近十年我國物理教育領(lǐng)域科學(xué)思維研究綜述

陳運保 張善奎

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維：教學(xué)策略：測評：研究綜述

思維能力培養(yǎng)一直是教育實踐和教育研究的重要內(nèi)容。我國《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）把科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，突出了科學(xué)思維這一課程目標(biāo)，由此，科學(xué)思維再次成為教學(xué)改革的焦點。不過，鑒于思維的復(fù)雜性、模糊性，一些重要問題仍有待于進(jìn)一步的研究，否則將會影響科學(xué)思維教學(xué)的落實。比如，科學(xué)思維的內(nèi)涵和類型、科學(xué)思維的教學(xué)策略、科學(xué)思維的評價方法等。

本文嘗試對我國近十年來相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)性分析，綜述相關(guān)研究成果，為我國思維教學(xué)提供借鑒;同時，發(fā)現(xiàn)其中的不足，并提出建議，為優(yōu)化思維教學(xué)研究提供新的思路。

1研究設(shè)計

1.1數(shù)據(jù)來源

本研究以中國知網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)選取研究對象，具體操作步驟如下：（1）使用中國知網(wǎng)“高級檢索”功能，設(shè)置檢索時間為2011-01-01至2021-04-01，設(shè)置檢索主題為“科學(xué)思維”，共檢索到10 868篇文獻(xiàn);（2）再次添加檢索主題“物理教學(xué)”后，共檢索到1571篇文獻(xiàn);（3）為排除相關(guān)干擾，通過閱讀文獻(xiàn)內(nèi)容，手動去除與本研究主題的無關(guān)文獻(xiàn)、無法閱讀文獻(xiàn)、一文兩發(fā)文獻(xiàn)以及會議記錄等，最終獲得有效期刊文獻(xiàn)1165篇、碩博論文226篇，共計1391篇。

1.2研究過程

登錄CNKI平臺，按照上述流程檢索出近五年的相關(guān)文獻(xiàn)，篩選出引用率排名前十的文獻(xiàn)進(jìn)行預(yù)研究，通過內(nèi)容分類編碼初步確定文本分析框架：然后，擴(kuò)大研究對象，以近五年的文獻(xiàn)為研究對象進(jìn)行內(nèi)容分析，進(jìn)一步完善分析框架。隨后采用所確定的分析框架對全部1391篇文獻(xiàn)進(jìn)行內(nèi)容分析。

2研究的發(fā)現(xiàn)

2.1發(fā)文量整體趨勢

通過對某一領(lǐng)域的發(fā)文趨勢研究，可以從宏觀上了解該領(lǐng)域的研究過程與動態(tài)。由圖1可以看出，2011-2016年間關(guān)于科學(xué)思維研究的文章數(shù)量較少，而2017年之后關(guān)于科學(xué)思維的研究文獻(xiàn)呈井噴式增長。不難看出，這與2017年頒布的《課標(biāo)》有關(guān)，《課標(biāo)》明確將科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，這引領(lǐng)了物理教育領(lǐng)域?qū)茖W(xué)思維教學(xué)的研究和實踐。

2.2科學(xué)思維的內(nèi)涵與類型

“什么是科學(xué)思維”“有哪些類型的科學(xué)思維”是思維教學(xué)的基礎(chǔ)問題。不過，這些文獻(xiàn)對此并沒有深入和統(tǒng)一的認(rèn)識，而是從以下三個方面進(jìn)行分析的。

首先，多數(shù)文獻(xiàn)是從思維形式出發(fā)對思維類型進(jìn)行分類的，不同文獻(xiàn)的分類結(jié)果不同，其中的具體類型如表1所示。

其次，有些文獻(xiàn)是從思維方法出發(fā)進(jìn)行分類的，不同學(xué)者有不同的見解，文獻(xiàn)中提及的思維方法如表2所示。

另外，有些文獻(xiàn)是基于《課標(biāo)》中科學(xué)思維的要素進(jìn)行的深入分析，主要是針對模型建構(gòu)和科學(xué)推理這兩個思維要素。

關(guān)于模型建構(gòu)的分類，較多學(xué)者將其分為對象模型、過程模型、狀態(tài)模型;但也有其他分類，如，周婷等人把高中常見的模型分為理想模型、微觀放大模型、運動過程、等效替代模型和微元極限模型;趙萍萍、劉恩山基于功能視角將物理模型分為更詳細(xì)的八類：尺度模型、類比模型、圖像和符號模型、數(shù)學(xué)模型、不表示數(shù)學(xué)關(guān)系的圖表模型、理論模型、概念過程模型、系統(tǒng)模型：翟小銘、郭玉英總結(jié)出了對科學(xué)建模能力定義的四種不同視角，并介紹了三類科學(xué)建模能力模型：要素模型、過程模型和水平模型。

