魏欣 高杰

[摘要]科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，也是學(xué)生正確分析和解決物理問題的主要環(huán)節(jié)。以天津市物理等級性考試試題為例，通過分析學(xué)生在情境活動中的答題表現(xiàn)，評價學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的優(yōu)勢和不足，確定影響科學(xué)思維順利開展的主要原因，明確提升科學(xué)思維素養(yǎng)水平的著力點并給出相應(yīng)的教學(xué)建議：突出情境知識本質(zhì)、重視概念和規(guī)律的建立過程、多種方式促進(jìn)整體思維。

[關(guān)鍵詞]物理學(xué)科核心素養(yǎng)；科學(xué)思維；教學(xué)建議

[中圖分類號]G424.74[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1673—1654（2023）02—033—011

本文為教育部教育考試院“十四五”規(guī)劃支撐專項課題“基于學(xué)科核心素養(yǎng)的新高考分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)參照解釋的研究”（課題批準(zhǔn)號：NEEA2021043）研究成果之一。

一、問題提出

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)和高考評價體系對科學(xué)思維的要求

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將科學(xué)思維界定為：“科學(xué)思維”是從物理視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格，“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[1]?？梢钥吹?，科學(xué)思維素養(yǎng)的各要素均以行為動詞方式進(jìn)行界定，對應(yīng)學(xué)生在問題解決過程中的活動。其中，模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證代表了在解決問題過程中的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新是包含了模型建構(gòu)和科學(xué)推理的較為高階的學(xué)習(xí)活動。

高考評價體系中指出：情境是實現(xiàn)“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”的綜合考查的載體[2]。高考評價體系中“情境”即“問題情境”，是以問題或任務(wù)為中心構(gòu)成的活動場域。學(xué)生面對問題情境所進(jìn)行的解決問題或完成任務(wù)的活動即為“情境活動”。根據(jù)目前高考的考查方式，高考內(nèi)容的問題情境是通過文字與符號描述的方式即紙筆形式進(jìn)行建構(gòu)的，而情境活動也同樣是通過文字與符號的形式進(jìn)行的。高考解題的過程被界定為一種活動，這種活動與科學(xué)思維界定中的活動具有高度的對應(yīng)性，因而學(xué)生在高考中的情境活動是以科學(xué)思維為主的。那么，影響不同水平考生科學(xué)思維順利開展的主要原因是什么？對這個問題進(jìn)行研究，有助于更好地理解科學(xué)思維素養(yǎng)的內(nèi)涵，進(jìn)一步明確在教學(xué)中落實核心素養(yǎng)的實踐方向。等級性考試的題目具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性，考試結(jié)果樣本量大，借助學(xué)生在物理等級性考試中的數(shù)據(jù)結(jié)果及答題表現(xiàn)來分析這個問題，可以比較準(zhǔn)確地厘清其中的規(guī)律。

（二）對科學(xué)思維素養(yǎng)進(jìn)行分析有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實

發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)是重要的教學(xué)目標(biāo)之一，有些一線教師對于科學(xué)思維素養(yǎng)內(nèi)涵不夠清晰，在教學(xué)中，存在以套路化的重復(fù)訓(xùn)練作為提升科學(xué)思維水平的主要手段，使物理核心素養(yǎng)難以真正在教學(xué)中落實。在歷年天津市學(xué)業(yè)水平等級性考試中，考查科學(xué)思維素養(yǎng)的試題在整個試卷中的占比近80%。從這一視角對學(xué)生的答題表現(xiàn)進(jìn)行分析并提出教學(xué)改進(jìn)建議，有助于教師在教學(xué)中從理論和實踐兩個方面改進(jìn)教學(xué)，更有效地提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

通過分析學(xué)生作答表現(xiàn)，探尋數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的規(guī)律及其背后的深層原因，梳理學(xué)生在解決問題時運用的知識與方法，找到學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)發(fā)展的薄弱點及提升的著力點，是提高評價科學(xué)性的重要途徑，同時也為研究如何落實核心素養(yǎng)提供有力依據(jù)。

（三）高考試題重視對學(xué)生科學(xué)思維的考查

天津市教育質(zhì)量評估監(jiān)測中心高考評價項目物理學(xué)科組（以下簡稱“評價組”）基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，對2022年天津物理等級性考試的試題（以下簡稱“試題”）進(jìn)行題項和分值劃分，如表1所示。

