江茶芳

摘 要：培养人才，很重要的一个因素在于培养科学的高阶思维。在课標的指导下，高中物理教师树立了培养高阶思维的教育理念。高质量的高中物理课堂大概念教学是培养学生高阶思维能力最有效的途径。本文以物理“向心力”的课堂教学为例，开展教学思考与探讨，立足于笔者多年的一线教学实践研究，提出了一些教育理念及教学操作。

关键词：高中物理；高阶思维；高质量课堂；大概念教学

物理学是一门重视逻辑推理、崇尚理性思维的科学，也是一门实验科学，是所有自然科学研究的基础学科。物理学的发展推动着社会和人类文明的发展。高中物理是物理学的入门级科目，知识比较抽象，涉及领域广泛，给学生学习带来一定困难。高阶思维是学好高中物理的必备能力。我国著名科学家高士其曾说过：“思维科学是培养人才的科学。”中国现代化发展急需人才，培养一个人成才，很重要的一个因素在于科学的高阶思维，高中物理本身就是高阶思维的产物，高阶思维培养与高中物理的学习，特别是物理大概念的构建是分不开的，因此高质量高中物理大概念课堂教学是培养学生高阶思维的最有效途径。

一、高质量课堂的内涵

何谓高质量的课堂？1.高质量课堂要持续地激发学生的主动性。梅耶尔（美国当代名师，是一个具有教育理想主义情怀的教育思想家。在纽约市进行了20多年的小规模办学实验，取得巨大成功，并领导了纽约和全国的小规模办学运动。这些学校被视为全国教育改革的典范，并且是全国性学校组织“要素学校联盟”的成员。）认为：高质量的教学是持续地发起学生的主动性，调动他们对世界的好奇心，激发他们不断地发现问题，并对所有人的思想进行严密推理验证。2.高质量课堂讲求教学的逻辑性。教师进行教学设计时，有意识地构建问题链，可以有效地促进教学逻辑的形成[1]。3.高质量课堂注重教学活动、实验的创设，积极探索基于情境、问题导向的体验式课堂教学[2]，体验式与互动式、启发式、探究式等成为课堂教学的主要模式。4.高质量课堂往往拥有大概念教学的理念。5.教学常以开放性启智问题代替封闭式作业……教师应拥有非常多的方式可以让教育更有趣，达到用育人目的整合技术教学的境界，教师要投入大精力去构建高质量课堂。

一堂高质量课堂教学具备的效果是：1.教师教学思路清晰，教学设计新颖巧妙，知识传授的准度、高度、深度、广度充分体现；2.学生思想、兴趣被最大化地调动起来，思维敏捷；3.教学逻辑严密，环节紧凑，引人入胜；4.思维、想象空间应得以极大化拓宽；5.教师上课要满怀激情，带动学生进入科研角色。

二、高阶思维与大概念教学

（一）高阶思维

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。认知目标在高阶思维方面体现为分析综合、评价和创造。高阶思维能力具体为创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力，是人类适应智能时代发展的关键能力[3]。高阶思维：回忆—理解—应用—分析—评价—创造。

（二）大概念教学

学科大概念，是指向学科核心内容和教学核心任务、反映学科本质、能将学科关键思想和相关内容联系起来的最关键的概念。大概念是帮助学生认识世界和理解世界的、少数的、可迁移的核心概念。大概念教学就是以大概念为核心目标的教学，它指向培养学生解决真实问题的素养。大概念的生成：“事实、现象、例子—具体概念—核心概念与方法—学科大概念—跨学科大概念—哲学观念”。

（三）高阶思维能力与大概念教学是分不开的

具体与抽象的协同思维生成大概念，没有高阶思维能力就无法构建大概念，同时大概念的构建是高阶思维能力运作的目的及意义所在，当然没有大概念的理念及涵养，也无法拥有高阶思维能力。

三、高质量高中物理大概念课堂教学是高阶思维能力的最佳培养方式

首先，高中物理学科是高阶问题链生成的沃土。问题链可以有效地促进教学逻辑的形成，培养高阶思维能力。

其次，高质量高中物理课堂学习模式是高阶思维能力的最佳培养方式。高质量高中物理课堂教学中采取发现、探究、科研等学习模式。其学习模式的运转在高阶思维方面体现为分析综合、评价和创造，在高阶思维能力方面具体为创新能力、问题求解能力、决策力和批判性思维能力。

最后，高阶思维能力的培养与高中物理大概念教学是相辅相成的。

四、高中物理高阶思维能力培养高质量课堂大概念教学及同步分析（以“向心力”课堂教学为例）

课题：大概念之向心力

大概念教学要求教师站得更高，要有“单元教学”的功底，进行单元规划，确定单元任务和目标。此课程是笔者为培养学生高阶思维并依据学生学情而进行单元规划设计的章末综合拔高大概念课，并非教材原始新课内容。要想培养好学生的高阶思维，往往需要教师在各章节末设计培养相应高阶思维的大概念课程。

