鄧 磊 包 雷

(1. 西南大學物理科學與技術(shù)學院，重慶 400700； 2. 俄亥俄州立大學 物理系，哥倫布 俄亥俄 43202)

新課標提出要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng),對于物理學科的核心素養(yǎng)而言科學思維是其中一個非常重要的部分．研究什么是科學思維,科學思維能力如何劃分,如何培養(yǎng)學生的科學思維能力是當前我國課程與教育改革所關(guān)注的熱點問題．美國作為科學教育開展得較為久遠的國家,特別是在近年來STEAM(科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學)課程的提出和施行過程中,出現(xiàn)了大量不同類型的結(jié)構(gòu)不良(ill-constructed)問題,這些問題類型都被認為是評價學生科學思維能力的一種切實可行的手段．

不同類型的問題是否對于評價學生不同的科學思維能力有所差異?什么類型的問題才能客觀、有效、完整地評價學生的科學思維能力呢?這些不同類型的問題又能夠評價學生的哪些科學思維能力呢?本文以美國當前不同類型的理科主流問題為視點,希望能從中找出一些線索為我國培養(yǎng)理科學生的科學思維能力提供一些值得借鑒的經(jīng)驗和需要規(guī)避的短板．

1 科學思維能力的內(nèi)涵及類型

1.1 科學思維

科學思維也叫科學邏輯,形成并運用于科學認識活動中,是對感性認識材料進行加工處理的方式與途徑的理論體系;它是真理在認識的統(tǒng)一過程中,對各種科學思維方法的有機整合,它是人類實踐活動的產(chǎn)物[1]．換而言之,科學思維是一種思維模式,其思考對象是關(guān)于所有與科學領(lǐng)域相關(guān)的主題、內(nèi)容或問題,思考者通過熟悉地運用其自身思維的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并將知識本體運用其上,以達到提高他或她的思維品質(zhì)的目的[2]．

科學思維的應(yīng)用可以幫助人們提高科學素養(yǎng)以及科學的鑒別能力．而對學生進行科學思維的培養(yǎng),可以幫助他們實現(xiàn):提出并清晰地表達重要的科學問題;通過收集并評價相關(guān)科學數(shù)據(jù)和信息,能使用抽象思維去有效解釋問題;得出良好歸因的科學結(jié)論和答案,檢測其是否與相關(guān)標準一致;在科學思想的收斂系統(tǒng)中開放性地思考,發(fā)現(xiàn)和評價科學假設(shè)、意義以及實際結(jié)果;面對復(fù)雜科學問題能與他人有效交流,并提出解決方案．

簡而言之,科學思維就是通過自我監(jiān)控、自我指導、自我約束、自我糾正,實現(xiàn)并促進個體的有效交流能力,問題解決能力以及致力于發(fā)展科學能力的意向,它是一種內(nèi)隱的思維活動,而要對科學思維進行評價和管理則需要通過外顯的科學思維能力進行轉(zhuǎn)譯．

1.2 科學思維能力及類型

研究者(Watson1998,Cano,Newcomb1990,Whittington2003)認為:教師們應(yīng)該創(chuàng)造良好的學習環(huán)境幫助學生發(fā)展高階的認知能力,同時研究者也同意高階認知能力是一種不可或缺的技能,其需要在學校教育中得到充分的強化．

作為認知能力中重要部分的思維能力相應(yīng)也被研究者們[3],劃分為高階思維能力(high order thinking skills)和低階思維能力(lower order thinking skills)．低階思維能力包括區(qū)分、簡單地應(yīng)用和分析,以及認知策略和先前知識．高階思維能力植根于低階思維能力,與解釋、決定、執(zhí)行以及結(jié)果等行為相關(guān),包括批判性思維、邏輯性思維、元認知思維、反省思維、創(chuàng)造性思維等多種能力．

雖然到現(xiàn)在為止,學界還沒有對科學思維能力有一個準確界定,但是很多研究者都認為科學思維能力應(yīng)該包括“在學生科學探究中的推理能力和思維能力,如提出假設(shè)、實驗設(shè)計、證據(jù)評價和推斷結(jié)論的能力等(zimmerman,2007)”．

而本研究認為,科學思維能力是指人們采用科學思維方式對科學問題進行分析、整理、鑒別、消化、綜合等加工改造后,能動地透過各種現(xiàn)象把握事物內(nèi)在實質(zhì)聯(lián)系,形成新的思想,獲得新的發(fā)現(xiàn),制定出新的決策的能力．