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，試題對于科學(xué)思維的考查題項最多，分值最大，為78分；物理觀念為10分，科學(xué)探究為12分，說明物理等級考非常重視科學(xué)思維這一學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。物理觀念是基礎(chǔ)，科學(xué)思維是運用物理觀念解決問題的過程，在素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基的高考評價體系下，歸屬于科學(xué)思維的試題數(shù)量必然要多于考查物理觀念和科學(xué)探究的試題。因此從考查科學(xué)思維的試題中，選取答題表現(xiàn)具有代表性的試題進(jìn)行分析，診斷學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展中存在的問題，從而找出提升科學(xué)思維素養(yǎng)的著力點，對整體提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)水平具有更大的意義。

二、分析思路

（一）考生表現(xiàn)水平的劃分

為更加準(zhǔn)確、客觀地分析和評價不同水平考生的核心素養(yǎng)發(fā)展水平及內(nèi)在原因，評價組繼承近年來高考評價工作的成功經(jīng)驗，將全市考生劃分為精通（G4）、熟練（G3）、基本（G2）、基本以下（G1）四個水平組。依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平描述，應(yīng)用安戈夫法，結(jié)合2022年考試學(xué)生分?jǐn)?shù)段的分布情況，參考?xì)v屆試題的難度及考生的答題表現(xiàn)，確定了不同水平組之間的臨界分?jǐn)?shù)，得到不同水平組考生的分?jǐn)?shù)范圍，如表2所示。

（二）考生作答的分析思路

從試卷中找出重點考查科學(xué)思維能力的典型例題進(jìn)行分析，通過定量分析數(shù)據(jù)規(guī)律和定性分析卷面情況及答題感受，對考生科學(xué)思維的水平進(jìn)行分析。

選擇題主要依據(jù)各選項需要進(jìn)行的科學(xué)思維過程以及需要調(diào)動的知識和方法進(jìn)行分析，并結(jié)合不同水平學(xué)生的得分率及錯選比例，分析不同水平組學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的差異。

計算題的分析采用數(shù)據(jù)和卷面表現(xiàn)相結(jié)合的方法，在對比不同水平組學(xué)生得分率的基礎(chǔ)上，選取有顯著差異的群體卷面，梳理典型作答表現(xiàn)并進(jìn)行分類，探尋學(xué)生的答題過程及思路，對產(chǎn)生問題的內(nèi)在原因進(jìn)行分析，從而對考生的科學(xué)思維要素發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制作出更準(zhǔn)確、深入的分析。

為進(jìn)一步從形成結(jié)果的過程和內(nèi)在原因進(jìn)行分析，評價組訪談了不同區(qū)域及不同類型學(xué)校的學(xué)生57人、教師14人，整理了教師對試題的看法和考生的答題感受，通過開放性的問題對考生作答每道試題的思維過程進(jìn)行分析。這些定性的結(jié)果為數(shù)據(jù)的定量分析提供了強(qiáng)有力的支撐，使得出的結(jié)論更加全面、準(zhǔn)確，更貼近考生的真實情況。

三、結(jié)論與討論

（一）抓住本質(zhì)特征是開展科學(xué)思維的前提

在解決物理問題的開始，需要首先從物理學(xué)的視角審視所要解決的問題，明確所研究的對象或過程具有哪些本質(zhì)特征，才能對反映這些本質(zhì)特征的物理量展開分析和推理。

例1：

在同一均勻介質(zhì)中，分別位于坐標(biāo)原點和x=7 m處的兩個波源O和P，沿y軸振動，形成了兩列相向傳播的簡諧橫波a和b，某時刻a和b分別傳播到x=3m和x=5m處，波形如圖所示。下列說法正確的是

A. a與b的頻率之比為2：1

B. O與P開始振動的時刻相同

C. a與b相遇后會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象

D. O開始振動時沿y軸正方向運動

本題涉及兩列相向傳播的簡諧波，選項的陳述也多為兩列波的關(guān)系，那么解答本題的要點就是要將兩列波進(jìn)行對比。進(jìn)行對比的基本思路就是要首先找到兩個對象的相同屬性，這個相同點即為兩個對象間的聯(lián)系，然后再通過推理得到兩個對象間的不同點。A選項的判斷就需要從題目中給出的“在同一均勻介質(zhì)中”這一條件，得出兩列波的波速相等，再從圖像中得到兩列波波長的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)公式v=λf得出頻率的關(guān)系。利用波速相等這一特征，結(jié)合題目中給出的傳播距離得出傳播的時間，進(jìn)而判斷B選項；C選項的判斷則需要利用兩列波頻率關(guān)系結(jié)合波的干涉現(xiàn)象條件；D選項的判斷需要對機(jī)械波形成的原因有清晰的認(rèn)識，理解各質(zhì)點的振動依次重復(fù)波源的振動，因此可以根據(jù)即將起振質(zhì)點的振動方向來判斷波源的起振方向。

