淺談如何構(gòu)建高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學以培養(yǎng)學生的高階思維

江茶芳

摘 要：培養(yǎng)人才，很重要的一個因素在于培養(yǎng)科學的高階思維。在課標的指導下，高中物理教師樹立了培養(yǎng)高階思維的教育理念。高質(zhì)量的高中物理課堂大概念教學是培養(yǎng)學生高階思維能力最有效的途徑。本文以物理“向心力”的課堂教學為例，開展教學思考與探討，立足于筆者多年的一線教學實踐研究，提出了一些教育理念及教學操作。

關鍵詞：高中物理；高階思維；高質(zhì)量課堂；大概念教學

物理學是一門重視邏輯推理、崇尚理性思維的科學，也是一門實驗科學，是所有自然科學研究的基礎學科。物理學的發(fā)展推動著社會和人類文明的發(fā)展。高中物理是物理學的入門級科目，知識比較抽象，涉及領域廣泛，給學生學習帶來一定困難。高階思維是學好高中物理的必備能力。我國著名科學家高士其曾說過：“思維科學是培養(yǎng)人才的科學?！敝袊F(xiàn)代化發(fā)展急需人才，培養(yǎng)一個人成才，很重要的一個因素在于科學的高階思維，高中物理本身就是高階思維的產(chǎn)物，高階思維培養(yǎng)與高中物理的學習，特別是物理大概念的構(gòu)建是分不開的，因此高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學是培養(yǎng)學生高階思維的最有效途徑。

一、高質(zhì)量課堂的內(nèi)涵

何謂高質(zhì)量的課堂？1.高質(zhì)量課堂要持續(xù)地激發(fā)學生的主動性。梅耶爾（美國當代名師，是一個具有教育理想主義情懷的教育思想家。在紐約市進行了20多年的小規(guī)模辦學實驗，取得巨大成功，并領導了紐約和全國的小規(guī)模辦學運動。這些學校被視為全國教育改革的典范，并且是全國性學校組織“要素學校聯(lián)盟”的成員。）認為：高質(zhì)量的教學是持續(xù)地發(fā)起學生的主動性，調(diào)動他們對世界的好奇心，激發(fā)他們不斷地發(fā)現(xiàn)問題，并對所有人的思想進行嚴密推理驗證。2.高質(zhì)量課堂講求教學的邏輯性。教師進行教學設計時，有意識地構(gòu)建問題鏈，可以有效地促進教學邏輯的形成[1]。3.高質(zhì)量課堂注重教學活動、實驗的創(chuàng)設，積極探索基于情境、問題導向的體驗式課堂教學[2]，體驗式與互動式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學的主要模式。4.高質(zhì)量課堂往往擁有大概念教學的理念。5.教學常以開放性啟智問題代替封閉式作業(yè)……教師應擁有非常多的方式可以讓教育更有趣，達到用育人目的整合技術教學的境界，教師要投入大精力去構(gòu)建高質(zhì)量課堂。

一堂高質(zhì)量課堂教學具備的效果是：1.教師教學思路清晰，教學設計新穎巧妙，知識傳授的準度、高度、深度、廣度充分體現(xiàn)；2.學生思想、興趣被最大化地調(diào)動起來，思維敏捷；3.教學邏輯嚴密，環(huán)節(jié)緊湊，引人入勝；4.思維、想象空間應得以極大化拓寬；5.教師上課要滿懷激情，帶動學生進入科研角色。

二、高階思維與大概念教學

（一）高階思維

高階思維，是指發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力。認知目標在高階思維方面體現(xiàn)為分析綜合、評價和創(chuàng)造。高階思維能力具體為創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力，是人類適應智能時代發(fā)展的關鍵能力[3]。高階思維：回憶—理解—應用—分析—評價—創(chuàng)造。

（二）大概念教學

學科大概念，是指向?qū)W科核心內(nèi)容和教學核心任務、反映學科本質(zhì)、能將學科關鍵思想和相關內(nèi)容聯(lián)系起來的最關鍵的概念。大概念是幫助學生認識世界和理解世界的、少數(shù)的、可遷移的核心概念。大概念教學就是以大概念為核心目標的教學，它指向培養(yǎng)學生解決真實問題的素養(yǎng)。大概念的生成：“事實、現(xiàn)象、例子—具體概念—核心概念與方法—學科大概念—跨學科大概念—哲學觀念”。