基于此,根據(jù)布魯姆的分類(Bloom’s Taxonomy),將科學思維能力劃分為高階科學思維能力和低階科學思維能力．其中低階科學思維能力包括:記憶能力、理解能力和應(yīng)用能力;高階科學思維能力包括:分析能力、評價能力和創(chuàng)造能力[5]．

縱觀當前科學教育的發(fā)展趨勢,培養(yǎng)學生的高階科學思維能力是學校教育極其關(guān)注的領(lǐng)域．因為研究表明,培養(yǎng)學生的高階科學思維 能力能促使個體其他智力能力的持續(xù)發(fā)展．而要有效掌握學校教學活動中對學生高階科學思維能力的培養(yǎng),則需進行正確地評價,已有研究提出[11]對學生高階科學思維能力的評價需要使用學生不熟悉的科學問題或任務(wù),要求學生充分利用他們的先前知識來回答或完成相關(guān)問題和任務(wù)[6],才能確保其使用高階科學思維能力回答問題或任務(wù)．

2 對美國主流理科問題類型的述評

什么樣的問題或任務(wù)才能對學生的高階科學思維能力進行客觀、科學地評價呢?心理研究顯示在某一領(lǐng)域的技能培養(yǎng)可以遷移到其他領(lǐng)域,所以,通過長期的學習,個體的高階科學思維能力的發(fā)展完全可以應(yīng)用到更為廣泛的復(fù)雜問題中．即,可以通過復(fù)雜的問題來評價學生的高階科學思維能力[7]．

為了培養(yǎng)學生科學思維,美國科學教育界將理科問題進行了結(jié)構(gòu)化劃分,除了常見的結(jié)構(gòu)良好問題(這類問題的設(shè)問和題給條件明確,答案明確,初始狀態(tài)明確、目標狀態(tài)和算子明確),即傳統(tǒng)的理科問題外,還非常關(guān)注結(jié)構(gòu)不良問題,這類問題初始狀態(tài)、目標狀態(tài)和算子至少有一個沒有明確界定(沒有明確的結(jié)構(gòu)或解決途徑),被認為屬于復(fù)雜問題[8]．其主要特征有: (1) 問題條件或數(shù)據(jù)部分呈現(xiàn)冗余; (2) 問題目標界定不明確; (3) 具有多種解決方法、途徑,有時甚至沒有解決辦法; (4) 具有多種評價解決方法的標準; (5) 所涉及的概念、規(guī)則和原理等不確定,或者不知道如何應(yīng)用它們解決問題; (6) 沒有一般性的規(guī)則或原理來描述或預(yù)言大多數(shù)案例; (7) 需要學習者表達個人對問題的觀點或信念; (8) 沒有確切的方法確定行為是否合適; (9) 與真實生活情境相關(guān)．需要指出的是,一個結(jié)構(gòu)不良的問題并不需要在具有以上所有的特征．

而對于結(jié)構(gòu)不良問題,因為或具有復(fù)雜的問題情境,或具有復(fù)雜的問題目標,或具有不確定的評價方法,或者需要復(fù)雜的解法等等,從而需要更高水平的思維過程才能實現(xiàn)問題解決,所以這類復(fù)雜問題可以實現(xiàn)對學生高階科學思維能力的評價．而美國當前主流理科結(jié)構(gòu)不良問題主要有情境豐富問題、危險問題(場景回構(gòu)問題)、費米估算問題、排序問題、提出問題等五類．

2.1 情境豐富問題(context rich problem)

情境豐富問題的題干文字簡短,但是卻建立于現(xiàn)實的情景,通過激勵性的設(shè)問來刺激學生解決問題,這些問題要求學生利用已有的物理概念或原理來診斷一個充滿現(xiàn)實的情境．

一般而言,情境豐富問題是一個簡短的故事,主角是學生,每個問題都使用“你”作為人稱代詞．該問題的狀態(tài)是真實的,但是需要學生使用模型假設(shè);該問題的描述包括了鼓勵性的動機或“你”去完成某個任務(wù)的原因;沒有圖片或圖示,學生必須使用他們自己的經(jīng)驗和知識來使該情境可視化;該類問題可能會忽略常見的知識信息;該類問題的目標變量可能沒有被明確地描述出來．

