問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下的高中物理高階思維課堂實(shí)踐

李旭斌 陳曉陸

摘? ?要：以人教版高中物理必修一“超重和失重”為例，從“問(wèn)題”“活動(dòng)”“生成”３個(gè)維度構(gòu)建物理高階思維課堂。課前通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生利用手機(jī)、體重秤、便攜式手提秤等家用設(shè)備探究生活中的超重和失重現(xiàn)象，課上通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)呈現(xiàn)超重和失重的認(rèn)識(shí)過(guò)程，區(qū)分超重和失重的方法，運(yùn)用Phyphox軟件測(cè)量手機(jī)對(duì)手掌壓力的極值，推理壓力為零條件下的手機(jī)受力特點(diǎn)并建立完全失重概念，并通過(guò)有關(guān)太空生活的問(wèn)題深化對(duì)完全失重概念的理解。

關(guān)鍵詞：高中物理；問(wèn)題驅(qū)動(dòng)；高階思維；超重；失重；Phyphox軟件

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）8-0006-3

高階思維包含分析綜合、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造（創(chuàng)新）。問(wèn)題引領(lǐng)下的高階思維課堂教學(xué)，是通過(guò)教師引導(dǎo)下的問(wèn)題解決，讓學(xué)生基于事實(shí)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建物理模型，運(yùn)用抽象概括、分析綜合、推理論證分析解決問(wèn)題，基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解，旨在提升學(xué)生的高階思維品質(zhì)。

如何有效提升和發(fā)展學(xué)生高階思維？如何引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)反思和質(zhì)疑、交流和評(píng)估產(chǎn)生新的問(wèn)題？這些都是值得研究的方面。高效的高階思維課堂主要由“問(wèn)題”“活動(dòng)”“生成”３個(gè)維度構(gòu)成［１］。其中，問(wèn)題（鏈）的設(shè)計(jì)應(yīng)具備開(kāi)放性、挑戰(zhàn)性、層次性、多解性等一系列特征［２］，具體實(shí)施可在課前通過(guò)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)，給予學(xué)生充分時(shí)間進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維活動(dòng)，并培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)；課上通過(guò)問(wèn)題（鏈）引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑批判提出創(chuàng)造性見(jiàn)解、檢驗(yàn)修正完善自我認(rèn)識(shí)，從而得到高水平生成，并發(fā)展學(xué)生分析綜合、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造（創(chuàng)新）的高階思維。下面以筆者親自教授的“超重和失重”研究課為例，分享如何實(shí)現(xiàn)一節(jié)高效的高階思維課堂教學(xué)。

１? ? 探究性的活動(dòng)體驗(yàn)是高階思維課堂的必備前提

【任務(wù)】 居家探究生活中的超重和失重現(xiàn)象。

【內(nèi)容】 預(yù)習(xí)人教版高中物理必修一第四章第６節(jié)“超重和失重”，利用手機(jī)、體重秤、便攜式手提秤等工具居家探究超重和失重現(xiàn)象。在手機(jī)中下載Phyphox軟件，并用軟件中的“加速度”功能記錄研究對(duì)象（人或手機(jī)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化情況，觀察不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)量?jī)x器示數(shù)變化情況，并解釋所看到或感受到的現(xiàn)象。

【要求】 利用周末時(shí)間獨(dú)立完成，闡述實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、問(wèn)題提出、理論解釋。

該任務(wù)具備開(kāi)放性、挑戰(zhàn)性，學(xué)生可自主選擇常用的手機(jī)、體重秤、手提秤等設(shè)備進(jìn)行探究，制訂實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，該任務(wù)具備層次性，學(xué)生完成任務(wù)時(shí)，需要依次經(jīng)歷儀器示數(shù)變化規(guī)律的總結(jié)、物理模型的建構(gòu)、科學(xué)推理論證、現(xiàn)象解釋，并在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下自發(fā)地對(duì)“研究對(duì)象（人或手機(jī)）的狀態(tài)如何變化？”“儀器示數(shù)是什么力產(chǎn)生的？”“為什么儀器示數(shù)會(huì)變大（變?。?？”“儀器示數(shù)與研究對(duì)象加速度間有何關(guān)系？”等一系列層層遞進(jìn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，建立超重和失重的概念。

２? ? 科學(xué)的問(wèn)題設(shè)計(jì)是實(shí)施高階思維課堂的基礎(chǔ)

好的問(wèn)題是讓學(xué)生在回答過(guò)程中充分經(jīng)歷科學(xué)思維活動(dòng)過(guò)程，通過(guò)相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)、激發(fā)需求、難度適當(dāng)?shù)膯?wèn)題，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行質(zhì)疑批判、檢驗(yàn)修正，提升認(rèn)知、形成高階思維品質(zhì)［３］。