對考生的作答情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示。

本題是所有選擇題中得分率最低的一道題，從考生作答數(shù)據(jù)可以看出，對比不同水平組的得分率，G3和G4組之間的差異最為明顯，G1、G2組的得分率相同。對于全體考生，錯選D選項的比例最高：在各水平組中，G4組錯選C選項的比例最高，G1、G2和G3組均是錯選D選項的比例最高，其中G2組錯選D的集中度最高。

對于波這種特殊的運動形式，其形成的本質(zhì)原因是介質(zhì)中的各質(zhì)點做受迫振動而依次模仿波源的振動，使振動和能量得以傳播出去，頻率、波速、波長，是反映機(jī)械波典型屬性的物理量。頻率反映波的振動本質(zhì)特征，由波源決定；波速是反映其傳播特征的物理量，由介質(zhì)決定；波長則是這兩方面的特征共同作用決定的。因此在認(rèn)識機(jī)械波的時候，就需要從其產(chǎn)生的本質(zhì)原因和描述其本質(zhì)屬性的物理量這兩個角度來展開，把握好這些內(nèi)容，是下一步進(jìn)行科學(xué)推理的基礎(chǔ)。對于G4組考生，在進(jìn)行推理的過程中，在判斷波長和波速時由于失誤導(dǎo)致對兩列波頻率關(guān)系判斷錯誤；而對于G1、G2和G3組考生，對機(jī)械波形成的本質(zhì)原因掌握不好則是錯選的主要原因，這一問題在G2組學(xué)生中表現(xiàn)更為明顯，說明對于中等學(xué)生而言，對物理現(xiàn)象本質(zhì)屬性的理解和掌握尤其應(yīng)引起重視。

對于有關(guān)常見問題的推理考生掌握得比較好，甚至一些較為復(fù)雜的推理也能比較順利地完成，但一旦涉及物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征相關(guān)的推理，即使并不復(fù)雜，得分率也并未由于推理的復(fù)雜程度較低而有所提升。這說明，推理能力的真正提升，需要以把握現(xiàn)象本質(zhì)屬性為基礎(chǔ)，然后再進(jìn)行推理的相關(guān)訓(xùn)練，才能收到比較好的效果。因此，在教學(xué)和復(fù)習(xí)中，對于現(xiàn)象本質(zhì)特征的得出過程，需要通過多種方式來增加學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，以提高學(xué)生對本質(zhì)特征的理解水平，在解決問題過程中才能靈活、自如地運用這些本質(zhì)特征進(jìn)行推理。

（二）提取關(guān)鍵物理量是進(jìn)行科學(xué)思維的需要

考查各知識內(nèi)容的試題情境中包含多個過程、多個對象的試題，如何找到多個過程之間、多個對象之間的關(guān)聯(lián)，是解決這類問題的主要途徑，而有意識提取關(guān)鍵物理量是建立聯(lián)系的關(guān)鍵。

例2：

采用渦輪增壓技術(shù)可提高汽車發(fā)動機(jī)效率。將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質(zhì)量的理想氣體首先經(jīng)過絕熱過程被壓縮，然后經(jīng)過等壓過程回到初始溫度，則

A.絕熱過程中，氣體分子平均動能增加

B.絕熱過程中，外界對氣體做負(fù)功

C.等壓過程中，外界對氣體做正功

D.等壓過程中，氣體內(nèi)能不變

解答本題需要調(diào)動的規(guī)律包括熱力學(xué)第一定律、氣體實驗定律。要正確作答，不僅要深入理解兩個規(guī)律中所涉及物理量的物理意義，還要熟練掌握兩個規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)，能夠?qū)囟茸兓c內(nèi)能變化、做功情況與體積的變化進(jìn)行對應(yīng)。另外值得注意的是，本題涉及兩段變化，先經(jīng)歷一段絕熱過程，然后經(jīng)過等壓過程，然而這兩段并不是各自獨立的，題目中“然后經(jīng)過等壓過程回到初始溫度”的陳述，從物理學(xué)的視角可以提煉為“第二段等壓過程的末狀態(tài)與第一段過程的初始狀態(tài)溫度相同”，也就是說，需要準(zhǔn)確提取“溫度”作為聯(lián)系兩段變化過程的關(guān)鍵物理量，后續(xù)的科學(xué)推理才能順利進(jìn)行。