解決情境豐富問題需要較大的挑戰(zhàn)性,一個學生不能解決它,但是也不能太具有挑戰(zhàn)性,從而導致一個小組的學生也不能解決它;問題需要被結(jié)構(gòu)化,因為只有結(jié)構(gòu)性的問題,小組成員才能決定如何一步步有條理地解決該問題;問題與學生的生活相關(guān);問題在數(shù)學難度上不能太大,同時也不能有以前學生學過的解題技巧;問題不能來自傳統(tǒng)的章末練習[9]．

與傳統(tǒng)題目相比,情境豐富問題都來自于真實的物體,將科學與真實世界聯(lián)系在一起;科學語言、科學模型、假設(shè)、圖示都沒有清晰描述,所以給了學生小組有進行決策的機會;另外,該類問題對學生而言變量沒有提前預(yù)設(shè)．

2.2 費米估算問題(Femi problems)

在物理和工程教育中,費米問題又被稱為費米測驗,費米估算,或解數(shù)估算,它其實就是一種估算問題,該類問題被設(shè)計于維度分析、近似,以及那些通常用來進行估算的問題中．費米問題來自于費米的真實估算:當原子彈爆炸時,費米通過紙片隨沖擊波掉落在他手中時所運動的距離,非常準確地估算出了三一測試中原子彈爆炸的強度．

科學家們通常在轉(zhuǎn)向復(fù)雜方法計算準確答案前,使用費米估算來討論問題的答案．費米問題的使用提供了一個檢查結(jié)果較為常用的方法．雖然估算大多不準確,但是作為一個勘誤的簡單計算是非常重要的．如果數(shù)值結(jié)果超過置信區(qū)間,就能發(fā)現(xiàn)錯誤假設(shè)．費米問題給出了一個快速,簡單的方法去獲尋問題解決的框架,在該框架下所給出的答案是在有理由的情況下被期望的,其結(jié)果也是基于給定情境的．通過費米問題,能實現(xiàn)對學生的邏輯思維能力以及評價能力的培養(yǎng)和評價．

2.3 排序任務(wù)(ranking tasks)

排序任務(wù)所提供的問題一般都包括一些相似的情境狀態(tài)．該狀態(tài)僅在一個或幾個物理量上數(shù)值不同(如并聯(lián)或串聯(lián)燈泡的數(shù)目,某物體的速度和質(zhì)量,等等)．學生根據(jù)題目中設(shè)問物理量的要求對某狀態(tài)進行排序(如電流的大小,繩子的張力等)．學生還需要解釋排序的結(jié)果．排序的結(jié)果和解釋為教師深入了解、識別學生的思維及思維模型提供了指引．

排序任務(wù)在幫助學生修正他們的概念性理念上非常有用．教師給學生設(shè)置排序任務(wù),學生獨立完成該任務(wù),然后與其他同學的想法進行比較、評價,并盡量發(fā)現(xiàn)思維中的差異,從而能發(fā)展及評價其高階科學思維能力．

排序任務(wù)一般出現(xiàn)在小組或課堂討論中．該任務(wù)也通常被作為家庭作業(yè)或者測驗和考試,來評價學生的思維能力．

2.4 危險問題(場景回構(gòu)問題)(Jeopardy problems)

場景回構(gòu)問題又叫危險邊緣問題．最初“危險邊緣”,是由梅夫格里芬創(chuàng)造的美國電視游戲節(jié)目．該節(jié)目的特征就是小測驗競賽．比賽者必須用問題的形式來回答,主持人給出答案的線索．

后來,在美國科學教育界出現(xiàn)了這樣一類結(jié)構(gòu)不良問題,該類問題由于具有該電視節(jié)目的部分特征最初被稱為“危險邊緣問題”．危險邊緣問題以物理方程開始,然后要求學生用物理概念或原理、規(guī)律等物理名詞來描述該過程．該問題解決需要使用到對物理符號語言深入地概念性理解——類似閱讀經(jīng)典．該類問題最本質(zhì)的特征為場景回構(gòu),即將物理方程用一系列或科學的或生活化的場面、情境進行還原性建構(gòu)和描述．

在危險問題中,顛倒了普通的解題過程:首先,提供一個物理或其他學科方程作為給定信息;然后,要求學生建構(gòu)一個恰當?shù)奈锢?其他學科)狀態(tài)來適切該方程．如提供m=60 kg,要求學生給出物理情境．一般來說學生可能會認為:這可能是置于水平地面上的一個質(zhì)量為60 kg的物體;或是一個60 kg的人,站在地面;還有的學生會描述為一個質(zhì)量為60 kg的人,在水平、無摩擦的地面滑行．一般而言,學生大多數(shù)會提出前面的說法．其實,最后的一種說法也是可行的——因為,它是普通學生的另外一種物理(科學)認識．