問(wèn)題１：你的實(shí)驗(yàn)方案是怎樣的？看到了什么現(xiàn)象？提出了哪些問(wèn)題？（指向問(wèn)題意識(shí)的培養(yǎng)）

問(wèn)題２：你提出的問(wèn)題有明確的答案嗎？如何理解超重和失重？（指向模型建構(gòu)、推理論證的科學(xué)思維，分析綜合的高階思維）

問(wèn)題３：還有什么不同的方案探究超重和失重？你對(duì)超重和失重又有怎樣的理解？（指向質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維，評(píng)價(jià)創(chuàng)新的高階思維）

問(wèn)題４：通過(guò)以上同學(xué)的分享，你對(duì)超重和失重有何新的認(rèn)識(shí)？如何通過(guò)加速度的方向區(qū)分超重和失重？（指向檢驗(yàn)修正、完善認(rèn)知的高階思維）

問(wèn)題５：能否運(yùn)用Phyphox軟件和能用到的測(cè)量工具，測(cè)量手掌托舉手機(jī)抬升、下降過(guò)程中，手機(jī)對(duì)手掌的最大壓力和最小壓力？（指向創(chuàng)新的高階思維，模型建構(gòu)、科學(xué)推理的科學(xué)思維）

問(wèn)題６：ａ－ｔ圖像最低處，當(dāng)手機(jī)對(duì)手掌壓力為零時(shí)，手機(jī)受力有何特點(diǎn)？加速度有何特點(diǎn)？手機(jī)處于什么狀態(tài)？（指向分析綜合的高階思維，推理論證的科學(xué)思維）

問(wèn)題７：如圖１，閱讀人教版高中物理必修一中的相關(guān)素材，提出你感興趣的問(wèn)題，大家一起分析和解決這些問(wèn)題。（指向問(wèn)題意識(shí)的培養(yǎng)）

以上問(wèn)題鏈在給學(xué)生搭建自我展示平臺(tái)的同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新，采用不同的方案解釋現(xiàn)象，并通過(guò)檢驗(yàn)修正完善對(duì)超重、失重的認(rèn)識(shí)。鼓勵(lì)以獨(dú)特的視角進(jìn)行探究，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，設(shè)計(jì)測(cè)量手機(jī)對(duì)手掌壓力極值的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)科學(xué)探究、合作交流、分析綜合、推理論證，建立完全失重概念，同時(shí)通過(guò)問(wèn)題的提出和解決深化對(duì)完全失重概念的理解。

３? ? 課堂的實(shí)際生成是檢驗(yàn)學(xué)生是否形成高階思維的最好憑證

高階思維課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)教師引導(dǎo)和學(xué)生主體的雙主基調(diào)，學(xué)生是在教師問(wèn)題鏈驅(qū)動(dòng)下完成思維要素的應(yīng)用、高階思維的生成、概念認(rèn)識(shí)的形成，而不是因?yàn)橛辛祟A(yù)習(xí)任務(wù)，就一味地讓學(xué)生自我展示、片面地追求學(xué)生主體的形式，這樣就弱化了教師的引導(dǎo)作用和學(xué)生的實(shí)際獲得。

通過(guò)問(wèn)題１、問(wèn)題２，有學(xué)生在體重秤上下蹲和起立進(jìn)行探究，提出“為什么下蹲過(guò)程中體重秤示數(shù)先減小后增大？”“為什么起立過(guò)程中體重秤示數(shù)先增大后減?。俊睒?gòu)建支撐物模型，以人為研究對(duì)象并進(jìn)行受力分析，通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋現(xiàn)象，并提出“重物對(duì)支撐物壓力大于（小于）重力的現(xiàn)象是超重（失重）現(xiàn)象”，學(xué)生的呈現(xiàn)過(guò)程如表１所示，學(xué)生的思維活動(dòng)體現(xiàn)了模型建構(gòu)、推理論證的科學(xué)思維要素，以及分析綜合的高階思維過(guò)程。當(dāng)然，還有學(xué)生提出在直梯中測(cè)量體重進(jìn)行探究，具體過(guò)程不再贅述。