對考生的作答情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。

從考生作答數(shù)據(jù)可以看出，對于全體考生而言，少選C選項和錯選D選項的比例明顯較高，選項C、D均為對等壓過程的判斷，結(jié)合選項內(nèi)容可以判斷出，對等壓過程的推理錯誤是導(dǎo)致答題失誤的主要原因。對比不同水平組在該題上的得分率可以發(fā)現(xiàn)，G2和G3組之間差異最大，而進(jìn)一步觀察G2和G3組錯選情況則可發(fā)現(xiàn)，雖然這兩個水平組都是漏選C選項的比例最高，但G3組錯選D的比例與漏選C的比例接近，而G3組錯選D的比例與漏選C的比例差異較大。這說明，對于G3組考生，有一定的能力嘗試對等壓過程的規(guī)律進(jìn)行推理，但由于未能有效提取聯(lián)系等壓過程與絕熱過程的關(guān)鍵物理量——“溫度”的特點，造成錯誤判斷內(nèi)能不變；而G2組考生則多為未能有意識尋找反映對等壓過程的推理，導(dǎo)致找不到有效的思路而放棄推理。

可見，在推理過程中，有效提取關(guān)鍵物理量是進(jìn)行有效科學(xué)推理的需要，在抓住對象或過程本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步聚焦反映本質(zhì)特征的關(guān)鍵物理量展開推理，這是情境活動中的重要環(huán)節(jié)。

（三）對問題情境的整體化認(rèn)識是提升科學(xué)思維的關(guān)鍵

在較為復(fù)雜的問題情境中解決綜合性較強(qiáng)的問題時，經(jīng)常需要在多個相關(guān)的規(guī)律中準(zhǔn)確選擇恰當(dāng)?shù)囊?guī)律展開推理，也需要在多個物理過程中精準(zhǔn)聚焦合適的切入點進(jìn)行分析，這就需要學(xué)生具有結(jié)構(gòu)化的整體思維。

例3：

如圖所示，邊長為a的正方形鋁框平放在光滑絕緣水平桌面上，桌面上有邊界平行、寬為b且足夠長的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場方向垂直于桌面。鋁框依靠慣性滑過磁場區(qū)域，滑行過程中鋁框平面始終與磁場垂直且一邊與磁場邊界平行，已知a

A.鋁框所用時間相同

B.鋁框上產(chǎn)生的熱量相同

C.鋁框中的電流方向相同

D.安培力對鋁框的沖量相同

本題是一道電磁感應(yīng)的綜合問題，針對題目中所描述的“鋁框依靠慣性滑過磁場區(qū)域”這一過程，四個選項分別從運動學(xué)角度、能量角度、電路角度、動量角度對這一過程進(jìn)行考查，充分體現(xiàn)了試題的綜合性。正確解答本題，首先需要能夠正確地對這一過程進(jìn)行模型建構(gòu)，即正確分析鋁框運動過程。另外，不僅需要熟練掌握時間、焦耳熱、電流方向、安培力沖量這些物理量是由哪些因素決定的，還需要在對各物理量進(jìn)行推理判斷的過程中，靈活運用多種推理方法進(jìn)行定性和定量的判斷，在判斷時間關(guān)系時，需要抓住位移相同而平均速度相同；判斷焦耳熱時，需要首先將焦耳熱轉(zhuǎn)化成克服安培力所做的功，然后抓住位移相同而安培力不同；判斷安培力沖量時，需要先推導(dǎo)出安培力沖量與磁通量變化的關(guān)系，然后根據(jù)位移相同及豎直邊相同得出磁通量相同?？梢姡@樣的問題解決，需要綜合性較強(qiáng)的科學(xué)思維。

對考生的作答情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示。

從考生作答數(shù)據(jù)可以看出，對于全體考生，錯選B選項的比例最高，因為相對于A、C兩個選項，判斷B選項需要調(diào)動的知識更多，綜合性更強(qiáng)，判斷過程需要在思路上更加聚焦。

