物理教学中培养高中生高阶思维能力的思考

思维能力从来就被视为创新能力的重要因素。不论是对生活、对科学的态度，还是特长发展的选择，或是问题解决的实践，都离不开思维能力的发展，特别是高阶思维能力的发展。因此，高阶思维能力的培养既是高中生创新素养培养的一个核心，也是物理教学中对于学生培养的追求。

一、高阶思维与高阶思维能力的培养

所谓高阶思维，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力。我们可以看一下2001版布卢姆教育目标认知分类的情况。其中高阶思维在认知层次中表现为分析、评价和创造。

国内教育界对高阶思维的描述不多，但也认同高阶思维是较高认识水平层次上的心智活动或认知能力，是一种跨学科、跨知识领域、能对思维予以评价的思维，是生成性思维和批判性思维的互补运用，是富于创造性的跨学科知识的思维。

高阶思维是高阶能力的核心，直接表现为创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力。高阶思维能力集中体现了知识经济时代对人才素质提出的新要求，是适应知识时代发展的关键能力。

高阶思维与高阶思维是容易被混淆的两个概念。高级思维是一个相对概念，是一种思维相对另一种思维比较而言的。例如抽象思维相对于形象思维可以称之为高级思维，立体思维相对于平面思维也可以称之为高级思维。高级思维不仅具有相对性，而且会随着思维者的年龄、阅历、思维水平的提高而变化。高阶思维则不同，它对应着认知水平和层次，是根据教学目标分类而确定的，对它的描述，也有着较为确切的认知行为动词解释。

关于高阶思维能力的培养，钟启泉教授指出：发展高阶思维，需要高阶学习活动予以支持——要以学习者为中心；要开展问题求解的学习活动；要形成知识共享、互动合作的学习模式，同时还应该注重交叉学科知识的学习，注重环境营造，注重教师有意义地引导。

香港学者陈浩文博士在谈到如何提升高阶思维也指出：要提升高阶思维，就要培养学生的论证、反驳、筛选和利用信息的能力；要培养学生的公民意识，判断、决定能力；要理解学科的思维方式。

思维能力从来就被视为创新能力的重要因素。不论是对已有知识或已有作品的审视反思，还是新知识的融合、构建，新项目的设计完善，问题解决的实践，都离不开思维水平的支撑，特别是对应“创造“等级的高阶思维能力的支撑。

二、物理课堂教学中高阶思维能力培养的关注点

1．关注高阶学习活动方式组织教学

高阶思维的培养，需要以高阶学习活动方式组织教学，“分析、评价、创造”需要建构“概述、构造、检查、表述”的课堂环境，搭建学生相互合作进行“评论、判断”的思维碰撞的平台，从而达到“产生、假设、规划、设计、创作、发明”的目标。经过多年课改的实践，高阶学习活动方式对于广大物理教师是非常熟悉的。“问题教学法”、“抛锚式教学”、“支架式教学”、“合作学习”、“讨论式学习”、“探究式教学”、“头脑风暴”、“学徒式学习”等等，许多都是老师们耳熟能详并已广泛用于课堂的行之有效的教学方法，只要在这些教学方法使用过程中不流于形式，能体现高阶思维培养的核心要素，注重“分析、评价、创造”的目标，高阶思维能力培养就能落实在课堂物理教学中。

