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收藏学习《指向高中物理学科实践的科学思维进阶模型构建——以“探究地铁离站运动规律”为例》
收藏学习《指向高中物理学科实践的科学思维进阶模型构建——以“探究地铁离站运动规律”为例》
科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式.《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出,科学思维是物理学科核心素养的重要组成,包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素,并在后续修订中进一步强化以学科实践发展学生核心素养的育人路径.然而,当前高中物理教学中的学科实践多聚焦于流 程完整,缺乏对学生科学思维的精准评价与针对性引 导.鉴于此,本文基于SOLO (Structure ofObserved Learning utcome)分类理论,构建指向高中物理学科 实践的科学思维进阶模型,并以"探究地铁离站运动规律"为例,透过学生的真实表现,剖析实践阶段与思维层次的对应关系,阐释该模型的运作,以期为科学思维在学科实践中的精准培养与评价提供模型支持与案例参照. 1 物理学科实践概述 1.1 物理学科实践内涵 学科实践一般是指学科专业共同体怀着共享的愿景与价值观,运用学科概念、思想和工具,整合心理过程与操作技能,解决真实情境中的问题的一套典型做法.其本质是让学生像"学科专家"一样进行思考和探索.作为一种学习方式,它体现了知识与实践的统一:一方面,通过亲身经历知识产生的过程,才能使之真正被理解和内化;另一方面,学习知识有助于更好地实践,参与实践又可以进一步反思、重构学科知识高中物理学科实践应基于高中物理的教学内容及特点,运用物理的知识、方法和工具,以物理概念和规律为核心,通过观察、探究、实验、反思、创造等方式解决真实情境中的问题.以探究为主要学习方式的高中物理学科实践一般包括提出问题、作出假设、制定计划、搜集证据、处理信息、得出结论、表达交流和反思评价等要素,在本研究中将其划分为"问题与假设""方案与实施""结论与反思"三个基本环节. 1.2物理学科实践的特征 学科实践具有渐进性、协作性和反思性三个基本特征.在设计良好的物理学科实践项目中,探究进程遵循"由简单到复杂、由具象到抽象"的认知规律,自然承载并驱动思维"先发散后收敛、先分解后整合"的进阶过程.这一特性使学科实践成为促进学生思维同步重构的有效载体.异质分组与学习共同体的建立,使得不同思维层次的学生基于相同任务框架,实现认知资源的互补与思维视角的拓展.这种基于认知冲突与观点协商的社会性机制,能够实现差异化思维进度的自然调节与协同提升,促进不同层次学生的共同发展.在解决实际问题的过程中,预设与实际的对照激发了学生的相互质疑与自我反思.推动其对原有认知与思维结构的持续完善。 2 物理学科实践中的科学思维进阶模型 物理学科实践中,学生需使用科学证据,通过推理论证对真实问题进行描述、找出规律和形成结论,并从不同角度思考问题、大胆创新,在问题的界定和解决过程中,发展科学思维.思维虽然内隐,但可以通过语言和行为可视化,使其被评价、交流和改进. 21 科学思维进阶模型的构建 为精准评价学生在物理学科实践中科学思维的发展阶段,本研究借鉴SOLO分类理论的思维结构分 层思想,结合高中物理学科实践的特点,将学生对问题的理解程度简化为单维思维、多维思维、结构思维三个层次,并基于学科实践过程与思维层次发展路径的内在一致性,构建"实践环节"与"思维层次"双向映射的科学思维进阶模型,如图1所示。 
2.2科学思维进阶模型的说明 模型下层是科学思维进阶的图示化表示,分为"三层次两阶段":三个矩形框表示将科学思维划分为 "单维思维""多维思维""结构思维"三个层次,每一 层次内又分为两个阶段,分别用(A0、A)、(B0、B)、 (C0、C)表示.小圆点表示情境中提取的多个因素,圆点间的短实线表示要素间的显性关联;虚线框表示任务边界,虚线箭头表示层次内思维发展的方向,空心箭头表示思维层级的进阶.对该模型所描述的思维层次阐释如下. 2.2.1 单维思维层次 学生对真实情境中的信息进行初步提取和辨析, 确定主、次要因素,如图1中的空心小圆点表示无关或次要因素,实心小圆点表示主要因素,思维处于A。 