進(jìn)一步分析不同水平組學(xué)生錯選情況可以發(fā)現(xiàn)，G2、G3和G4組考生錯選B的比例最高，其中G3和G4組考生錯選B的集中度比G2組更高，而G1組考生除了錯選B的比例比較高之外，錯選C的比例最高。究其原因，由于在對B選項進(jìn)行科學(xué)推理的過程中，首先需要在眾多的方法中進(jìn)行篩選，由于鋁框進(jìn)、出磁場的過程速度都在減小，因此鋁框中的感應(yīng)電流也在減小，無法應(yīng)用焦耳定律判斷焦耳熱；由于進(jìn)、出磁場的動能變化無法具體求解，因此能量守恒定律也不能判斷焦耳熱；只有應(yīng)用功能關(guān)系，將焦耳熱與克服安培力做功相對應(yīng)，才能對焦耳熱的大小進(jìn)行判斷，整個過程不僅包含了模型建構(gòu)與科學(xué)推理，在判斷過程中，還需要多次調(diào)用模型的特點和規(guī)律。顯然，這就需要始終站在整體的角度，理清兩個方面的關(guān)系：一是鋁框的運動過程分析及各階段對應(yīng)初、末的關(guān)系；二是與焦耳熱有關(guān)的各規(guī)律所涉及的物理量以及各規(guī)律在解決該問題時的可行性，這兩方面的關(guān)系梳理要貫穿解決問題的始終，這樣的整體思維，可以有效地將各段過程聯(lián)系起來，將各種解題思路進(jìn)行對比，從而有效地進(jìn)行科學(xué)推理。

計算題的解決過程中，則進(jìn)一步凸顯了結(jié)構(gòu)化整體思維的重要性。

例4：

冰壺是冬季奧運會上非常受歡迎的體育項目。如圖所示，運動員在水平冰面上將冰壺A推到M點放手，此時A的速度v0=2 m/s，勻減速滑行x1=16.8 m到達(dá)N點時，隊友用毛刷開始擦A運動前方的冰面，使A與NP間冰面的動摩擦因數(shù)減小，A繼續(xù)勻減速滑行x2=3.5 m，與靜止在P點的冰壺B發(fā)生正碰，碰后瞬間A、B的速度分別為vA=0.05 m/s和vB=0.55 m/s。已知A、B質(zhì)量相同，A與MN間冰面的動摩擦因數(shù)μ1= 0.01，重力加速度g取10 m/s2，運動過程中兩冰壺均視為質(zhì)點，A、B碰撞時間極短。求冰壺

（1）在N點的速度v1的大??；

（2）與NP間冰面的動摩擦因數(shù)μ2

本題是一道力學(xué)綜合問題，涉及三段過程：冰壺A經(jīng)歷兩段受力不同的勻減速直線運動之后，與靜止的冰壺B發(fā)生正碰，使二者的運動狀態(tài)都發(fā)生變化。解決本題需要調(diào)動的規(guī)律有：動能定理，動量守恒定律。對于第一問，直接對冰壺A的第一段減速過程利用動能定理即可求解；對于第二問，需要首先對第三段碰撞過程應(yīng)用系統(tǒng)的動量守恒定律，求出冰壺A碰撞前的速度，然后在第二段減速過程列出動能定理，將之前求解出的冰壺在A點速度和與冰壺B碰撞前的速度作為此段過程的初、末速度進(jìn)行求解。本題呈現(xiàn)的三段物理過程比較清晰，但在各段運動的求解過程中并沒有按照過程發(fā)生的時間順序依次列方程求解，因此對學(xué)生的結(jié)構(gòu)化整體思維有一定的要求。

對考生的作答情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表6所示。

從考生作答數(shù)據(jù)可以看出，本題的鑒別功能在G1和G2組學(xué)生之間體現(xiàn)得最為明顯（得分率差異達(dá)到0.53），本題整體得分率為0.77，兩問的得分率均在0.7以上，這個難度的題目即使是G1水平組的學(xué)生通過努力也是可以掌握的。那么，探尋G1組學(xué)生在解答該題過程中的主要問題，找到他們出現(xiàn)問題的主要原因，有助于整體提升學(xué)生解決此類問題的能力。

對G1組考生的試卷進(jìn)行抽樣，抽取了40份試卷分析G1考生的具體作答情況，將其出現(xiàn)頻次較高的典型錯誤進(jìn)行分類，可以發(fā)現(xiàn)一些普遍性的問題。

在第1問的典型錯誤作答中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍能夠選擇出解題所需要的規(guī)律，但在推理過程中出現(xiàn)符號錯誤、物理量代入錯誤、運動公式選擇不夠簡潔導(dǎo)致的計算錯誤。說明這些學(xué)生具備科學(xué)思維的基礎(chǔ)，但由于對規(guī)律的運用不夠，不能保證科學(xué)思維過程的順利進(jìn)行。