案例：某教师“电场”教学后的体会

“静电场”复习时，我布置了一道练习题。如图，

两个带电量为+Q的电荷相距2a，在它们周围的电场中，有一带负电的粒子（不计重力）正在做匀速圆周运动，该粒子的运行轨道应在哪里？呵，这下可是热闹了。有的说是在围绕两个点电荷之外的距离较远的圆周上；有的说是在绕着一个核转且正对别一个核的位置上；也有的说是在垂直于点电荷连线中点的平面上；还有的则拿出了2号元素原子（核内有两个质子）核外电子的模型作为佐证……我没有简单地将哪一种说法直接否定，而是组织学生自己辩论、自己判断。辩论中我要求学生讲清自己的理由，找出他人的错误，以理服人。经过一番激烈的争论，学生们从核外电子轨道的佯谬到电子云的形状，从几率的意义到衍射条纹的实质，进行了条理分明的阐述，明确了这两种模型的不可比性，以及粒子绕双电荷做匀速圆周运动的不可能性。辩论中，同学们还对粒子重力不能忽略的情况作了进一步的发挥——可以在以点电荷连线为轴的上方平面旋转，并计算了这种情况下的回转半径以及与点电荷的距离。这节课给学生留下了深刻的印象，不仅这一部分的知识要求得到了落实，学生的思维发展也得到了较好的训练。尽管这样的教学在课时使用上较为“奢侈”，但从培养学生高阶思维的角度看，确实是值得的。

演讲、点评、辩论等教学活动，都是有别于传统课堂教学形式的。这些教学组织形式最大的特点是提供了开放、宽松、自由的思维环境，让学生去自由思考、自由批判、自由表述，这对于学生高阶思维能力的培养，具有积极意义。

2．关注物理课堂中思维教学内容的渗透

高阶思维能力的培养，是可以开设一些专设课程的，例如思维课程。在这个课程中，可以让学生学习思维方法，体会不同思维方式的差异，更好地理解思维科学的意义。但是物理教学毕竟不能等同于思维专设课程的教学，只能在教学中利用物理问题有目的地渗透思维发展的内容，提高学生的思维品质。

案例：发散性思维的欣赏

如图，给出若干蜡烛、一盒火柴、一些图钉、一段绳子，如何把蜡烛竖直在墙面？进而分析蜡烛所受的力。

蜡烛所受的力，除重力外取决于蜡烛竖直在墙面的方式。蜡烛竖直在墙面的方法很多，利用绳钉悬挂法、利用蜡油粘合法等等，最简单的则是将蜡烛直接放在地面、靠在墙面（虚接触）。不同的操作方法使得蜡烛的受力性质不同。如果仅从物理角度分析力的性质、大小、方向等问题，这样的教学是标准的。但如果注意到学生高阶思维的培养，教学可以更进一步，通过蜡烛竖直在墙面的方法，进行思维方法的教学渗透。

蜡烛竖直在墙面方式的问题，有点像“脑筋急转变“，但却打破了学生长期形成的固有思维模式，改变了思维定式。所谓思维定式是指人们习惯使用以往常用的思维方式来看待和解决问题，形成固有的思维习惯。例如在这个问题中，看见绳钉就想到了悬挂，看见火柴蜡烛，就想到了点燃，这就是思维定式。在解决问题的过程中，人们对否改变事物固有的功能以适应新的问题情境的需要，常常成为解决问题的关键（功能变通）。原有的一些习惯有时会节省时间，提高效率，但有时却会阻碍思维的发展。要提高认知水平，就需要在集体的头脑风暴中不断汲取别人的思维所长，修正自己的观点，使分析、综合、评价、创造能力得以提升。

3．关注学生讨论发言的批判性思维成分

现在的课堂教学方法，绝大多数都具备“问题教学“特征。这一类型的教学方法中，学生的合作学习、讨论交流环节不能缺失。如果学生在交流过程中，只是介绍自己的方法或方案给其他人分享，那是不够的——至少缺失了对方案的评价。通过观察、倾听、分析、发现他人问题解决方法的不足和缺陷，及时指出（评价），并能修改完善，甚至另辟蹊径重新设计（创造），重新予以评价，这样的思维过程既包含了生成性思维过程，又张扬了批判性思维过程，符合高阶思维能力培养的基本要素。

案例：静电除尘现象的解释

通过实物投影仪，讲台上的装置被清晰地投放在大屏幕上。一个广口瓶，橡皮塞中央插了一根铜棒，瓶身外绕了几圈粗导线。一个直流高压电源通过开关一端和铜棒相连，另一端和粗导线的一端相连。老师向同学们介绍了整个装置后，打开橡皮塞向瓶中喷入浓烟，然后塞紧瓶塞。只见瓶中烟雾弥漫、一片浑浊。然而随着开关闭合、五万伏高压的加载，瓶中的烟雾浑浊立刻消失，恢复了清澈透明。