關(guān)于科學(xué)推理的分類，俞國富等將其分為演繹推理、歸納推理和類比推理三種類型;宋雅嬌等將其分為守恒推理、比例推理、控制變量推理、概率推理、相關(guān)推理和假說演繹推理六種類型。

綜上所述，文獻(xiàn)對科學(xué)思維的分類沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，并且一般不對思維的內(nèi)涵以及不同類型思維的內(nèi)涵和本質(zhì)特征給以明確界定，由此表明，教師們對于思維的內(nèi)涵與類型的認(rèn)識并不夠?qū)I(yè)、精深，而往往是依靠生活經(jīng)驗來界定思維的內(nèi)涵和類型。

2.3科學(xué)思維的教學(xué)策略

大多數(shù)文獻(xiàn)對“如何教”這個問題比較關(guān)注。不過，它們主要是針對物理學(xué)科核心素養(yǎng)提出培養(yǎng)策略，其中也涉及到科學(xué)思維教學(xué)策略。主要有以下內(nèi)容：

2.3.1教學(xué)目標(biāo)具象化

教學(xué)目標(biāo)的具象化能夠更好地引領(lǐng)教學(xué)過程和教學(xué)活動。為此，學(xué)者們提出以下觀點：

（1）在確定教學(xué)目標(biāo)時要具體構(gòu)思內(nèi)涵與培養(yǎng)途徑，在表述教學(xué)目標(biāo)時也要體現(xiàn)內(nèi)涵和過程性要求。如，有學(xué)者主張使用“環(huán)節(jié)一要素一水平一目標(biāo)”列表的形式呈現(xiàn)具體教學(xué)目標(biāo)：有學(xué)者總結(jié)說在一線教學(xué)中更普遍的目標(biāo)表述格式是“經(jīng)歷……思維過程，提升……思維能力?！?/p>

（2）應(yīng)用目標(biāo)引領(lǐng)科學(xué)思維教學(xué)的顯性化過程。大多數(shù)學(xué)者都贊成在知識的生成過程中培養(yǎng)科學(xué)思維，并提出具體做法。如，何臨紅以。電場強(qiáng)度”的概念教學(xué)為例，提出在概念的起源、定義方法與圖像分析過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力;殷小慧分別在概念引入、形成、運用和完善環(huán)節(jié)提出不同科學(xué)思維的具體培養(yǎng)策略。

2.3.2創(chuàng)設(shè)物理情境

創(chuàng)設(shè)物理情境是學(xué)者普遍認(rèn)同的教學(xué)策略。其中涉及到如下問題：

（1）物理情境類型

根據(jù)情境內(nèi)容的來源，物理情境可分為借助生活物品、社會熱點等載體呈現(xiàn)的生活情境，也叫具象情境;以演示實驗為主的實驗情境;還有游戲故事情境、習(xí)題情境和物理學(xué)史情境。

根據(jù)物理情境的功能進(jìn)行分類，有問題情境、知識應(yīng)用情境、模型建構(gòu)情境、認(rèn)知沖突情境和協(xié)作對話情境。

（2）創(chuàng)設(shè)物理情境的原則

創(chuàng)設(shè)物理情境時應(yīng)該遵循一定的原則才會有利于學(xué)生的思維發(fā)展，如，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”以及切題性等原則。

（3）物理情境的呈現(xiàn)方式

文獻(xiàn)中提及較多的有四種呈現(xiàn)方式。一是使用多媒體以圖片、視頻、動畫的形式呈現(xiàn);二是學(xué)生動手實踐，增加學(xué)生的具身經(jīng)驗;三是教師使用語言描述;四是使用實物進(jìn)行展示。

2.3.3經(jīng)歷科學(xué)探究

多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為，在知識建立過程中讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究是培養(yǎng)科學(xué)思維的有效途徑。不過，這些文獻(xiàn)在陳述科學(xué)探究過程時主要針對的是物理實驗過程，其中論述較多的內(nèi)容是：

（1）有利于培養(yǎng)學(xué)生思維能力的實驗類型

多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維能力的實驗包括：與現(xiàn)代教育技術(shù)相融合的數(shù)字化實驗（如數(shù)字化傳感器、Arduino開源電子原型平臺、Python編程軟件、VR可視化軟件等）、創(chuàng)新實驗、趣味實驗、對比實驗、開放性實驗等。