在第2問的作答中，出現(xiàn)的典型錯誤多是沒有選擇正確的規(guī)律：典型錯誤一，是對兩段減速過程整體列動能定理，但沒有準(zhǔn)確抓住整個過程的初、末狀態(tài)以及功的正負(fù)號問題；典型錯誤二，是由于對碰撞過程的初末狀態(tài)沒有分析清楚，導(dǎo)致動量守恒定律列式錯誤；典型錯誤三，是由于對研究對象的確定和對過程的分析混亂，以及錯誤選擇了后兩段過程的能量關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行求解。這幾種典型錯誤，究其原因，都是因為在解決問題的過程中，對整個運動過程沒有一個整體的認(rèn)識，而將注意力集中在某一段過程，因此無法將各段運動進(jìn)行聯(lián)系，或在求解過程中對已分析出的物理量的使用出現(xiàn)混亂。

在情境活動過程中，在面對綜合性較強(qiáng)的問題時，需要學(xué)生能夠從研究的材料中揭示隱蔽條件，排除多余因素的干擾發(fā)現(xiàn)有價值的因素，迅速選擇解題策略；當(dāng)思維受阻時，能及時改變思維路線，修正原有的方案。這些都需要首先對情境有整體化的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上運用甄別、類比等創(chuàng)造性的科學(xué)思維方法理解和處理問題，進(jìn)而在解決問題過程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的整體思維。因此，在教學(xué)中通過多種方式促進(jìn)知識和思維的結(jié)構(gòu)化，是進(jìn)行綜合性科學(xué)思維的關(guān)鍵。

四、教學(xué)建議

基于上述實例分析，為更有效地在教學(xué)中提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，提出以下教學(xué)建議。

（一）情境活動突出知識本質(zhì)，提升科學(xué)思維的質(zhì)量

通過情境活動形成物理方法和觀念，進(jìn)而應(yīng)用這些方法和觀念解釋現(xiàn)象、解決問題，是落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。在教學(xué)中，一是要創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)情境，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化，形成學(xué)科的思想；二是要重視將這些觀念用于解決實際問題，發(fā)展學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力[3]。可見，有效的情境創(chuàng)設(shè)和由此產(chǎn)生的情境活動不僅可以幫助學(xué)生獲得知識和能力，還可以促進(jìn)素養(yǎng)的發(fā)展。

情境活動強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主體驗及問題解決，那么，怎樣的情境能夠產(chǎn)生有效的情境活動呢？物理概念的建立、理解和應(yīng)用過程都需要創(chuàng)設(shè)情境，而這個情境，需要充分體現(xiàn)對象或過程的本質(zhì)特征。要在學(xué)生通過生活經(jīng)驗形成的經(jīng)驗性常識基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生對所觀察的現(xiàn)象重新加工，概括現(xiàn)象的共同屬性，抽象現(xiàn)象的本質(zhì)特征，從而實現(xiàn)從經(jīng)驗性常識向物理概念的轉(zhuǎn)變。例如，在自由落體運動的教學(xué)中，部分學(xué)生的經(jīng)驗性常識是重的物體比輕的物體下落得快。教師可以首先演示橘子比紙巾下落得快，然后要求學(xué)生能否讓紙巾下落得更快一些，能不能讓紙巾下落得和橘子一樣快，學(xué)生很自然想到將紙巾團(tuán)成團(tuán)，在此基礎(chǔ)上，再引導(dǎo)學(xué)生分析開始紙巾下落得慢的原因是空氣阻力的影響。之后再通過牛頓管的實驗，抽象出物體在真空中下落快慢相同，從而形成自由落體運動的抽象概念。在此過程中，由于“將紙巾團(tuán)成團(tuán)會使下落快慢不同”這個情境的創(chuàng)設(shè)突出體現(xiàn)了“阻力是決定下落快慢因素”這一本質(zhì)特征，同時通過在學(xué)生習(xí)以為常的現(xiàn)象中創(chuàng)造認(rèn)知沖突而將這一本質(zhì)特征凸顯出來，使得學(xué)生在概念的得出過程中經(jīng)歷了科學(xué)思維的過程，這個科學(xué)思維是圍繞本質(zhì)特征而進(jìn)行的，因此對概念和規(guī)律的認(rèn)知不僅僅停留在現(xiàn)象的表面，而是深入到現(xiàn)象的本質(zhì)屬性，這樣的過程，不僅使學(xué)生能夠在科學(xué)思維的過程中更靈活地運用這些概念和規(guī)律，也為后續(xù)對情境更深層次的科學(xué)思維的開展奠定了基礎(chǔ)、明確了方向。