教学单元：圆周运动

学情分析：本课前学生已经学习了描述匀速圆周运动的各物理量、向心力概念，知道了竖直面圆周运动最低点、最高点向心力的计算，初步理解了做整竖直圆周运动的条件及计算，已经学习了动力学原理：法向的力只改变速度的方向；切向的力只改变速度的大小。

总体策略：

1.提出问题，高阶思维“回忆”，引入概念（体现在该教学流程1、2、3）；

2.探究问题，高阶思维“分析、综合、评价和创造”，建立概念（体现在该教学流程4）；

3.深化问题，高阶思维“理解、应用、创造”，理解概念（体现在该教学流程5、6）；

4.解决问题，高阶思维“应用、评价”，巩固概念（体现在该教学流程7）；

5.高阶思维“分析、评价、创造”，促进大概念及物理情怀的诞生（体现在该教学流程8）。

教学流程及教学建议：

流程1：实验引入，实验猜想：球若脱离竖直圆轨道做什么运动？自由落体？斜抛？根本核心问题即脱离时，球的速度等不等于零？

教学主题：实验演示球不脱离竖直圆轨道的两种运动：始终在圆心等高处以下部分轨道来回晃荡；完整圆周运动。

学习模式：过山车模型情境创设（切合教学目的巧妙设计实验引入，真实有趣）。

思维培养：实验猜想（逆向思维，培养学生发现问题能力）。

流程2：提出解决实验猜想的理论研究方向：法向的力与向心力的关系。

教学主题：法向的力与切向的力比较，圆周运动中向心力属于法向的力；高阶问题生成。

学习模式：合作小组学习、讨论（不做球脱离竖直圆轨道的实验，也不告知学生答案，让学生保持好奇，鼓励学生先理论推理再实验验证，运用探究、发现学习模式）。

思维培养：理论猜想（溯源思维，培养学生问题求解能力）。

流程3：提炼平常养成的科学探究策略

教学主题：科学思维即从简单情境入手；两大基本突破方法：正交分解、微积分的思维方法；科学理论的统一性。

学习模式：回忆—讨论—决策（小组讨论，调动学生理论证明的自信，促进学生提炼出科学探究的策略）。

思维培养：科学思维（培养学生决策能力）。

流程4：借研究一切运动的法向合力与向心力的关系培养学生的高阶思维

思维培养：分析能力、综合能力、创造能力（启发全体学生以科研者角色进行独立深层思考，支持学生敢于质疑、敢于阐述自己的见解，运用探究式学习的模式，合作探讨、分析、类比、归纳、推理系列学习活动中去，引导学生全面系统地层层深入分析推理，得出揭示科学本质的论点）。

教学主题及学习模式：研究一切运动的法向合力与向心力的关系（学生小组讨论，分析归纳，拓展延伸，展示交流，促进学生生成：匀速圆周运动→变速圆周运动→一般曲线运动→直线运动，系统分析全面研究的策略）。

从简单入手：匀速圆周运动

回忆——做匀速圆周运动的物体：速度大小不变，只是方向在改变，所受的合力是法向的力（Fn）提供向心力。

两种方法突破：

①变速圆周运动：微积分思维——变速圆周运动：由大量的极短时间内匀速圆周运动构成；正交分解：法向、切向——结论：法向合力为该点的向心力。

②一般曲线运动：把一般曲线分割为大量极短的小段，每一段都看成极小段圆弧[4]。这些圆弧具有不同的曲率半径。在分析质点经过曲线上某位置的运动时可以采用圆周运动的分析方法进行处理。结论：法向的合力（Fn）提供向心力。

科学理论的统一性——直线运动

匀速圆周运动、变速圆周运动、一般曲线运动，法向合力提供该点的向心力（引导学生由科学理论统一性的思想方法预判：直线运动法向合力也应提供向心力的观点，培养了创新思维）。

综上推理所有运动（含直线运动）法向合力提供向心力。

（引导学生质疑，培养批判性思维能力，提出以下矛盾）

直线运动法向合力Fn=0

向心力公式：Fn=mv²/R（引导学生根据具体感受解决矛盾，培养创造能力）

直线运动可看成R→∞的圆周运动，则其向心力也等于零，得统一。

结论：直线运动法向合力提供向心力。

总结：匀速圆周运动、变速圆周运动、一般曲线运动、直线运动，一切运动的法向合力提供该点的向心力（学生揭示科学本质的论点，高阶思维促进物理概念的构建）。

流程5：利用结论解决实验猜想并做实验佐证

思维培养：创造性思维及评价能力（引导学生先运用高阶思维能力，先理论推导再实验验证，解决实验猜想，学生体验到创造性思维运用的成就感）。

教学主题及情境创设：

理论推理

利用结论解决实验猜想：物体在竖直圆轨道上通过圆心等高处又未到达圓最高点，脱离圆轨道后将做什么运动？（引导学生顿悟，利用一切运动法向合力提供该点的向心力的结论作为理论解决实验猜想）