（2）實驗探究的教學(xué)過程

多數(shù)文獻(xiàn)主張加強(qiáng)設(shè)計如下環(huán)節(jié)有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。一是提出問題環(huán)節(jié)。強(qiáng)調(diào)由學(xué)生提出問題，在實驗過程中對問題進(jìn)行解答。二是設(shè)計實驗環(huán)節(jié)。強(qiáng)調(diào)對實驗儀器的原理進(jìn)行詳細(xì)講解，使學(xué)生不僅會做，還要知道為什么這樣做。三是對實驗結(jié)果的分析與論證環(huán)節(jié)。實驗結(jié)果分為定性結(jié)果與定量結(jié)果，對于定性結(jié)果，鼓勵學(xué)生使用掌握的知識，通過觀察、分析、分類歸納、化抽象為具體等方法，推理結(jié)果產(chǎn)生的原因。對于定量結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生通過論證的方式，對實驗誤差和異常數(shù)據(jù)進(jìn)行符合理論的解釋與數(shù)學(xué)分析。

2.3.4問題解決策略

大量文獻(xiàn)認(rèn)為，在物理教學(xué)中應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生經(jīng)歷問題解決過程，這樣不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，還能發(fā)展學(xué)生的高階思維能力，其中論述較多的內(nèi)容是：

（1）問題類型

使用問題解決策略，首先要明確問題的類型有哪些。很多文獻(xiàn)認(rèn)為問題類型主要分為原始物理問題和真實物理問題。原始物理問題定義為“在白然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加T的物理現(xiàn)象和事實，其表述形式是采用文字?jǐn)⑹龅姆绞絹沓尸F(xiàn)物理現(xiàn)象?！睂W(xué)者們基本認(rèn)同這個觀點，并對原始物理問題的特點、來源以及解決流程進(jìn)行研究。真實物理問題也叫實際物理問題，理論研究較少，多集中在應(yīng)用層面。如，趙瑩、沈志斌通過對真實問題的模型建構(gòu)、問題解決、合理外推等過程達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

（2）具體做法

如何使用問題進(jìn)行教學(xué)？不同文獻(xiàn)關(guān)注的焦點不同，匯總文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)主要提出了以下注意事項：①提出問題。大部分學(xué)者認(rèn)為問題應(yīng)當(dāng)由學(xué)生提出，但沒有給出“如何培養(yǎng)學(xué)生提問”的策略，研究多集中在教師提問策略。②追問。教師應(yīng)該在符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的條件下循序漸進(jìn)地提問、追問。③問題出現(xiàn)的位置可以是預(yù)習(xí)、課中和課后。④問題的選取應(yīng)該具有有效性、啟發(fā)性、尊重學(xué)生智能差異等特征。

2.3.5物理學(xué)史的滲透

物理學(xué)史中蘊含著豐富的教育價值，在建構(gòu)知識的過程中，如何用好物理學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維也是學(xué)者較為關(guān)心的話題。但大部分學(xué)者僅停留在經(jīng)驗層面，且使用的學(xué)史案例多集中在運動學(xué)部分。此外，還發(fā)現(xiàn)大部分文獻(xiàn)都在試圖回答“引什么”和“怎么引”的問題。

關(guān)于“引什么”的文獻(xiàn)中涉及到引入課堂的物理學(xué)史主要有以下四類：科學(xué)家的思維過程（探究過程與實驗過程）、科學(xué)家的人生歷程或名人軼事、科學(xué)家的科學(xué)研究方法和思想方法、科學(xué)本身的發(fā)展經(jīng)歷過程。

關(guān)于“怎么引”的教學(xué)方法和教學(xué)原則的探索比較多樣化。如，于源影通過對HPS融人高中物理教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查，提出HPS融人高中物理教學(xué)的模式建構(gòu)與實施策略，并用“牛頓第一定律”教學(xué)片段加以說明：尹慶豐針對結(jié)合物理學(xué)史教學(xué)的弊端提出“混合式”教學(xué)法：周瓊瓊、許敏萱分別對物理學(xué)史融人教學(xué)的情況進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查分析，提出物理學(xué)史融人課堂的原則，并設(shè)計具體教案。

2.3.6改變教學(xué)模式

為解決科學(xué)思維教學(xué)方法單一的問題，學(xué)者普遍認(rèn)同多個教學(xué)方法并用、多個教學(xué)方法有序結(jié)合而成的教學(xué)模式。很多文獻(xiàn)通過理論分析或?qū)嵺`經(jīng)驗總結(jié)，提出了大量本土化教學(xué)模式。