在此類問題中,學生被鼓勵發(fā)散性思考,當他們創(chuàng)造性地描述該方程的過程或狀態(tài)時,他們的高階科學思維能力會得到充分的發(fā)展,那么也能更容易地對其進行評價．

2.5 提出問題(problem posing)

提出問題這類題目(用“提出問題”表示),在任務(wù)中提供了結(jié)構(gòu)化的問題狀態(tài)(一系列的表面特征和故事線)給學生,學生們被要求通過增加一個問題或一句描述,將該問題狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脤ｉT的或題設(shè)條件給出的物理原理所解決的問題．題目中所給出的明確的定理或概念是提出問題的線索,“提出問題”的要求則需要與教材中所學內(nèi)容相關(guān)．一般而言,“提出問題”會給出兩個相似的任務(wù),每個任務(wù)所需要的結(jié)果明確地與特別的概念或原理聯(lián)系．“提出問題”主要希望了解學生聯(lián)系問題空間至概念空間的能力是否具有傾向性．

“提出問題”在對認知過程的評價上,仍然是一個還沒被完全開發(fā)的工具．因為“提出問題”涉及到概念和情境的相互影響:該類問題提供了豐富的情境,在該情境中可以分析情境是如何被概念提示的,反之也可以分析概念是如何被情境所提示的．“提出問題”被證明是一個強有力的工具,用其可以分析情境如何轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍?或相反,以及概念是如何與專門的情境緊密地聯(lián)系在一起的．“提出問題”也讓鑒定學生方面變得可能,可以鑒定學生科學思維能力的組成以及這些組成與其所接受的科學思維的一致程度,及基于這些方面的推理能力．

研究者提出[10]測量高階科學思維能力有三類題目/任務(wù)形式是非常有用的:選擇題(包括多項選擇、匹配題和排序題)、主觀題(包括簡短回答,描述、執(zhí)行任務(wù)及問題解決)、解釋題(包括給出選擇的原因或生成反應(yīng)的原因)．

對比美國主流理科問題類型發(fā)現(xiàn),不管是情境豐富問題還是費米問題抑或提出問題,從題目形式上都非常符合對學生科學思維能力測量的需求:排序問題需要排序及給出選擇的原因明顯與選擇題及解釋題的要求接近;情境豐富問題、費米問題、危險問題因為需要簡短回答以及進行問題解決,符合主觀題的要求;提出問題不僅需要進行描述,同時也需要給出原因,所以包括了主觀題和解釋題兩類題目的特點．所以,美國理科的這五類主流問題在形式上是完全符合測量和評價學生高階科學思維能力的需要的．

3 各類問題對高階科學思維能力評價的優(yōu)勢與局限

3.1 高階科學思維能力的組成要素

由于,對高階科學思維能力的界定還不太統(tǒng)一,但是幾乎所有的研究者都贊同高階科學思維能力包括批判性思維,問題解決,做出決定以及創(chuàng)造性思維(Lewis & Smith, 1993)．不管是Briggs,Wager (1981), Gagné(1985), Gagné, Briggs, 還是Wager (1988)等也都提出了類似的思維能力分類指標．比如:Gubbin(1990)所提出的批判性思維技能矩陣就包括了問題解決、做出決定、推理和演繹歸因、發(fā)散性思維、評價性思維和推理,當然還有一些不太知名的類似概念[11]．

基于大量的文獻綜述[12],本文將高階科學思維能力分為三個維度:分析、評價和創(chuàng)造能力．具體來說,分析描述的是區(qū)別與了解事物內(nèi)部聯(lián)系的能力,包括構(gòu)成要素分析,以及要素與要素之間的關(guān)聯(lián)和相互關(guān)系等,它涵蓋了問題解決的相關(guān)內(nèi)容．評價:其實就是元認知和反思,該維度是進行高階科學思維的重要的方面,實際上體現(xiàn)了批判性思維．創(chuàng)造:把原有思想重新結(jié)合為一種新的完整的思想,包括觀點、意見的提出,計劃、方案的產(chǎn)生,操作程序的形成,抽象關(guān)系的推導等,這一維度就是創(chuàng)造性思維的內(nèi)容．