同学们被这魔述般的“表演”完全吸引住了。数秒的沉寂后，教室里开始了热烈的讨论。同学们三人一组、四个一群，一边分析、比画、一边争论、说理、几个同学甚至还围住了讲台，仔细地审视着各个装置，大家都相尽快搞明白这烟雾是怎样消失的。几分钟后，老师将同学们的观点进行了集中：（1）瓶中形成了磁场，烟雾因磁场吸引而消失；（2）瓶中形成了电场，带电粒子因电场力作用被吸附到铜棒和瓶壁上。

“瓶中怎么会有磁场呢？”有同学开始质疑了，“铜棒和导线没有构成回路，没有电流，不可能形成电流的磁场。”“我们撤销观点。”也许是被“点中了要害”，提出磁场的同学接受了其他同学的观点。全班同学的意见开始趋于统一了。

“烟雾中有带电粒子吗？通常的物体都是电中性的呀。”不知哪位同学嘟囔了一句。教室里寂静了，也许是同学们都没有想到的缘故吧，大家都不知该怎样回答，讨论也开展不起来了。

“我为大家重新做一遍实验。不过，这次我要调整电坟，请大家注意瓶中的效果。”老师说着重新开始了操作，只是瓶中充满烟雾后，电压调到了三百伏。“没什么效果嘛！”有同学开始小声议论着。电压继续上升了。五百伏、八百伏……每隔几秒，电压都重新调节一次，上万伏了——瓶中的“魔术”重现了。

“为什么电压低的时候没有效果，一定要加到几万伏的高压呢？”“是啊，几百伏也应该有电场，照理说也应该对带电粒子有电场力呀？”同学们的情绪又一次被激发了。这次，问题的关键变成了为什么要加载高压，高压的作用效果到底在哪里。

“即使是低压，电场还是存在的，没有效果，只能说明烟雾粒子不是带电粒子。”

“高压产生了效果，说明高压时烟雾粒子应该是带电的。”

“低压时粒子不带电，高压时粒子带电，难道粒子是被催化了吗？”

“电离，对，是电离。高压使电中性的分子电离了。”

“电中性的分子被电离，形成了带电粒子，带电粒子在电场中受电场力作用运动，吸附到瓶壁和铜棒上，烟雾就消失了。”

同学们的讨论、研究，终于完成了“静电除尘”的解释。

在随后的课堂点评中，教师一方面确认了学生的讨论结果。另一方面，则重点对学生的讨论过程进行了分析，特别是对否定“磁场作用”和“烟雾带电”两个假设的过程，进行了点评。他鼓励学生通过实验、观察、分析，去否定、去批判、去假设，从而提高自己的认知水平和思维水平。

4．关注“一题多解”的指向性

“一题多解”是教学中经常采用的教学方法。它要求学生不为解题定式左右，通过生成性思维的过程和方式，获得更多的解题方法。但是新的解题方法是技巧上的提高，还是解题思维上的变化，是在他人基础上的改进，还是自己全新设计，这是需要教师有所关注，进而才能正确点评和激励学生。

案例：物体做匀变速直线运动时的加速度

某做匀变速直线运动的物体，在通过两个连续相等的位移s时，经历的时间分别为t₁和t₂,试求该物体匀变速直线运动时的加速度。

该题的常规做法是设初速度、加速度和时间，按运动学基本公式代入，即可求出结果。另一种做法则是利用平均速度的概念，分别求出两段位移的时间中点的即时速度，然后根据加速度定义求出结果。

关注到了教学的思维培养，教师请学生介绍他们是如何思考的。

学生A：我最初试着用基本方法求解，可是方程中几处都出现了二次函数，求解太烦了，我相信应该有更简单的办法，于是就想到了用平均速度来解。

学生B：我仔细地审题，发现题设条件隐含了平均速度的概念，我就选择了用平均速度的方法来解。

可以看出，B同学从接受信息开始，“分析”、“评价”的过程就开始同步，而A同学“分析”过程不够仔细，也未能及时评价，碰到钉子后才进入“评价”过程，所以效率较低。当然A同学在对原来求解方法的评价中表现出来的较为明确的批判性思维，是应该值得肯定的。如果本体教学中教师的关注点仅仅是两种解题方法本身的比较，那就不可能对思维的发展作出较为有效的评析。