思維顯性化教學(xué)模式。學(xué)者以某種思維形式或思維方法為理論依據(jù)，依照思維發(fā)展順序進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計。如，韋葉平、張新玉基于逆向思維理論分別提出了倒推式教學(xué)設(shè)計和三步驟模式：林丹娜基于對高一學(xué)生推理歸納能力的調(diào)查，提出歸納推理教學(xué)框架圖，并進(jìn)行教學(xué)試驗，證明其有效性。

問題教學(xué)模式。如，李鳳姣對高一學(xué)生核心素養(yǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維滲透不足的問題，進(jìn)而提出問題拓展探究模式流程：周玲根據(jù)原始物理問題的特點和教學(xué)經(jīng)驗，提出原始物理問題教學(xué)流程，并舉例呈現(xiàn)其教學(xué)實踐：呂磊在PBL導(dǎo)向下進(jìn)行物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂滲透，并以“力的分解”的教學(xué)為例加以說明。對問題教學(xué)模式的研究是問題教學(xué)法的進(jìn)一步深化和落地，有利于直接指導(dǎo)教學(xué)實踐。

物理學(xué)史教學(xué)模式。較多的學(xué)者圍繞HPS教學(xué)模式進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計或本土化改造。如，黃采蘭、袁錦奎分別根據(jù)HPS六步驟對運動學(xué)和電磁學(xué)部分的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計：于源影對HPS教學(xué)模式進(jìn)行本土化改造，并進(jìn)行案例分析;王黎倩根據(jù)《課標(biāo)》與《中國高考評價體系》提出物理學(xué)史與規(guī)律教學(xué)相結(jié)合的九步教學(xué)設(shè)計。

綜上所述，怎么實施科學(xué)思維教學(xué)或怎么培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是文獻(xiàn)論述最多的話題，表明它是我國物理教育改革中的焦點問題。文獻(xiàn)論述了大量零碎的教學(xué)方法，也提出了一些教學(xué)模式。難能可貴的是一些文獻(xiàn)把理論分析、經(jīng)驗總結(jié)和教學(xué)實踐檢驗相結(jié)合，也有一些文獻(xiàn)在實證研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)策略研究，還有一些文獻(xiàn)注意去論證教學(xué)策略的合理性、可行性和有效性。不過，大多數(shù)文獻(xiàn)的總結(jié)比較寬泛、籠統(tǒng)，尤其是沒有密切結(jié)合具體科學(xué)思維類型的內(nèi)涵與科學(xué)思維過程來論證相關(guān)教學(xué)策略。

2.4科學(xué)思維能力測評

“思維教學(xué)的效果”與“中學(xué)生科學(xué)思維能力的水平和特點”涉及到科學(xué)思維能力的評價，是物理教育教學(xué)中的重要課題。本研究發(fā)現(xiàn)，一些文獻(xiàn)對此開展了研究，其中，主要是高校學(xué)者進(jìn)行了深入的探索，研究的內(nèi)容涉及測評方法的選擇、測評內(nèi)容的確定和測評標(biāo)準(zhǔn)的制定等。

測評方法的選擇。文獻(xiàn)主張的測評方法主要是問卷調(diào)查和試卷測驗，此外，還有訪談、課堂觀察、作業(yè)觀察等。問卷的編制一般以《課標(biāo)》的學(xué)業(yè)水平劃分或其他已有問卷為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)。如，張成香以《課標(biāo)》對科學(xué)思維的學(xué)業(yè)水平劃分為基礎(chǔ)，借助Rasch模型設(shè)計物理科學(xué)思維測試量表;曹鍵糧參考《課標(biāo)》和已有文獻(xiàn)編制問卷，調(diào)查了中學(xué)生物理模型的認(rèn)知情況和建模能力水平。除了問卷調(diào)查法以外，科學(xué)思維能力也可以通過試卷進(jìn)行測評。高考考試大綱指出：“高考物理在考查知識的同時注重考查能力，并把對能力的考查放在首要位置：通過考查知識及其運用來鑒別考生能力的高低，但不把某些知識與某種能力簡單地對應(yīng)起來?！蹦敲?，高考試卷是如何考查學(xué)生的科學(xué)思維能力？這是一線教師非常關(guān)心的問題，因此，有很多教師期望通過研究高考試卷的命題特點得到思維能力測評的方法。如，伏森泉以《課標(biāo)》中“學(xué)業(yè)質(zhì)量水平”為依據(jù)研究了2016年全國10份理綜卷中的部分題目，從“模型建構(gòu)”“科學(xué)推理”“質(zhì)疑創(chuàng)新”三個維度分析高考試題考查的能力類型，判斷該題涉及科學(xué)思維的水平等級。