（三）高階思維能力與大概念教學是分不開的

具體與抽象的協(xié)同思維生成大概念，沒有高階思維能力就無法構(gòu)建大概念，同時大概念的構(gòu)建是高階思維能力運作的目的及意義所在，當然沒有大概念的理念及涵養(yǎng)，也無法擁有高階思維能力。

三、高質(zhì)量高中物理大概念課堂教學是高階思維能力的最佳培養(yǎng)方式

首先，高中物理學科是高階問題鏈生成的沃土。問題鏈可以有效地促進教學邏輯的形成，培養(yǎng)高階思維能力。

其次，高質(zhì)量高中物理課堂學習模式是高階思維能力的最佳培養(yǎng)方式。高質(zhì)量高中物理課堂教學中采取發(fā)現(xiàn)、探究、科研等學習模式。其學習模式的運轉(zhuǎn)在高階思維方面體現(xiàn)為分析綜合、評價和創(chuàng)造，在高階思維能力方面具體為創(chuàng)新能力、問題求解能力、決策力和批判性思維能力。

最后，高階思維能力的培養(yǎng)與高中物理大概念教學是相輔相成的。

四、高中物理高階思維能力培養(yǎng)高質(zhì)量課堂大概念教學及同步分析（以“向心力”課堂教學為例）

課題：大概念之向心力

大概念教學要求教師站得更高，要有“單元教學”的功底，進行單元規(guī)劃，確定單元任務和目標。此課程是筆者為培養(yǎng)學生高階思維并依據(jù)學生學情而進行單元規(guī)劃設計的章末綜合拔高大概念課，并非教材原始新課內(nèi)容。要想培養(yǎng)好學生的高階思維，往往需要教師在各章節(jié)末設計培養(yǎng)相應高階思維的大概念課程。

教學單元：圓周運動

學情分析：本課前學生已經(jīng)學習了描述勻速圓周運動的各物理量、向心力概念，知道了豎直面圓周運動最低點、最高點向心力的計算，初步理解了做整豎直圓周運動的條件及計算，已經(jīng)學習了動力學原理：法向的力只改變速度的方向；切向的力只改變速度的大小。

總體策略：

1.提出問題，高階思維“回憶”，引入概念（體現(xiàn)在該教學流程1、2、3）；

2.探究問題，高階思維“分析、綜合、評價和創(chuàng)造”，建立概念（體現(xiàn)在該教學流程4）；

3.深化問題，高階思維“理解、應用、創(chuàng)造”，理解概念（體現(xiàn)在該教學流程5、6）；

4.解決問題，高階思維“應用、評價”，鞏固概念（體現(xiàn)在該教學流程7）；

5.高階思維“分析、評價、創(chuàng)造”，促進大概念及物理情懷的誕生（體現(xiàn)在該教學流程8）。

教學流程及教學建議：

流程1：實驗引入，實驗猜想：球若脫離豎直圓軌道做什么運動？自由落體？斜拋？根本核心問題即脫離時，球的速度等不等于零？

教學主題：實驗演示球不脫離豎直圓軌道的兩種運動：始終在圓心等高處以下部分軌道來回晃蕩；完整圓周運動。

學習模式：過山車模型情境創(chuàng)設（切合教學目的巧妙設計實驗引入，真實有趣）。

思維培養(yǎng)：實驗猜想（逆向思維，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題能力）。

流程2：提出解決實驗猜想的理論研究方向：法向的力與向心力的關系。

教學主題：法向的力與切向的力比較，圓周運動中向心力屬于法向的力；高階問題生成。

學習模式：合作小組學習、討論（不做球脫離豎直圓軌道的實驗，也不告知學生答案，讓學生保持好奇，鼓勵學生先理論推理再實驗驗證，運用探究、發(fā)現(xiàn)學習模式）。

