思维”不只是要解决学生认知发展路径问题，更重要的是为认知发展路径寻求具体台阶，搭建支架。在学前进阶分析环节，为帮助学生建构核心素养各元素间的整合联系，并在概念进阶的过程中加强相应知识和能力的交互整合，笔者设计了“应用动量定理”环节整合联系框架（见图2）。

在进阶过程中，学生逐步提升质疑创新、科学论证的能力。进阶主线不仅重视进阶层级与物理学科核心素养维度的整合联系，还关注学科核心素养各维度之间的整合联系。［1］

3“渐进式深化科学思维”教学策略的设计路径

3.1经验——情境创设

情境1：教师播放飞鸟撞击飞机挡风玻璃的视频，引导学生观察碰撞效果。

情境2：教师组织学生往毛毯上扔生鸡蛋，比一比谁能砸碎鸡蛋。

【问题驱动】

问题：飞鸟撞击飞机造成了巨大的破坏，而用力扔生鸡蛋却砸不碎，两次碰撞效果为何大相径庭？

设计意图：基于对碰撞的迷思认知，激发疑问，引起思维冲突作为进阶起点，引入课题。

3.2映射——冲量概念的建构

【问题驱动】

问题1：什么是动量？动量有哪些特点？

问题2：什么是动量变化量？动量变化量有哪些特点？

问题3：哪个物理量引起了动量的变化？

任务一：理论探究，建构冲量概念。

在学生猜想的基础上，搭建简化建模情境，设计锚基任务。

如图所示，在光滑水平面上，质量为m的物体，在恒定力F作用下运动时间t，速度由v1变成v2，探究恒力与动量变化量有什么关系，即F与mv2－mv1有什么关系。

解析：由F＝ma，a＝v2－v1t，F＝mv2－v1t，得出Ft＝mv2－mv1。

【问题驱动】

问题1：Ft＝mv2－mv1等式两边分别代表什么？

问题2：Ft有什么物理意义？从哪些角度分析其特点？

问题3：哪个物理量引起了动量的变化？

教师组织讨论，引导学生建构新物理量Ft的概念。

设计意图：将课题内容转化为问题，将问题转化为情境，以问题为驱动，在问题情境中围绕设计的锚基任务开展教学活动，通过解决问题达到思维能力的提升。

首先，依据猜想，运用抽象和概括的方法搭建物理过程情境。在搭建过程中运用了抓住主要因素，舍弃非本质因素摩擦力的典型思维方法。

其次，在回顾动量、动量变化量的知识基础上建构新概念，运用类比迁移思维方法即从定义式、单位、矢标性、是状态量还是过程量的角度建构冲量概念模型。

最后，通过动量概念的进阶建构冲量概念，培养学生模型建构、科学推理的能力，促进物理观念与科学思维的整合联系，建构冲量概念可能是中间认知状态的关键进阶难点。

3.3关联——动量定理概念的建构

任务二：演绎推理，建构动量定理概念。

设置F为变力，引导学生再次推导表达式。结合Ft图像面积的物理意义，采用微元法分段列出动量定理表达式，再将分段表达式等号左右部分累加推导出Ft＝mv2－mv1表达式，即动量定理。

【问题驱动】

问题1：如何表述Ft＝mv2－mv1表达式？

问题2：从哪些角度分析其特点？

教师组织讨论，最终建构动量定理概念。

设计意图：新课教学更关注的是规律的生成过程，在过程中逐步深化发展思维能力。

学生经历了从特殊到一般的持续推理演绎归纳思维过程，体验科学思维的逻辑性和严密性。

采用分析与综合的方法突破思维的障碍。把变力Ft图像分解为若干小段恒力Ft图像（见图3）加以“分析”，分别分析小段恒力过程。

分析每一小段恒力Ft图像（见图4），列出各个过程表达式

在分析的基础上，进一步将等式左右两边累计相加

最终得出 Ft＝mvn－mv0。

通过动量、冲量概念的递进建构动量定理概念，采用多种科学思想方法培养学生模型建构、科学推理的能力，促进物理观念与科学思维的整合联系。动量定理的推导过程建构也可能是学生学习过程中的中间认知状态的关键进阶节点。

3.4系统——验证动量定理（实验探究）

任务三：质疑创新，验证动量定理。

【问题驱动】

问题：如何采用常见器材验证动量定理？

教师提供铁架台、打点计时器、纸带、重物等实验器材，引导学生分析实验原理，分组讨论实验方案。

实验方案：按如图5所示组装实验器材，无初速度释放纸带，重物下落，打点计时器在纸带上留下一系列的点。选取纸带中的一段，取Δt＝0.2s内的位移（见图6），测量并计算vF、vD，验证mgΔt＝mvF－mvD是否成立。

学生进行实验，将数据记录在表2中，通过计算对比，分析相对误差，论证实验成效。

设计意图：创设有效学生活动，让学生经历由情境到建模，由猜想到验证，最终得出结论的亲身体验过程。

首先，教师以实验为抓手，引导学生探寻动量定理物理模型的过程既验证了物理规律，又运用了物理规律。学生通过合作交流讨论出实验方案，在实验过程中培养自身实事求是、严谨认真的科学态度。

其次，学生的思维层次从基本层面逐步提升到高阶思维层面，即从物理规律的可验证性、可操作性提出疑问。学生根据提供的器材经历探讨实验原理、获取实验数据、论证实验结果的一系列的实验思维过程，在动手动脑的科学探究过程中，激发了科学思维，提升了科学推理、科学论证的高阶思维能力。

再次，加强各知识点间的横向联系，渗透比较和分类的思维方法：相同的实验装置既可以做探究动能定理实验，又可以做验证机械能守恒定律实验，还可以做验证动量定理实验。

最后，科学思维驱动着科学探究，科学探究也发展着科学思维，两者相互促进，相辅相成。立足于典型理科特色的模型建构、科学推理等思维元素，加强科学思维与科学探究各环节的关联，综合运用抽象与概括、类比迁移、比较分类、归纳与演绎等科学思维方法，形成运用科学思维的主动意识，最终形成科学思维的内化，养成分析、解决问题的关键能力。

4结语

“渐进式深化科学思维”教学策略有助于搭建思维台阶，让学生亲身经历思维演化、模型建构、科学推理等过程，体验归纳与演绎、类比、分析与综合等多种基本思维方法的综合运用。以理论推导、验证实验活动为载体积聚思维量变，突破思维瓶颈，进阶式地内化批判性思维和创造性思维，从而达到形成和深化科学思维，提升学科核心素养的目标。

参考文献

［1］姚建欣，何春生.基于学习进阶的中学物理教学改进研究：机械运动与力［M］.北京：北京师范大学出版社，2020：28－33.

**基金项目：本文系2023年江苏省教师发展研究“教师教育职前职后一体化”专项课题“教育大数据下基于掌握学习的中学物理教学案例研究”（课题编号：jsfz－e17）的阶段性研究成果。