高階科學思維能力的三大維度:分析、評價、創(chuàng)造其實也可以描述為狀態(tài)—能力—結(jié)果．即,學生在未學習的內(nèi)容以及現(xiàn)實生活困境中,處于矛盾、問題、不確定、迷惑、挑戰(zhàn)等狀態(tài),應(yīng)用多維技能(復(fù)雜分析、創(chuàng)造性思維、批判性思維、做出決定、評價、邏輯思維、元認知、問題解決、發(fā)散性思維、科學實驗、科學探究、綜合、系統(tǒng)分析)運用所學概念或規(guī)則去適切該狀態(tài),從而得出思維后的,而不是依靠以前所學知識經(jīng)驗所產(chǎn)生的結(jié)論、決定、發(fā)現(xiàn)、解釋、假設(shè)、答案、可能性．

3.2 各類問題的優(yōu)勢與不足

因為高階思維能力包括分析、創(chuàng)造和評價三個維度,而這三個維度的界定較為抽象,如果要進行問題分析就會顯得指標比較含糊,為此通過文獻梳理[13]對其進行了進一步的指標劃分,使其題目特征化與要求具體化．希望將美國理科主流問題的設(shè)置要求在此三個維度上進行較為具體地表達后,可以對題目進行更為準確地分析,從而尋求在不同類型問題上對學生不同維度高階科學思維能力的側(cè)重和傾向評價．

問題作為教學環(huán)節(jié)的一部分,其實是服務(wù)于教學過程中,所以要培養(yǎng)學生的高階思維能力還需要與教學階段與教學策略聯(lián)系起來,Kuhn(2003)提出要培養(yǎng)學生的科學思維能力有四個階段:探究階段(INQUIRY)、分析階段(ANALYSIS)、推理階段(INFERENCE)和科學論證階段(ARGUMENT),同時其他研究者[14]提出了與之聯(lián)系的教學策略有:指導性交流策略(Instructional Communications)、腳手架策略(Scaffolding)、學習與思考策略(Learning and Thinking Strategies)、直接指導策略(Direct Instruction)、質(zhì)疑策略(Questioning Strategies)、反饋策略(Feedback)、小組活動策略(Team Activities)、學生討論策略(Student Discussions)、同伴指導策略(Peer Tutoring)、合作學習策略(Cooperative Learning)和計算機中介策略(Computer Mediation)．

比如:分析作為高階科學思維能力中的一維,它主要是就物理事實或現(xiàn)象、問題的組成部分進行劃分及對關(guān)聯(lián)程度進行區(qū)隔．那么如果想了解某問題是否考查了學生的分析能力,就可以從問題的要求中是否明確提出了要學生對某類問題進行分析、是否涉及計算、是否要求學生選擇、是否需要對比(比較)、是否要求學生推斷、是否有實驗的要求、是否含有區(qū)別(辨別、識別)的要求,如果題目中存在以上內(nèi)涵,則表明該類問題屬于對學生分析能力評價的問題．而如果希望培養(yǎng)學生的分析能力,則需要在教學中重視探究與分析階段,因為這兩個階段側(cè)重培養(yǎng)學生的分析能力,而與之聯(lián)系的教學策略有:指導性策略、腳手架策略、直接指導策略等,具體表1所示．

表1 思維能力指標下的題目要求與教學要求

通過對上表的分析,發(fā)現(xiàn)本文所提出的所有問題類型在對學生分析、創(chuàng)造和評價能力的關(guān)注點上幾乎都或多或少有所體現(xiàn),只是各有不同的側(cè)重而已．比如:背景豐富問題更關(guān)注模型的建構(gòu),這屬于對學生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)要求;費米問題更關(guān)注預(yù)測的部分,這屬于對學生評價能力的要求;排序問題通過控制變量可以尋求比較和識別,這屬于分析能力的部分;危險問題作為重構(gòu)問題體現(xiàn)了假設(shè)和設(shè)計的理念和思想,這也屬于創(chuàng)造能力的部分;提出問題則更多地體現(xiàn)了對學生分析能力的考查．