（二）重視概念和規(guī)律的建立過程，提高科學(xué)思維水平

概念是對物理對象和過程本質(zhì)特征的描述，規(guī)律則反映了概念間的關(guān)系。能否正確運用物理概念和規(guī)律在復(fù)雜的情境中解釋現(xiàn)象、解決實際問題，一方面取決于對規(guī)律中的概念是否有準(zhǔn)確而深入的理解，另一方面取決于對這一規(guī)律適用的情境和條件是否能準(zhǔn)確地把握，因此在規(guī)律中每一個概念建立之初，就需要在教學(xué)中對概念的內(nèi)涵有充分的解讀，并通過實例不斷豐富學(xué)生對概念外延的認(rèn)識，進(jìn)而在規(guī)律的得出以及應(yīng)用過程中，掌握規(guī)律本身的同時，不斷深化對相關(guān)概念的認(rèn)識，最終實現(xiàn)對概念和規(guī)律的提煉和升華。這樣，當(dāng)學(xué)生面對涉及多個物理量的問題情境時，才能準(zhǔn)確地提取關(guān)鍵物理量進(jìn)行有效推理。

例如機(jī)械能守恒定律的教學(xué)，在教材中首先是通過理論推導(dǎo)得出結(jié)論，推理的目的是得出規(guī)律，但教學(xué)過程的目標(biāo)應(yīng)該不僅僅限于規(guī)律的得出，而是在從豎直運動到沿光滑斜面的運動，再到沿光滑曲面的運動過程對定律進(jìn)行科學(xué)推理的過程中，讓學(xué)生不斷地去體會如何正確理解表達(dá)式中動能、勢能、功等概念的內(nèi)涵，規(guī)律得出后，還需要在不同的情境中體會如何正確選擇規(guī)律所適用的過程，以及過程初、末狀態(tài)的判斷。物理量是表征概念的重要載體，學(xué)生對于功、動能、勢能等概念的學(xué)習(xí)并不僅僅是在這些概念的引入之初，更需要經(jīng)過像機(jī)械能守恒定律得出過程中的科學(xué)推理，才能真正對這些概念及其之間的關(guān)系有清晰的認(rèn)識，進(jìn)而在應(yīng)用規(guī)律之前能有效提取關(guān)鍵物理量為解決問題指明方向，并在應(yīng)用規(guī)律進(jìn)行推理過程中清晰各物理量的含義。因此，需要在科學(xué)推理能力的培養(yǎng)過程中，重視對于概念和規(guī)律理解的深化和提升，而對概念和規(guī)律有深刻的理解，也能更有效地進(jìn)行科學(xué)推理。

（三）多種方式促進(jìn)整體思維，提升科學(xué)思維的深刻性

物理教育的目標(biāo)不是去獲得一大堆由事實和理論堆砌的知識，而應(yīng)是實現(xiàn)一個趨向于核心概念的進(jìn)展過程[4]。學(xué)生對概念和規(guī)律的認(rèn)識不是一蹴而就的，需要通過多維度、多層次的學(xué)習(xí)體驗，來逐步推進(jìn)、層層深化對概念和規(guī)律的理解。因此，通過大概念來驅(qū)動整個單元的教學(xué)過程，使得各課時的教學(xué)設(shè)計能夠彼此呼應(yīng)、互為補(bǔ)充，使學(xué)生能夠?qū)⒏髁闼榈膬?nèi)容建立清晰的脈絡(luò)，進(jìn)行知識的整合與深度加工，有助于避免知識的碎片化，使知識和方法的結(jié)構(gòu)化程度不斷提高，這是促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的有效手段[5]。

例如在直線運動這一主題的教學(xué)過程中，應(yīng)始終貫穿“運動的描述”這一大概念，從位移、速度、加速度等描述運動物理量的引入，到表征這些物理量關(guān)系的公式和圖像，這些內(nèi)容的教學(xué)過程中，都應(yīng)以描述運動為大任務(wù)來驅(qū)動教學(xué)，可以讓學(xué)生繪制生活中一些常見運動的運動圖像，也可以根據(jù)教師所提供的百米賽跑、飛船發(fā)射等特殊運動的圖像，在學(xué)習(xí)勻變速直線運動的規(guī)律時，有意識地引導(dǎo)學(xué)生體會圖像和公式的一一對應(yīng)關(guān)系等等。經(jīng)歷了這些對知識進(jìn)行加工的科學(xué)思維過程，學(xué)生既豐富了學(xué)習(xí)體驗，也提升了科學(xué)思維的水平。