思維培養(yǎng)：理論猜想（溯源思維，培養(yǎng)學生問題求解能力）。

流程3：提煉平常養(yǎng)成的科學探究策略

教學主題：科學思維即從簡單情境入手；兩大基本突破方法：正交分解、微積分的思維方法；科學理論的統(tǒng)一性。

學習模式：回憶—討論—決策（小組討論，調(diào)動學生理論證明的自信，促進學生提煉出科學探究的策略）。

思維培養(yǎng)：科學思維（培養(yǎng)學生決策能力）。

流程4：借研究一切運動的法向合力與向心力的關系培養(yǎng)學生的高階思維

思維培養(yǎng)：分析能力、綜合能力、創(chuàng)造能力（啟發(fā)全體學生以科研者角色進行獨立深層思考，支持學生敢于質(zhì)疑、敢于闡述自己的見解，運用探究式學習的模式，合作探討、分析、類比、歸納、推理系列學習活動中去，引導學生全面系統(tǒng)地層層深入分析推理，得出揭示科學本質(zhì)的論點）。

教學主題及學習模式：研究一切運動的法向合力與向心力的關系（學生小組討論，分析歸納，拓展延伸，展示交流，促進學生生成：勻速圓周運動→變速圓周運動→一般曲線運動→直線運動，系統(tǒng)分析全面研究的策略）。

從簡單入手：勻速圓周運動

回憶——做勻速圓周運動的物體：速度大小不變，只是方向在改變，所受的合力是法向的力（Fn）提供向心力。

兩種方法突破：

①變速圓周運動：微積分思維——變速圓周運動：由大量的極短時間內(nèi)勻速圓周運動構(gòu)成；正交分解：法向、切向——結(jié)論：法向合力為該點的向心力。

②一般曲線運動：把一般曲線分割為大量極短的小段，每一段都看成極小段圓弧[4]。這些圓弧具有不同的曲率半徑。在分析質(zhì)點經(jīng)過曲線上某位置的運動時可以采用圓周運動的分析方法進行處理。結(jié)論：法向的合力（Fn）提供向心力。

科學理論的統(tǒng)一性——直線運動

勻速圓周運動、變速圓周運動、一般曲線運動，法向合力提供該點的向心力（引導學生由科學理論統(tǒng)一性的思想方法預判：直線運動法向合力也應提供向心力的觀點，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維）。

綜上推理所有運動（含直線運動）法向合力提供向心力。

（引導學生質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維能力，提出以下矛盾）

直線運動法向合力Fn=0

向心力公式：Fn=mv²/R（引導學生根據(jù)具體感受解決矛盾，培養(yǎng)創(chuàng)造能力）

直線運動可看成R→∞的圓周運動，則其向心力也等于零，得統(tǒng)一。

結(jié)論：直線運動法向合力提供向心力。

總結(jié)：勻速圓周運動、變速圓周運動、一般曲線運動、直線運動，一切運動的法向合力提供該點的向心力（學生揭示科學本質(zhì)的論點，高階思維促進物理概念的構(gòu)建）。

流程5：利用結(jié)論解決實驗猜想并做實驗佐證

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維及評價能力（引導學生先運用高階思維能力，先理論推導再實驗驗證，解決實驗猜想，學生體驗到創(chuàng)造性思維運用的成就感）。

教學主題及情境創(chuàng)設：

理論推理

利用結(jié)論解決實驗猜想：物體在豎直圓軌道上通過圓心等高處又未到達圓最高點，脫離圓軌道后將做什么運動？（引導學生頓悟，利用一切運動法向合力提供該點的向心力的結(jié)論作為理論解決實驗猜想）

學生得出正確結(jié)論：斜拋運動。

學生理論證明：Fn=mv²/R

球即將離開軌道，與軌道只接觸沒有相互作用，故只受重力作用，重力正交分解，法向合力不為零，質(zhì)量、半徑為確定值，由向心力公式得速度不等零，方向為軌跡該點圓的切線方向：斜向上，故為斜拋運動。（學生的高階思維得以充分運作，自然進入實驗驗證環(huán)節(jié)）

實驗驗證

做過山車實驗驗證（促進學生思考釋放高度范圍值）：實驗現(xiàn)象球脫離圓軌道后做斜拋運動，引導學生觀察，慢播放實驗錄像、信息技術動畫模擬。（引導學生明白由這個實驗現(xiàn)象也逆向定性證明了“一切運動法向合力提供該點的向心力”的理論的正確性）

流程6：例題求解——升華例題為該“理論”定量證明的實驗設計思路

思維進階：創(chuàng)造性思維（教師精心設計一題多解的原創(chuàng)題，促進“發(fā)現(xiàn)學習”，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維）。