雖然,本研究將高階科學思維能力劃分為了分析、創(chuàng)造和評價,而且也進行問題要求的描述區(qū)隔,但是對評價者而言,這三大維度依然較為寬泛,而要對高階科學思維能力進行更深入地分析,就必須將高階思維能力進行進一步地劃分．通過大量文獻梳理后[15],可以將其具體分為復(fù)雜分析(complex analysis)、創(chuàng)造性思維(creative thinking)、批判性思維(critical thinking)、做出決策(decision making)、評價(evaluation)、邏輯思維(logical thinking)、元認知思維(metacognitive thinking)、問題解決(problem solving)、發(fā)散性思維(reflective thinking)、綜合和系統(tǒng)分析(synthesis& systems analysis)等十一個能力指標．誠然,這十一個指標都是以分析、創(chuàng)造和評價為核心,但是由于其更具有針對性,所以對美國主流理科問題在這些高階思維能力評價上的分析可以更有的放矢地培養(yǎng)學生的科學思維能力．

為了更明確地了解各類問題到底與哪些高階思維能力存在相關(guān)關(guān)系,特地將各類問題的具體題目進行專家評價和評價者評價,以求達到更科學、客觀的結(jié)果．

(1) 情境豐富問題.

你正在觀看國家地理特別節(jié)目．這個節(jié)目時段是關(guān)于東南亞河流里盛產(chǎn)的劍魚的．解說員描述劍魚在水面會保持張嘴的姿勢,然后瞄準昆蟲后以4 m/s的速度從嘴里噴射水柱,如果該昆蟲位于水面0.8 m高處,請你估算一下想要擊中昆蟲最小的角度是多大．因為此時是廣告時間,你有足夠時間可以快速計算該角度．

通過該問題的分析,可以發(fā)現(xiàn)該問題涉及到能量守恒、動量定理、拋體運動等相關(guān)內(nèi)容,首先你需要顧及劍魚的質(zhì)量,噴出水的質(zhì)量,從噴出水的速度估計出噴出水可能的高度與距離,而最小角度的要求則表明盡量遠的距離和盡量低的高度．總體來說這是屬于對高階科學思維能力中分析維度的考核．具體來看,要求“你”進行決策,判斷水柱的運動狀態(tài),這屬于做出決策能力和評價能力;對于該類情境豐富問題,需要學生從大量文字描述中提取并構(gòu)建物理模型,這是屬于創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng);當然,由于情境豐富問題給了學生一個較為完整的問題,不可避免地考查了學生的問題解決能力．

(2) 費米問題.

在芝加哥有多少調(diào)音師?

該問題的解決需要給出大量的假設(shè),比如:大約有9百萬人居住在芝加哥,假設(shè)平均一家2個人．則芝加哥擁有450萬個家庭．再假設(shè)大約1/20的家庭有一臺鋼琴,該鋼琴需要規(guī)律地校準．則大概有22.5萬臺鋼琴．一般一架鋼琴大概一年校準一次．校準一臺鋼琴大概需要兩小時(包括通行時間)，一個調(diào)音師一天工作8小時,每周工作5天,一年工作50周．則每年有22.5萬臺鋼琴需要校準,共需要450萬小時進行校準．而一個調(diào)音師一年工作2000小時,所以簡單計算后發(fā)現(xiàn)需要225位調(diào)音師．而芝加哥實際的調(diào)音師為290人．

通過分析費米估算問題,可以發(fā)現(xiàn)該類問題總體上是對給定情境解釋、預(yù)測和評估,這是屬于高階科學思維能力中的評價維度．具體來看,該問題涉及對時間的估計,對人口的估計、對家庭的估計……這屬于評價能力的范疇;同時需要問題解決者判斷該過程中調(diào)音師人數(shù)與鋼琴臺數(shù)如何變量統(tǒng)一的判斷,這屬于做出決策能力的范疇;在解決調(diào)音師人數(shù)過程中的問題時,不可避免需要簡單計算,這屬于問題解決能力,但是在做出決定的過程中,也涉及到了大量的邏輯思維能力,才能判斷是否可以通過工作時間來實現(xiàn)對調(diào)音師人數(shù)的判斷．

(3) 排序問題.