学生得出正确结论：斜抛运动。

学生理论证明：Fn=mv²/R

球即将离开轨道，与轨道只接触没有相互作用，故只受重力作用，重力正交分解，法向合力不为零，质量、半径为确定值，由向心力公式得速度不等零，方向为轨迹该点圆的切线方向：斜向上，故为斜抛运动。（学生的高阶思维得以充分运作，自然进入实验验证环节）

实验验证

做过山车实验验证（促进学生思考释放高度范围值）：实验现象球脱离圆轨道后做斜抛运动，引导学生观察，慢播放实验录像、信息技术动画模拟。（引导学生明白由这个实验现象也逆向定性证明了“一切运动法向合力提供该点的向心力”的理论的正确性）

流程6：例题求解——升华例题为该“理论”定量证明的实验设计思路

思维进阶：创造性思维（教师精心设计一题多解的原创题，促进“发现学习”，培养学生创造性思维）。

教学主题及情境创设：

原创例题求解

例：小球（质点）沿着竖直面内的光滑曲线槽状轨道（过山车模型）从ɑ点释放滑下，沿圆轨道运动b点离开轨道，已知ɑ点高度H=15m，b点高度h=13m，R=9m，求小球离开轨道时的速度大小。（g=10m/s2）（引导学生一题多解）

方法1：球从ɑ运动到b的过程机械能守恒，mg（H-h）=mv²/2

方法2：在b点重力法向、切向正交分解mgcosθ=mv²/R

实验设计思路

升华例题为“一切运动法向合力提供该点的向心力”理论定量证明的实验设计思路，利用上面解题方法1“机械能守恒”验证方法2“法向合力提供该点的向心力”的结论，明白实验器材轨道要尽量光滑是减小误差以精确验证的关键，布置该实验的具体设计为课后作业。

（布置实验设计的开放性课后作业，有利于培养学生项目调研能力、科学探究能力、决策和问题求解能力、培养科学态度与责任）

流程7：递进式例题演练

思维培养：创造性思维（教师精选题目，编排向心力递进式例题，促进学生形成物理概念，内化方法，通透解题）。

流程8：升华为大概念

思维培养：创造性思维（教师更深层次设计高阶问题，开放性的、创造性的，促进学生深度思考，激发学生的高阶思维更高维度的运作）。

教学主题及情境创设：

学生分组讨论活动

学生就本节课理论联系实际运动展开讨论，并派代表发表见解（学生深度思考，部分学生突破维度，展开对平抛运动、近心运动、离心运动的创造性思考，灵感诞生，思维进阶到高潮）。

简单启发（面向全体学生，照顾未悟道的学生，启发思考，共赢共情）

提问突破维度的学生分析讲解，应用所有运动法向合力提供该点向心力的动力学原理分析平抛运动及离心、近心运动轨迹特点。例如：离心运动产生的分析，当物体法向合力减小，而且速度不突变，根据结论（一切运动法向合力提供该点的向心力）推理：∵Fn=mv²/R，Fn减小，V不变，m不变，∴R增大，即离心运动。

感悟物理大概念之美，培养学生的物理情怀

学生领悟到圆周运动的圆周保证、近心运动的“近心”、离心运动的“离心”、平抛运动等，所有运动及其轨迹的诞生受法向合力提供該点向心力的动力学原理支配，这过程高阶思维运作及大概念的诞生令学生内心久久不能平复，震撼于物理大概念教学之美……

该课无疑具备高质量课堂教学的特点，教学逻辑严密。教师在备课时精心研究，巧妙设计实验引入问题，生成问题链，结合课程自主编创例题，一题多解，引导学生由原创例题悟出实验原理，布置实验验证开放性作业，高中物理学科特有的价值予以充分挖掘，基于情境、问题导向的体验式课堂教学，体验式与互动式、启发式、探究式等成为课堂教学的主要模式，整节课理论、实验、习题三者相辅相成，深入浅出，高潮迭起，一气呵成，碰撞出学生智慧的火花，不但掌握了物理概念、促进大概念的生成，还培养了高阶思维能力。

结束语

教师应充分挖掘高中物理教材的理论及实验特点，运用自己的智慧对教学进行顶级设计，多方开发构建高质量课堂，激发学生学习兴趣，积极探究大概念教学，培养学生理论推理和实验验证的创造能力，从而培养学生的高阶思维。学生一旦拥有高阶思维能力势必拥有终身学习、科研的能力，可以自发地在较高认知水平层次上进行心智活动，那终将成为一名造福人类的人才。

参考文献

[1]李晶.创设问题链，建构教学逻辑：以“向心力”教学为例[J].湖南中学物理，2022，37（3）：40-42.

[2]陆昌松.基于体验式教学的物理概念课堂教学实践：以粤教版“向心力”为例[J].物理通报，2022（4）：46-49，53.

[3]艾生明.以“问题为中心”的高中物理概念教学初探：以“向心力”为例[J].中学物理教学参考，2022，51（18）：18-20.

[4]韩亚君.交互式电子白板在高中物理教学中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2012.