教學主題及情境創(chuàng)設：

原創(chuàng)例題求解

例：小球（質(zhì)點）沿著豎直面內(nèi)的光滑曲線槽狀軌道（過山車模型）從ɑ點釋放滑下，沿圓軌道運動b點離開軌道，已知ɑ點高度H=15m，b點高度h=13m，R=9m，求小球離開軌道時的速度大小。（g=10m/s2）（引導學生一題多解）

方法1：球從ɑ運動到b的過程機械能守恒，mg（H-h）=mv²/2

方法2：在b點重力法向、切向正交分解mgcosθ=mv²/R

實驗設計思路

升華例題為“一切運動法向合力提供該點的向心力”理論定量證明的實驗設計思路，利用上面解題方法1“機械能守恒”驗證方法2“法向合力提供該點的向心力”的結(jié)論，明白實驗器材軌道要盡量光滑是減小誤差以精確驗證的關鍵，布置該實驗的具體設計為課后作業(yè)。

（布置實驗設計的開放性課后作業(yè)，有利于培養(yǎng)學生項目調(diào)研能力、科學探究能力、決策和問題求解能力、培養(yǎng)科學態(tài)度與責任）

流程7：遞進式例題演練

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維（教師精選題目，編排向心力遞進式例題，促進學生形成物理概念，內(nèi)化方法，通透解題）。

流程8：升華為大概念

思維培養(yǎng)：創(chuàng)造性思維（教師更深層次設計高階問題，開放性的、創(chuàng)造性的，促進學生深度思考，激發(fā)學生的高階思維更高維度的運作）。

教學主題及情境創(chuàng)設：

學生分組討論活動

學生就本節(jié)課理論聯(lián)系實際運動展開討論，并派代表發(fā)表見解（學生深度思考，部分學生突破維度，展開對平拋運動、近心運動、離心運動的創(chuàng)造性思考，靈感誕生，思維進階到高潮）。

簡單啟發(fā)（面向全體學生，照顧未悟道的學生，啟發(fā)思考，共贏共情）

提問突破維度的學生分析講解，應用所有運動法向合力提供該點向心力的動力學原理分析平拋運動及離心、近心運動軌跡特點。例如：離心運動產(chǎn)生的分析，當物體法向合力減小，而且速度不突變，根據(jù)結(jié)論（一切運動法向合力提供該點的向心力）推理：∵Fn=mv²/R，F(xiàn)n減小，V不變，m不變，∴R增大，即離心運動。

感悟物理大概念之美，培養(yǎng)學生的物理情懷

學生領悟到圓周運動的圓周保證、近心運動的“近心”、離心運動的“離心”、平拋運動等，所有運動及其軌跡的誕生受法向合力提供該點向心力的動力學原理支配，這過程高階思維運作及大概念的誕生令學生內(nèi)心久久不能平復，震撼于物理大概念教學之美……

該課無疑具備高質(zhì)量課堂教學的特點，教學邏輯嚴密。教師在備課時精心研究，巧妙設計實驗引入問題，生成問題鏈，結(jié)合課程自主編創(chuàng)例題，一題多解，引導學生由原創(chuàng)例題悟出實驗原理，布置實驗驗證開放性作業(yè)，高中物理學科特有的價值予以充分挖掘，基于情境、問題導向的體驗式課堂教學，體驗式與互動式、啟發(fā)式、探究式等成為課堂教學的主要模式，整節(jié)課理論、實驗、習題三者相輔相成，深入淺出，高潮迭起，一氣呵成，碰撞出學生智慧的火花，不但掌握了物理概念、促進大概念的生成，還培養(yǎng)了高階思維能力。

結(jié)束語

教師應充分挖掘高中物理教材的理論及實驗特點，運用自己的智慧對教學進行頂級設計，多方開發(fā)構(gòu)建高質(zhì)量課堂，激發(fā)學生學習興趣，積極探究大概念教學，培養(yǎng)學生理論推理和實驗驗證的創(chuàng)造能力，從而培養(yǎng)學生的高階思維。學生一旦擁有高階思維能力勢必擁有終身學習、科研的能力，可以自發(fā)地在較高認知水平層次上進行心智活動，那終將成為一名造福人類的人才。

參考文獻

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