8輛同樣尺寸、同樣形狀的小車以特定的速度在相同的水平道路上行駛．小車運載著不同質(zhì)量的貨物,其質(zhì)量已知并如圖1所示．要讓所有小車將被裝有農(nóng)用器材的木桶所阻止,最終以相同的距離停下來,其所受阻力從大到小的排列順序為:

圖1 排序問題

請你解釋排序的原因,并圈畫出你有多確定你的排序:基本是猜的,確信,非常確信．

排序問題因為主要是通過控制變量來實現(xiàn)問題解決,需要解題者對比、比較、區(qū)別,所以該類問題主要關(guān)注的是學生的分析能力．具體來說,由于涉及到多個變量(不同的質(zhì)量,不同的速度,相同的剎車距離),需要通過物理模型進行復(fù)雜變量的控制,屬于復(fù)雜分析能力的范疇;在題目最后部分,需要圈畫出排序的程度,這屬于做出決定能力;當然在進行控制變量的過程中也涉及到了邏輯思維能力．

(4) 危險問題(場景回構(gòu)問題).

請設(shè)計出符合該方程的物理情境．

該方程描述了兩種情況,一種是在某一點時刻的狀態(tài),也可以是一個連續(xù)的過程(有始有終),在該過程中具有初態(tài)和末態(tài)．對于后者如下案例可以說明,方程左邊表示的初態(tài),而右邊表示的是末態(tài)．

場景回構(gòu)問題需要學生去假設(shè)物理情境、設(shè)計物理過程,所以屬于高階思維能力中的創(chuàng)造性維度．具體來說,由于是讓學生從物理方程去創(chuàng)設(shè)物理情境,所以需要考察解決者的創(chuàng)造性思維;由于同一個物理方程,可以出現(xiàn)多種不同的物理情境和多種不同的物理過程,這也對學生的發(fā)散性思維能力有所考查;當面對多個不同假設(shè)與多個不同的情境時,需要解決者找出最佳的表述,這屬于做出決定的能力考查;在解決場景回構(gòu)問題過程中,解題者的問題解決能力實現(xiàn)了考查．

(5) 提出問題.

圖2

在水平且無摩擦的平面上有一個質(zhì)量為M的木塊,其通過一個輕繩跨過一個輕質(zhì)無摩擦的定滑輪與另一個質(zhì)量為m的木塊相連,該系統(tǒng)在靜止時自由釋放木塊,釋放時繩子恰好繃直，如圖2所示.

請用下面兩條專門的定律將題目補充完整．

(1) 牛頓第二定律.

(2) 功能關(guān)系或機械能守恒定理.

該題目要求提出問題者用牛頓第二定律和功能關(guān)系將題目補充完整,這種需要解題者在給定的專門定律下,補充完整題目的設(shè)計,主要考查的是學生發(fā)現(xiàn)不同物理概念、定理、定律間的差異,需要學生去推斷、比較、區(qū)別相近概念,這屬于高階思維能力中的分析能力考查部分．具體來說,復(fù)雜分析、做出決定、在提出問題的過程中由于需要對不同的定律進行區(qū)分,在表述上需要綜合思考題目情境和具體物理概念,所以需要系統(tǒng)、整合的分析能力．

通過對這幾類問題的梳理后發(fā)現(xiàn),其與高階思維能力的關(guān)系如下表2所示,該表格反映了不同類型的問題對于學生不同高階思維能力培養(yǎng)的傾向和側(cè)重．

表2 高階思維能力與各類問題的聯(lián)系

通過對美國主流理科問題的分析和梳理后發(fā)現(xiàn),各類問題都很關(guān)注高階科學思維能力的培養(yǎng),幾乎都涵蓋了分析、評價和創(chuàng)造的相關(guān)維度．而對這三個維度11個具體能力的分析之后發(fā)現(xiàn),背景豐富問題以創(chuàng)造性思維、做出決策、評價、問題解決、發(fā)散性思維能力為側(cè)重;費米問題主要評價的是做出決策能力、評價能力、邏輯思維能力、問題解決能力和系統(tǒng)分析能力;排序任務(wù)以復(fù)雜分析能力、批判性思維能力、做出決策能力、邏輯思維能力、綜合能力為主;危險問題主要關(guān)注創(chuàng)造性思維能力、做出決策能力、元認知思維能力、問題解決能力和發(fā)散性思維能力;提出問題則以發(fā)展復(fù)雜分析能力、批判性思維能力、元認知思維能力、綜合能力、系統(tǒng)分析能力為核心．基于此,可以發(fā)現(xiàn)不同類型的問題各自具有對不同思維能力培養(yǎng)的側(cè)重點,所以研究者完全可以根據(jù)評價不同科學思維能力的需要來設(shè)置具有不同類型特點的問題,從而實現(xiàn)對高階科學思維能力全面發(fā)展和評價的目的．