阶段:进一步筛选要素,从物理学视角确定物理问题 边界并作出猜想和假设,如图1中虚线椭圆所示,思维达到A阶段.各要素在问题边界范围内呈散点分 布,尚未建立彼此的逻辑联系. 2.2.2 多维思维层次 学生能够从整体视角将问题解决过程初步拆分 为若干子任务,将主要因素进行板块化划分和必要补充.如图1中虚线圆圈表示子任务范围,思维达到 B。 阶段;进一步运用分析和综合、推理和论证建立子任务要素的联系.在图1中用短实线连接实心小圆点表 示,问题解决过程形成局部范围内结构关联,思维处于B阶段. 2.2.3 结构思维层次 学生能准确运用物理学术语、符号、公式、图表等 对解决问题全过程进行整理和结论提炼,并进行反思,形成从问题提出到解决的完整结构,思维达到C 阶段:最终完成由具象到抽象的思维进阶,并能超越当前问题情境,建立跨模型、跨学科的迁移联系,如图 1中虚线椭圆外的空心圆点表示界外因素,体现思维的拓展性与创新性,达到C阶段 模型上层为高中物理学科实践中的三个基本环节,与上述科学思维层次相结合.在"问题与假设"环节,学生从真实情境中提出需要解决的物理问题,通过获取和筛选信息界定问题边界,初步建立"现象一物理量"的对应,但尚未建立要素间的关联,处于单维思维层次;在"方案与实施"环节,学生首先将问题解决过程拆分为若干子任务,然后通过推理论证建立子 任务要素间的逻辑关联.达到多维思维层次:最后在"结论与交流"环节整合及反思问题解决的逻辑过程从不同角度进行分享和质疑,并能实现流程或方法的迁移,达到结构思维层次。 综上,本模型以学科实践三个环节为主线,以"环节化实践驱动层次化思维"为逻辑,通过图示方式刻画学生思维从单维到多维、从具体到抽象、从无序到有序的结构变化.在实际教学中,学生活动与思维发展通常同步递进,但也存在差异性,如个别学生在中间环节已达到结构思维层次,或最终也只能达到多维思维层次的情况.因此,教师在教学过程中既要引导全体学生思维的阶段性发展,又要关注到个体思维进阶的差异性。 3 科学思维进阶模型的应用 为示范前述模型在高中物理学科实践中的具体应用,本研究选取"探究地铁离站运动规律"为实例,检验模型对科学思维发展过程的解释力与引导力。 3.1教学实例设计 “探究地铁离站运动规律"是高中物理"机械运动与物理模型"核心主题下的探究性学科实践活动.学生已经掌握匀变速运动基本知识,思维方式正在从具象向抽象过渡.选取这一项目,契合学生已有学习经验和认知特点.本活动采用课内外联动模式,在课内完成方案设计、数据分析与展示交流等任务,课外完成观察、测量,展示准备等任务.学生需运用"机械运动"单元的相关知识、采用手机拍摄视频并利用剪辑软件逐帧分析的方法,探究真实情境中地铁离站的运动规律,深化对相关物理概念和规律的理解,发展模型建构、推理论证及科学探究等能力.以下按本项目的三个基本环节推进过程,对学生行为表现进行列举并分析和判定其思维结构层次. 3.2 教学过程剖析 3.2.1 环节1:问题与假设 教学设计:教师播放地铁离站视频,提出问题"如何利用手机视频拍摄及剪辑软件,研究地铁离站的运动规律"?引导学生回顾相关知识和方法,从真实情境中提炼出物理问题。 学生活动:几乎所有学生都能基于直接观察或经验提出运动学猜想,如"地铁离站时速度越来越大"“可能是匀加速运动"等.教师追问"如何通过定量研究验证你的假设"?学生通过小组讨论提出多个因素并表述为"速度、位移、加速度、运动时间、客流量、驾驶习 惯、停站时间……"并最终确定核心任务:通过定量分析x-t或υ-t关系来研究地铁离站的运动规律 思维进阶剖析:在本环节中,学生能基于已有学习经验从真实情境中快速识别物理问题,并对多个因素进行科学表述和初步筛选,锚定运动时间、速度、位移、加速度等主要因素,提出运动模型假设并确定核 心任务.在现象描述向物理建模的转变过程中,学生实现科学思维从A向A阶段的发展,如图2所示.但 尚未展开要素间的关联性思考,处于单维思维层次且未出现明显的层次差异。 
3.2.2 环节2:方案与实施 教学设计:教师通过问题引导学生小组拆解核心任务,并通过推理细化子任务方案;布置学生利用课余时间拍摄若干条有效视频,并在课内合作完成视频剪辑、数据提取及分析。 学生活动;在方案设计过程中,通过小组讨论能将学生个体列举的孤立子任务整合为"拍摄视频-采集数据-分析数据-形成结论"的问题解决流程,进而在教师引导下,细化物理知识和方法在真实场景中的具体应用.如某小组注意到,地铁停靠时车门与站台防护门总是对齐的,于是针对"拍摄视频"子任务提出:选取非高峰时段避开人群干扰,在站台前端正对防护门缝位置固定机位,拍摄地铁出站全程的视频并利用剪辑软件截取地铁启动时刻为零时刻 。 
