高中生物理高階思維能力的現(xiàn)狀與分析

2022-12-12 08:29李林方明

物理通報 2022年12期

李林方明

(渤海大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院遼寧錦州 121000)

高階思維能力主要是指在處理復(fù)雜問題時所表現(xiàn)出來的能力.隨著課改的不斷推進，物理教學(xué)中也越來越重視對學(xué)生思維能力的培養(yǎng).《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)中將科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提出科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，體現(xiàn)了學(xué)生思維培養(yǎng)的重要性[1].隨著社會的發(fā)展，我們已經(jīng)進入知識和信息爆炸式增長的時代，人們不能只局限于學(xué)會科學(xué)文化知識，還要有會學(xué)習(xí)的能力.因此,培養(yǎng)高階思維能力是當今社會的要求，也是我們教育過程中要重點關(guān)注的方面.所以，調(diào)查高中生物理高階思維能力發(fā)展狀況，找出高階思維培養(yǎng)中存在的問題，對于物理教育具有重要的意義.

1 物理高階思維能力維度劃分

對于高階思維能力的概念，很多學(xué)者提出了不同的觀點.許多西方學(xué)者，包括國內(nèi)的大部分研究，都基于布魯姆的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，將后3個維度，即分析、綜合、評價作為高階思維.而鐘志賢教授則認為高階思維能力是一種高層次認知水平上的心智活動和認知能力,認為學(xué)生的批判性、創(chuàng)新性以及反思能力是學(xué)生高階思維能力的重要組成部分[2].斯滕伯格的三元智力理論指出，高階思維能力所對應(yīng)的是成功智力，主要有分析、創(chuàng)新、實踐3方面的思維能力構(gòu)成.

本文基于SOLO分類理論，將學(xué)生思維能力進行分層.在思維的結(jié)構(gòu)上從簡單到復(fù)雜、從具體到抽象.思維結(jié)構(gòu)由低到高依次為前結(jié)構(gòu)水平、單點結(jié)構(gòu)水平、多點結(jié)構(gòu)水平、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平和抽象拓展結(jié)構(gòu)水平[3],將后兩種水平歸結(jié)為高階思維，具體層級如圖1所示.

圖1 基于SOLO分類理論的思維水平分層

結(jié)合許多學(xué)者的觀點，本文將物理高階思維能力分為4個維度，即分析、綜合、評價、創(chuàng)造.

(1)分析能力

分析能力是學(xué)生在處理問題中進行比較概括的基礎(chǔ).在日常學(xué)習(xí)中主要表現(xiàn)為幾個方面：一是學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)知識時能進行比較，看到它們的異同點；二是對所學(xué)的知識進行梳理，理解其中的聯(lián)系；三是對同一問題能夠多方面深入地思考.較強的分析能力能使學(xué)生快速理清復(fù)雜問題，為解決問題奠定基礎(chǔ).

(2)綜合能力

綜合能力是學(xué)生在理清問題的基礎(chǔ)上，進行整合和歸納.在學(xué)習(xí)過程中主要表現(xiàn)在3個方面：一是能對知識間進行整合總結(jié)，構(gòu)建起它們間的邏輯關(guān)系；二是能建立知識體系，形成結(jié)構(gòu)化的知識；三是在不同學(xué)科之間可以進行整合，形成跨學(xué)科的知識聯(lián)系.綜合能力強的學(xué)生往往能發(fā)現(xiàn)事物的隱藏聯(lián)系，能夠全面而深入地把握問題.

(3)評價能力

評價能力主要用于學(xué)生對問題解決情況的檢查以及運用假設(shè)解決問題方面.在日常學(xué)習(xí)中，可以從以下幾個方面觀察學(xué)生的評價能力：一是在學(xué)習(xí)知識時，能夠進行質(zhì)疑，提出問題；二是對于自己掌握知識情況能夠進行合理的評價；三是對于驗證性的問題，能夠合理進行論證.評價能力關(guān)系到學(xué)生問題解決的準確度，是高階思維能力的重要組成維度.