在電場這一內(nèi)容的教學(xué)過程中，則應(yīng)圍繞“電場的描述”這一主題展開教學(xué)，通過電場強(qiáng)度和電勢這兩個概念的建立過程，電場線和等勢面的獲得過程的經(jīng)歷，使學(xué)生逐步體會電場力的屬性和能的屬性分別如何來描述，幫助學(xué)生對“電場”這一抽象的物質(zhì)有從形象到抽象的認(rèn)識，從而進(jìn)一步分析帶電粒子在電場中的運動規(guī)律及能量規(guī)律。在教學(xué)過程中，要注重學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。如不同電場的電場線分布這一內(nèi)容中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從電場強(qiáng)度的定義及矢量合成的角度詳細(xì)分析電場中各點電場強(qiáng)度的大小及方向，一步步帶領(lǐng)學(xué)生繪制出電場線，而不是急于給出電場分布圖讓學(xué)生機(jī)械記憶所謂的規(guī)律。只有在這些科學(xué)思維的過程中，學(xué)生才能夠真正理解電場線分布是如何反應(yīng)電場的特點及規(guī)律的，才能將其中的知識和方法內(nèi)化為觀念，從而不僅能熟練掌握學(xué)過的典型電場分布，面對陌生的電場也能解決相關(guān)問題，實現(xiàn)知識的遷移。

章節(jié)復(fù)習(xí)或整個高中學(xué)段的復(fù)習(xí)階段，是思維碎片化現(xiàn)象最為凸顯的時期，這個時期教師在學(xué)習(xí)上的有效引導(dǎo)，決定著學(xué)生在新課學(xué)習(xí)階段初步建立的整體思維意識能否真正成為學(xué)生思維體系的一部分。在復(fù)習(xí)階段，是最適合進(jìn)行單元教學(xué)的時期，將知識進(jìn)行整合，使之具有更強(qiáng)的系統(tǒng)性，知識和方法的脈絡(luò)也更加清晰，有助于學(xué)生在掌握分散知識的基礎(chǔ)上提升對知識和方法的認(rèn)識層次，從而建立整體思維。如在復(fù)習(xí)摩擦力這個概念時，可以不局限于在平衡問題中分析摩擦力，通過動力學(xué)問題中摩擦力的分析，更有利于使學(xué)生對摩擦力在不同情境中的分析方法有清晰的認(rèn)識；同時通過平衡與不平衡問題的對比，也使這兩種狀態(tài)之間的關(guān)系更加明確。在較復(fù)雜的問題情境中解決問題、完成任務(wù)，尤其需要結(jié)構(gòu)化的知識和整體化的思維，復(fù)習(xí)教學(xué)中應(yīng)努力建立不同章節(jié)知識之間的聯(lián)系，力求使知識整體化、系統(tǒng)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].人民教育出版社，2020：4-5.

[2]教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].人民教育出版社，2019：28-29.

[3]普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].高等教育出版社，2018：54-57.

[4]楊九詮.學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)三十人談[M].華東師范大學(xué)出版社，2017：141.

[5]廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）教師指導(dǎo)[M].上海教育出版社，2019：56-65.

Evaluation and Analysis of StudentsScientific Thinking Literacy Based on their Performance in Graded Physics Examination

Wei Xin1Gao Jie2

1 Heping District Teacher Development Center，Tianjin，300021 2 Tianjin Academy of Educational Science，Tianjin，300191

Abstract：The scientific thinking is the important component of the Physics subject core competencies，and also the main link for students to correctly analyze and solve physical problems. Taking the graded examination questions of physics in Tianjin as examples，this paper analyzes the advantages and disadvantages of studentsscientific thinking development through their performance in situational activities，identifies the main reasons that affect the smooth development of scientific thinking，clarifies the focus of improving the level of scientific thinking literacy and gives corresponding teaching suggestions，such as focusing on the essence of situational knowledge，emphasizing the establishment process of concepts and laws，and promoting overall thinking through various ways.

Key words：Physics Subject Core Competencies，Scientific Thinking，Teaching Suggestion

（責(zé)任編輯：白云、陳暢、許志勇）