案例：悬挂的大环                                                

光滑大环被轻绳悬起，从环的上端释放两个套在大环上的小球（如图所示）。环与球的质量不能忽略。小球滑至何处，轻绳张力为零？   http://s13/small/005uZjfkzy7dkwGUlAw8c&690向                            

按照正常解题逻辑分析：环必受小球给其沿径向的弹力，因此球只能在上半环时使大环受到斜  上弹力（与球受向心力方向相反），也才有可能使悬线张力为零。利用能量守恒、向心力、平衡、隔离法、力的分解等，可以求出结果。

但如果换个角度思考：有重量的物体被悬挂起来，为什么悬绳张力可能为零呢？这只有在失重的状态下才能实现。利用系统分析、失重、分解等方法，也可以求出结果。

这两种求解，在方法上差异较大，而思维的差异更为明显。前者在问题研究时选取了独立对象，后者则采用了系统分析；前者的解题思维按部就班可以称为直线思维，后者的思维则是由结果反问属于逆向思维。本题教学中如果在注重求解方法差异的同时，有意识地从思维角度去分析类似的问题，就可以成为高阶思维能力培养的切入点。

5．关注探究性实验方案的评价

在研究性学习中开展实验方案设计，对于中学生物理核心素养的提升，有着积极的作用。探究性实验中对于学生猜想的验证，形成的是“事实评价”。而在“事实评价”形成之前，加强对实验方案（或设计）的“思维评价”，则是凸显“分析、评价、创造”的过程，强化了学生的思维活动。所以，在研究性学习中应注意组织学生，开展实验前对于实验方案的评价。

案例：动摩擦因数的测定

为了测量物体间的动摩擦因数，两位同学分别设计了两种不同的实验方案。

方案A：

在水平桌面上，用测力计水平拉动一个已知质量的滑块，使滑块匀速运动，读出测力计的读数。再根据物体平衡时的受力关系，得出此时滑块所受滑动摩擦力的大小。更换材料相同、质量不同的滑块，重复操作，可以得到若干组滑动摩擦力的数据。将摩擦力数据和对应的滑动质量列表，就可以计算得到滑块与桌面间的动摩擦因数。

方案B：

水平桌面上铺有一张白纸，白纸上放着一个已知质量的滑块，滑块一端被水平绳拉住，水平绳则与固定的测力计相连。沿水平绳向滑块另一端方向拉动白纸，即可读出此时的测力计读数——滑动摩擦力的大小。更换材料相同、质量不同的滑块，重复操作，可以得到若干组滑动摩擦力的数据。将摩擦力数据和对应的滑块质量列表，可以计算得到滑块与纸面间的动摩擦因素。

教学中实验方案分析评价的讨论非常热烈，两个实验操作的稳定性、可持续性、可视性、测量结果的不一致性等等，一个个问题都被提了出来，而随着问题的发现，新的设想也诞生了。方案B中的测力计可以由力传感器替代，方案A中滑块的拉动可以改为过滑轮的砝码下落……学生的思维通道被打开了。两个方案最终都进行了操作，也验证了学生对方案的评价。但就整个教学过程而言，最为出彩的就是对实验方案的评价过程。

6．关注教师自身的行为模式

高阶思维的一个重要特征是能够“对思维进行思维和评价”，这就需要培养学生不受束缚、敢于思考、敢于批判、敢于评价、敢于挑战的勇气和态度。作为教师应该更加关注自身的行为模式，不迷信权威，敢于挑战课本、敢于挑战已有结论，敢于对教材进行“批判性”评价，以自己的学术思维方式，感染学生，在培养学生高阶思维能力的过程中，为学生做出表率。