(4)創(chuàng)造能力

創(chuàng)造能力是學(xué)生創(chuàng)造性解決問題，提出創(chuàng)新性方案的必備能力.在學(xué)習(xí)過程中主要表現(xiàn)在以下3個方面：一是面對復(fù)雜問題，能提出創(chuàng)造性的解決方案；二是進行物理實驗時能夠提出創(chuàng)新性有效的實驗方法；三是根據(jù)實驗要求，動手制作新的符合要求的實驗器材.創(chuàng)造能力是較為復(fù)雜的思維能力，是培養(yǎng)學(xué)生物理高階思維能力應(yīng)著重關(guān)注的方面.

高階思維能力的主要內(nèi)涵如圖2所示.

圖2 高階思維能力主要內(nèi)涵

2 高中生物理高階思維能力現(xiàn)狀調(diào)查與分析

(1)調(diào)查問卷設(shè)計與統(tǒng)計分析

基于高中生高階思維能力的4個維度，經(jīng)過查閱文獻，與專業(yè)教師訪談，最終編制成高中生物理高階思維能力測試問卷，將每個維度分為4個水平，分別對應(yīng)1、2、3、4分，共16道題，分別測量高中生物理高階思維能力的4個維度.與許多一線教師訪談，大部分教師認為高階思維能力發(fā)展關(guān)鍵期在高二，因此,本研究從錦州市某中學(xué)選取了2個平行班共80名高二學(xué)生作為研究對象，在學(xué)生自習(xí)課上發(fā)放匿名試卷，要求學(xué)生在40min內(nèi)獨立完成，最終將試卷全部收回，分析高中生高階思維能力得分總體情況，統(tǒng)計了高中生的問卷分值大致區(qū)間，最高分、最低分、平均分差異值分值分布如表1和圖3所示.

表1 問卷分值分布

圖3 百分制下高中生物理高階思維能力各維度得分情況

(2)調(diào)查問卷信度效度分析

針對每個維度的4個問題，運用spss軟件分析各維度的克隆巴赫信度系數(shù)，各維度均在0.7以上，說明具有比較好的可信度.問卷的KMO值均在0.7以上，而各維度都有P<0.001，說明問卷有較好的效度.因此，該問卷能夠比較好地反映該階段學(xué)生的物理高階思維發(fā)展狀況.其中各個維度的測試數(shù)值分布如表2所示.高中物理高階思維能力各維度雷達圖如圖4所示.

圖4 高中生物理高階思維能力各維度雷達圖

表2 問卷信度與效度分析

(3)基于實證的課堂觀察分析

為了更清晰地把握學(xué)生的思維聯(lián)結(jié)程度，結(jié)合“自由落體運動”模型建構(gòu)過程中3個真實情境，分析學(xué)生思維過程.

情境1:將紙片與橡皮同一高度下落，橡皮下落得快.將紙片揉成紙團與橡皮一起下落，幾乎同時落下.提出問題為什么兩次結(jié)果不同？

在此問題中，學(xué)生經(jīng)歷真實物理情境，大部分同學(xué)能夠通過分析比較，提出因為空氣阻力的不同導(dǎo)致結(jié)果不同.教師演示牛頓管實驗，演示3種不同的情況，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)在忽略空氣阻力的情況下，不同的物體幾乎同時落下.在此過程中以真實物理情境為基礎(chǔ)，讓學(xué)生經(jīng)過分析與觀察，概括出自由落體運動概念，但能夠自主建立自由落體運動模型的學(xué)生較少.

情境2:在上述實驗結(jié)束后，提出問題——如何探究自由落體運動的規(guī)律？

此問題主要是在學(xué)生形成自由落體運動的模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)思維進階，通過思考建立實驗方案，實驗儀器如圖5所示.學(xué)生會聯(lián)系之前學(xué)過的勻加速運動探究方案，如何設(shè)計一個可行有效的實驗計劃，對學(xué)生的綜合思維、創(chuàng)造力以及對實驗計劃的評價能力都有較高的要求.