問(wèn)題３給學(xué)生評(píng)價(jià)機(jī)會(huì)的同時(shí)，還給不同方案的學(xué)生提供了展示的契機(jī)，有學(xué)生用便攜式手提秤提著手機(jī)進(jìn)行探究，提出“為什么提起手機(jī)過(guò)程中拉力先增大后減?。俊薄盀槭裁捶畔率謾C(jī)過(guò)程中拉力先減小后增大？”構(gòu)建懸掛物模型，以手機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋現(xiàn)象，并提出“重物對(duì)懸線的拉力大于（小于）自身重力的現(xiàn)象是超重（失重）現(xiàn)象”，學(xué)生的呈現(xiàn)過(guò)程如表２所示，學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維活動(dòng)、評(píng)價(jià)創(chuàng)新的高階思維活動(dòng)均得到體現(xiàn)。

問(wèn)題４綜合不同方案下的結(jié)論，學(xué)生通過(guò)交流、評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)不同方案下的超重、失重現(xiàn)象存在共性，即加速度向下物體處于失重狀態(tài)，加速度向上物體處于超重狀態(tài)，并以加速度方向區(qū)分超重和失重。該過(guò)程體現(xiàn)了通過(guò)檢驗(yàn)修正、完善和優(yōu)化認(rèn)知的高階思維過(guò)程，即評(píng)價(jià)創(chuàng)新的體現(xiàn)。

問(wèn)題５建立在以加速度方向區(qū)分超重和失重現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，學(xué)生用便攜式手提秤測(cè)量手機(jī)質(zhì)量，通過(guò)分析判斷壓力的最小值出現(xiàn)在圖２中ａ－ｔ圖像的最低位置，壓力的最大值出現(xiàn)在圖２中ａ－ｔ圖像的最高位置。軟件采集最低點(diǎn)數(shù)據(jù)ａ１（取絕對(duì)值），根據(jù)牛頓第二定律方程ｍｇ－Ｆ支＝ｍａ１計(jì)算最小支持力大小，最后根據(jù)牛頓第三定律得到壓力最小值；軟件采集最高點(diǎn)數(shù)據(jù)ａ２，根據(jù)牛頓第二定律方程Ｆ支－ｍｇ＝ｍａ２計(jì)算最大支持力大小，最后根據(jù)牛頓第三定律得到壓力最大值。該過(guò)程體現(xiàn)了借助手機(jī)定量測(cè)量壓力極值的創(chuàng)新方案、非平衡狀態(tài)下運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律測(cè)量壓力這一創(chuàng)新的高階思維，同時(shí)學(xué)生也經(jīng)歷了模型建構(gòu)、科學(xué)推理的科學(xué)思維要素。

建立在學(xué)生分析解決問(wèn)題５的基礎(chǔ)上，教師通過(guò)問(wèn)題６引導(dǎo)學(xué)生推理圖像最低處壓力為零時(shí)的加速度（圖2），發(fā)現(xiàn)此時(shí)手機(jī)只受重力作用，且加速度為ｇ，建立完全失重概念。該過(guò)程指向分析綜合的高階思維、推理論證的科學(xué)思維，建立完全失重的概念。

學(xué)生通過(guò)居家實(shí)驗(yàn)展示底部鉆有小孔的水瓶在自由下落過(guò)程中水不流出的現(xiàn)象，并根據(jù)完全失重狀態(tài)下水對(duì)瓶底無(wú)壓力進(jìn)行解釋。最后通過(guò)問(wèn)題７提出“航天員處于完全失重狀態(tài)，他們受力嗎？”“為什么不落回地面？”“為什么液體呈球形？”“為什么液體中的氣泡不受浮力？”“航天員在太空中如何測(cè)量體重？”……并通過(guò)思考、討論對(duì)以上問(wèn)題的答案達(dá)成共識(shí)，深化對(duì)完全失重概念的理解。

４? ? 結(jié)? 論

高效的高階思維課堂重在問(wèn)題設(shè)計(jì)、活動(dòng)體驗(yàn)、實(shí)際生成３個(gè)維度的串聯(lián)［１］，教學(xué)設(shè)計(jì)不能僅停留在知識(shí)層面，應(yīng)借助問(wèn)題（鏈）引導(dǎo)學(xué)生親歷科學(xué)思維要素，發(fā)展高階思維，促進(jìn)認(rèn)識(shí)的形成完善；同時(shí)，教師應(yīng)善于借助問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生反思和質(zhì)疑、交流和評(píng)估，并提出新的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

［１］李旭斌．基于核心素養(yǎng)的高中物理高階思維課堂創(chuàng)設(shè)［Ｊ］．物理通報(bào)，２０２３（３）：７６－７９．

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［３］馬云秀．通過(guò)科學(xué)探究 培養(yǎng)高階思維能力——以“機(jī)械能守恒定律”一課教學(xué)為例［Ｊ］．物理教師，２０１８，３９（１２）：１６－１８，２２．

（欄目編輯? ? 趙保鋼）