測評內(nèi)容的確定。測評主要針對科學(xué)思維整體或單一思維類型進(jìn)行，較多的學(xué)者對科學(xué)思維整體進(jìn)行測評。如，李琬瑩以《課標(biāo)》對科學(xué)思維規(guī)定的四個方面為一級指標(biāo)，又以“形象思維、模型建構(gòu)、直觀表述”等為二級指標(biāo)，設(shè)置了13道主觀題、1道客觀題來測評學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展現(xiàn)狀。對單一思維能力進(jìn)行測評的文獻(xiàn)較少，其理論依據(jù)主要是《課標(biāo)》中的學(xué)業(yè)水平劃分，也有其他理論基礎(chǔ)，如SUMS量表等，不過相關(guān)研究很少。

測評標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前使用較多的評價標(biāo)準(zhǔn)是《課標(biāo)》提出的學(xué)業(yè)水平劃分，有學(xué)者基于學(xué)業(yè)水平劃分進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化、具體化制定出操作性指標(biāo)。也有學(xué)者提出新的測評標(biāo)準(zhǔn)。如，郭玉英提出了物理學(xué)科能力表現(xiàn)指標(biāo)體系，并詳細(xì)界定了物理學(xué)科能力的一級指標(biāo)與二級指標(biāo)，為評價提供可操作的依據(jù);袁媛等人根據(jù)SOLO分類理論，提出物理模型思維能力的層級。

綜上所述，文獻(xiàn)對科學(xué)思維評價的研究比較重視評價方法多樣化、比較重視圍繞《課標(biāo)》提出科學(xué)思維的四個要素、重視以《課標(biāo)》描述的學(xué)業(yè)水平標(biāo)準(zhǔn)為參考，表明《課標(biāo)》對教育實踐發(fā)揮著重要引領(lǐng)作用。不過，文獻(xiàn)對科學(xué)思維整體情況的測評論述雖較為全面，但不深入;對于具體各類思維的測評研究較少。此外，文獻(xiàn)對思維評價的實施過程和方法規(guī)范性論述較少。總體而言，文獻(xiàn)對思維評價的研究較為薄弱，不利于研究者對科學(xué)思維教學(xué)進(jìn)行評價、反饋和改進(jìn)。

3總結(jié)與建議

總的來說，我國物理教學(xué)領(lǐng)域非常重視科學(xué)思維教學(xué)，尤其是2017年版《課標(biāo)》的修訂，引領(lǐng)了科學(xué)思維教學(xué)的發(fā)展。這些文獻(xiàn)研究主要聚焦于科學(xué)思維的類型、科學(xué)思維教學(xué)策略、科學(xué)思維能力的評價等方面，還有一些研究注意了理論分析、經(jīng)驗總結(jié)和實踐檢驗多方面的結(jié)合，是我國物理教育研究的重要成果。不過，這些文獻(xiàn)也有一些不足之處，很多內(nèi)容比較寬泛、籠統(tǒng)、經(jīng)驗化，在專業(yè)、精深、實證性等方面略顯不足。這就需要教育理論研究與教學(xué)實踐密切結(jié)合，共同優(yōu)化思維教學(xué)研究的方向、方法與思路。比如，美國中部地區(qū)教育與學(xué)習(xí)實驗室（簡稱McREL）將思維能力具體化為13種學(xué)生應(yīng)掌握的推理和思考技能，包括：分類（或分級）、比較、分析（觀點分析）、抽象概括、推理、歸納、論據(jù)建構(gòu)、錯誤分析、實驗探究、做出決策、創(chuàng)造發(fā)明、調(diào)查研究、問題解決。針對每一種思維類型，他們概括了它的內(nèi)涵和關(guān)鍵特征、列出了它的思維過程與步驟、教師組織教學(xué)的流程、教師進(jìn)行評價的問題和評價標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)生進(jìn)行自我評價的問題和評價標(biāo)準(zhǔn)。這樣細(xì)致、系統(tǒng)、全方位的研究才有助于增強(qiáng)教師對思維教學(xué)的理解、對思維教學(xué)的實施和評價。其研究思路值得我們借鑒。