在平行班一中，采用學(xué)生提出方案的方式，盡管有很多不足和考慮不周全的地方，但是教師邊糾正邊引導(dǎo)，最終提出了3種可行的實驗方案.第一種測量紙帶上各點的速度，做出v-t圖像來探究規(guī)律.第二種測量紙帶上各點的位移，做出x-t圖像來探究.第三種根據(jù)相鄰點的位移差來研究自由落體運動的規(guī)律.在平行班二采用教師直接給出實驗方案的方式.在設(shè)計實驗方案的過程中，學(xué)生的思維不斷地進行訓(xùn)練，相比教師直接給出實驗方案，前者更加適合學(xué)生養(yǎng)成高階思維.

圖5 探究自由落體運動規(guī)律實驗儀器

情境3:布置課后作業(yè)，提出測量教學(xué)樓高度問題，并希望同學(xué)們基于本節(jié)知識設(shè)計一個專題研究.

在第二次課進行時，發(fā)現(xiàn)對于平行一班，84.6%的同學(xué)都可以運用本節(jié)課建立的自由落體運動模型來完成測量樓高問題，而二班只有54.6%同學(xué)可以做到.一班有4%同學(xué)提出了研究形狀不同、高度不同，雨滴下落等落體運動研究的專題，二班沒有同學(xué)提出專題研究方案.明顯對于模型建立和綜合分析利用及創(chuàng)新程度上，一班都要優(yōu)于二班.

在模型建立過程中，基于SOLO分類理論，學(xué)生思維存在3個層級.第一層級的學(xué)生僅僅停留在概念上，沒有建立起模型，更談不上運用，處于思維單點結(jié)構(gòu)水平.第二層級的學(xué)生能夠建立起思維的多點聯(lián)結(jié)，認識到了自由落體運動模型，并能夠?qū)⒋四Ｐ瓦w移到解決具體問題中.第三層級的學(xué)生較少，他們能夠進行思維的拓展深化，充分認識到落體運動的特點，分析不同因素的影響，運用科學(xué)方法來進行探究.

3 高中生物理高階思維能力發(fā)展存在的問題

通過高中生物理高階思維能力測試問卷的分析，以及對兩個平行班在“自由落體運動”思維模型建構(gòu)應(yīng)用情況的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)高中生在物理高階思維能力發(fā)展中主要存在以下的問題.

(1)高中生物理高階思維能力發(fā)展不均衡

通過對高中生物理高階思維能力測試題分數(shù)分析，能夠看出高中生高階思維各維度的發(fā)展程度明顯不均衡.其中學(xué)生的分析思維能力明顯高于其他兩個維度，這些數(shù)據(jù)說明大部分高中生的物理高階思維能力發(fā)展還處于中等水平，在思維聯(lián)結(jié)程度上不高，很少有學(xué)生形成抽象拓展層級的思維結(jié)構(gòu)，學(xué)生的創(chuàng)造能力有待提高.

(2)高中生思維能力訓(xùn)練意識缺乏

從兩個平行班級對“自由落體運動”模型構(gòu)建情況來看，多數(shù)學(xué)生習(xí)慣于教師來設(shè)計實驗方案，對物理規(guī)律之間的聯(lián)系沒有深入思考，更不要說建立系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu).在學(xué)習(xí)到知識之后，面對問題時不能系統(tǒng)地分析，從多角度、多方面、多層次靈活應(yīng)用[4].所以，學(xué)生處于不深入思考的全盤接受式學(xué)習(xí)，高階思維能力很難得到訓(xùn)練和提高.

(3)高中生創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力薄弱

從高中生物理高階思維能力雷達圖上看，學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力最薄弱.學(xué)生更加側(cè)重于知識學(xué)習(xí)和解題，學(xué)習(xí)知識后很難開展專題研究，正說明了他們對于知識的運用和其與生活聯(lián)系認識不足，所以難以提出創(chuàng)造性的實驗方案和產(chǎn)品.