“位移/速度的采集"是本项目中的难点.某小组选择研究x-t关系,注意到站台上的防护门是等间距 分布的,推理车门也是等间距的,提出:逐帧播放视频,读取车门缝与防护门缝对齐的时间,实地测量相 邻车门中缝的间距,依据经过计时点的车门个数可计算出地铁位移大小.另一小组选择研究v-t关系,围 绕“如何获取瞬时速度"进行讨论:学生先回顾了新课学习中"极短时间内的平均速度近似为瞬时速度"这一结论,并注意到视频中位移的读取难度大于时间的读取难度,于是提出"将一小段位移经过观测点的平均速度视为瞬时速度":随后,学生聚焦于选择"车厢长度还是车窗宽度作为测量单元"进行讨论,某学生提出:"车窗宽度位移更短,用平均速度代瞬时速度的误差更小",得到全组同学一致同意,同时决定将拍摄参数从30帧/秒调整至60帧/秒以提高测量精度 在数据处理阶段,所有小组均能完成基础的数据 提取和计算;多数小组能运用Excel等工具进行描点。 作图与函数拟合:个别小组创造性地借助AI编程进 行数据处理,如图3所示. 地铁出站魂度一时间图(r-0월宽=0.39m 帧水 测得车窗宽度为39.00 cm 图3 学生实地测量与运用 AI 编程分析数据 思维进阶剖析:学生思维在本阶段最为丰富.方案设计初期,学生个体关注素材侧面有限,小组讨论促使大多数学生对问题的认识从散点状态发展为板块化结构,并共同完善子任务内的要素关联.如"拍摄视频"子任务方案考虑到拍摄的时间、环境、镜头位 置、视频长度及计时起点等因素,达到多维思维层次 中的B。阶段,而形成有逻辑顺序的解决方案,则表现 出B阶段的特征 学生合作解决子任务时,通过设计与实施的反复对照,突出解决问题的真实细节.例如,注意到地铁停靠时,车门与防护门总是对齐而选择该位置为计时点:再如发现防护门等间距分布,推理可知地铁车门中缝间距也相等,为位移计算提供思路:又如发现视频中为便于读取时间,灵活运用极限思维将"一小段时间"转换为"一小段位移"来近似处理瞬时速度……学生小组的方案从表层操作发展到提出多个细节,能 够调用相关物理知识和研究方法,通过有逻辑地推理论证,建立子任务要素关联,达到多维思维B阶段(如 图4),并向结构思维层次发展。
在数据处理阶段,学生将新授课中习得的方法应 用于真实探究过程,体现学科实践知行合一的本质特征.个别学生采用AI辅助编程处理数据,表现出较强 的拓展思维和创新意识,也体现出学生思维发展层次的差异性.3.2.3 环节3.结论与反思
教学设计:学生对研究过程进行反思和必要的补充研究,形成最终结论:教师组织小组交流,设置相互质疑和点评环节,组织学生代表共同评价;通过引导学生思考本项目的研究价值,促进研究结论和方法的迁移。
学生活动:所有小组均能基于数据分析总结出"地铁出站运动基本符合匀加速直线运动规律"或"加速度先不变后减小的变加速运动"等结论,同时能比较全面地分析实验误差来源.如"拍摄参数设置""测量单元选取"等.个别小组能基于数据进行方案反思和调整,如"忽略了车厢连接处长度",改进后重新计算位移、分析同一站台拍摄的多条视频求均值以减小误差等:部分小组能进行对比迁移,提出"无人驾驶条件下或火箭发射的运动规律可能更符合匀加速运动""一段时间后地铁加速度应逐渐减小为零"的新猜想。
在问答环节,小组间相互对方案和探究过程进行质疑与论证.例如,有学生指出"用平均速度等于中间时刻瞬时速度的规律进行计算,由此得出是匀变速运动的结论,是否属于循环论证";还有学生质疑"不同列车的司机操作不同导致加速度不同,把多趟列车的运行数据取平均值是否有意义"
思维进阶剖析:本环节是学生思维层次的最终呈现,层次表现也最为丰富,绝大多数学生能基于数据分析反思方案缺陷.例如,围绕"如何更精确地计算瞬时速度"而对测量单元和拍摄参数进行修正,促使他 们超越公式记忆,从实验原理层面深度反思子任务的关联性和整体性,思维展现出结构化特点,达到C阶 段.少数学生基于学习经验和实践经验,关注到项目全过程,提出如"循环论证""有效取均值"等高价值的质疑:个别学生能突破本项目情境局限,进行批判 性反思或迁移性设想,其思维呈现出抽象拓展结构的特征,达到抽象拓展结构的C阶段,如图5所示.