4 高中生物理高階思維能力發(fā)展存在問題的原因分析

對于上面關(guān)于高中生物理高階思維能力發(fā)展狀況的分析所得出的結(jié)果，筆者認為可能有以下幾方面的原因.

(1)高中生缺乏一個好的養(yǎng)成高階思維的環(huán)境

高中生長期受應(yīng)試教育影響，在知識學(xué)習(xí)上更偏向于關(guān)注如何提高成績，如何解題，而對知識的深入思考和應(yīng)用較為欠缺.所以由于解題訓(xùn)練較多，更加擅長于分析，而其他維度的思維能力就相對較弱.

(2)高中教師對培養(yǎng)學(xué)生的物理高階思維能力重要性認識不足

教師對學(xué)生的思維養(yǎng)成具有非常重要的作用，但由于現(xiàn)在的評價制度，許多高中物理教師在教學(xué)的時候缺乏對學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)，停留在傳統(tǒng)的教學(xué)模式上.在調(diào)查問卷中，曾經(jīng)接觸過的許多一線教師，接近80%的教師都比較看重知識傳授，關(guān)于學(xué)生思維能力的訓(xùn)練相對比較缺乏.

(3)目前高中教學(xué)方式和評價方式較為單一

很多教師在教育目標的設(shè)置和具體的備課、授課中，缺失培養(yǎng)思維這個環(huán)節(jié)，更加注重于講明白知識，而忽視知識的運用和思維構(gòu)建.受高考和應(yīng)試的影響，整個社會都過于關(guān)注學(xué)生的學(xué)業(yè)成績，而忽視學(xué)生的能力.這也導(dǎo)致學(xué)校在評價方式上比較單一，重考試而輕實踐.這就限制了高中生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，導(dǎo)致高中生物理高階思維能力發(fā)展比較差.

5 高中生物理高階思維能力養(yǎng)成的相關(guān)建議

根據(jù)對高中生物理高階思維能力發(fā)展狀況的分析，從物理高階思維能力培養(yǎng)存在問題出發(fā)，本文給出幾點針對性的建議.

(1)高中生要加強思維能力訓(xùn)練意識

可以鼓勵學(xué)生構(gòu)建思維導(dǎo)圖，使學(xué)生建立起知識間的聯(lián)系，進而提高學(xué)生的綜合性思維能力.同時，注重生活問題與書本知識的聯(lián)系，加強真實物理情境在學(xué)生學(xué)習(xí)中占的比重.培養(yǎng)學(xué)生合作設(shè)計實驗方案的能力，對于實驗方案的可行性和有效性能夠進行自主評價.

(2)教師要熟悉培養(yǎng)學(xué)生思維的方法

首先,應(yīng)該加強教師的認識，讓教師認識到學(xué)生物理思維培養(yǎng)的重要性.

其次，教師要學(xué)會培養(yǎng)學(xué)生思維的方法，具有進行物理高階思維能力培養(yǎng)的教育研究意識.

最后，教師要合理地將學(xué)到的培養(yǎng)高階思維能力的方法靈活運用到教育教學(xué)中[5].

如在“自由落體運動”模型學(xué)習(xí)中，平行班一教師所采用的真實情境讓學(xué)生自主構(gòu)建物理模型的方式，如圖6所示，就是一個比較好的訓(xùn)練學(xué)生物理高階思維的路徑.

圖6 真實物理情境到問題解決

(3)學(xué)校要有意識地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力

首先，教師要緊跟時代發(fā)展，時常充電，及時更新知識，發(fā)現(xiàn)課本知識在生活中的最新應(yīng)用，在日常教學(xué)活動中滲透知識的遷移應(yīng)用，讓學(xué)生學(xué)到更多課本知識的實際應(yīng)用.

其次，教師應(yīng)該注重學(xué)生創(chuàng)新性思維的養(yǎng)成，帶領(lǐng)學(xué)生開展專題研究活動，在活動中挖掘?qū)W生的創(chuàng)造力.