3.3科学思维进阶
基于以上记录与分析可以看到,在学科实践的个主要环节内部,学生思维结构伴随着任务分析与解决过程实现层次内进阶.在三个环节之间,科学思维与学科实践环节整体协同发展.清晰呈现出从"单维孤立"到"多维联结"再到"结构抽象"的层次进阶轨迹,表现为以下几个方面。 3.3.1 问题界定与模型建构的系统性 学生从最初仅能识别孤立要素(如速度越来越大),处于单维思维层次,逐渐发展为建立多要素间的逻辑联系(如测量单元、计时点与瞬时速度计算的关联),进入多维思维层次:最终整合数据与误差分析提出运动规律的系统模型,促进思维向结构层次跃迁伴随着学生认知从碎片化到系统化的过程,逐步发展其突出主要矛盾、从具象到抽象的模型建构能力。 3.3.2 探究过程与推理论证的调控性 学生在初期的推理多表现为套用公式或实验既定步骤,处于单维思维层次:后期逐步转向基于证据评估的自主调控(如将测量单元从车厢长度调整为车窗宽度、发现并指出"循环论证"问题等),实现从多维思维向结构思维的逐步转变.学生在探究过程和实验原理之间的反复印证,促进了科学推理和论证能力的发展. 3.3.3 交流反思与迁移创新的抽象性 学生通过结构化整理,将结论从简单陈述(如"是匀加速运动")提升为对解决问题全过程的系统阐释,以充分论证研究的科学性:学生将自身实践过程中对问题的深入思考转化为质疑(如多次测量取均值的意义),帮助其他小组进行批判性反思;甚至有少数学生突破情境局限进行方法迁移(如提出将研究思路和方法用于无人驾驶线路和火箭发射过程),体现出思维结构突破边界向抽象拓展阶段的进阶这三个维度的协同深化,印证了本模型所描绘的科学思维结构层次的进阶路径,也揭示了学科实践作为发展科学思维载体的重要作用。 4 科学思维进阶模型的启示 4.1理论价值分析 本研究构建的"科学思维进阶模型"为高中物理 学科实践中的思维培养提供了一个可观测、可引导可评价的结构化框架,将SOLO分类理论动态嵌入学 科实践过程,构建了"实践环节"与"思维层次"双向映射结构,将原本隐性的、连续的科学思维发展过程,外显为一系列显性的关键行为节点,从而能描述与判 定学生在解决真实问题时思维结构的进阶轨迹.在"探究地铁离站运动规律"的实例分析中,学生的阶段性表现印证了这一映射结构的有效性。 4.2教学实践展望 基于上述分析,本模型为教学实践提供启示:教师应系统化地设计教学行为,通过创设真实情境、规划进阶任务、组织协作反思,使思维培养系统地贯穿于实践全程,而非偶然发生。 为促进模型的广泛应用与持续优化,未来可从以下方面持续探索:教学设计上,开发配套的思维进阶可视化引导单及差异化任务资源包,为不同思维起点的学生提供适配支架:教学实施上,推动教师角色从活动组织者向思维催化者转变,通过制造认知冲突开展证据辩论等方式,深化学生的科学论证与批判性思考:教学评价上,构建融合"实践成果"与"思维过程"的多元评价体系,将思维表现纳人评价维度.此外,可进一步探索模型在其他主题中的迁移应用,并积极融合传感器、数据分析平台等智能工具,持续赋能核心素养导向的物理教学改革. 5结束语 本研究构建的"指向高中物理学科实践的科学思维进阶模型"为系统培养科学思维提供了理论框架与实践范式.以"探究地铁离站运动规律"为实例的示范与验证表明,该模型具备良好的解释力与引导力.未来可进一步推进该模型的迁移应用,及其与数智工具的深度融合,推动学科实践向思维深处迈进。 参考文献 ： [1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准 (2017年版2020年修订)[S].北京:人民教育出版社,2020 ［2]约翰·B·彼格斯,凯文·F·科利斯著.学习质量评 价:SOLO分类理论(可观察的学习成果结构)[M].高凌飙,张 洪岩,译.北京:人民教育出版社,2024 ［3]崔允,王少非.新课程关键词[M].北京:教育科学 出版社,2023 ［4]林崇德,胡卫平.思维型课堂教学的理论与实践[J] 北京师范大学学报(社会科学版),2010(01):29 - 36 ［5]胡卫平.科学思维的理论与培养[M].石家庄:河北人 民出版社,2023 ［6]汪明.基于SOLO分类理论的物理课堂教学设计- 以"多用电表的原理"教学为例[J].物理教学,2023,45 (03): 34 -36 [7]刘濯源.思维可视化:减负增效的新支点[J].中小学 管理,2014(06):10 -13.
在数据处理阶段,学生将新授课中习得的方法应 用于真实探究过程,体现学科实践知行合一的本质特征.个别学生采用AI辅助编程处理数据,表现出较强 的拓展思维和创新意识,也体现出学生思维发展层次的差异性.