優(yōu)化科學(xué)思維教學(xué)提升物理學(xué)科素養(yǎng)

周大慶

摘 要：以魯科版物理《必修1》教學(xué)為例，就如何優(yōu)化科學(xué)思維的教學(xué)談了三點看法。

關(guān)鍵字：必修1物理;模型科學(xué);推理科學(xué);論證和質(zhì)疑創(chuàng)新

科學(xué)思維是根據(jù)物理學(xué)科的本質(zhì)特性而形成的關(guān)于物理概念與規(guī)律的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實進(jìn)行的模型建構(gòu)，是基于科學(xué)事實的分析綜合、抽象概括的邏輯推理方法，是基于科學(xué)事實進(jìn)行科學(xué)論證和質(zhì)疑。因此，科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新。

必修1的教學(xué)是初高中銜接的重要環(huán)節(jié)，充分挖掘并優(yōu)化必修1教材中的科學(xué)思維教學(xué)素材、提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)、夯實高中物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)是必修1教學(xué)的關(guān)鍵要素。本文以魯科版物理《必修1》教學(xué)為例，就如何優(yōu)化科學(xué)思維的教學(xué)談幾點看法，供大家參考。

一、恰當(dāng)進(jìn)行物理模型建構(gòu)

模型的建構(gòu)是在研究問題時把對象進(jìn)行簡化概括性的描述，即把復(fù)雜事物進(jìn)行簡單的敘述。建模的過程應(yīng)忽略那些次要因素、關(guān)系和過程，將主要因素、關(guān)系和過程突出地顯現(xiàn)出來，便于人們觀察、實驗和理論分析。必修1教材中出現(xiàn)的常見物理模型有質(zhì)點、共點力、光滑、輕桿、勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動等等。

教材中，質(zhì)點是這樣敘述的：在研究物理問題時，為了研究方便，有時可以忽略物體的大小、形狀等因素，把物體簡化成一個具有質(zhì)量的點，或者說用一個具有質(zhì)量的點來代替整個物體。質(zhì)點的教學(xué)就是一個理想化實物模型的構(gòu)建。

伽利略的理想斜面實驗為牛頓第一定律的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)，光滑的物理模型在實驗中起到了至關(guān)重要的作用。該實驗的本質(zhì)就是想象中把實際存在的影響物體運動的摩擦力去掉，抓住實物的本質(zhì)，忽略次要因素，從而能獲得實驗結(jié)論。

在現(xiàn)實生活中，勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動等很少真實存在，但在探究物理問題時，摒棄各種次要因素，抓住主要因素，把過程進(jìn)行簡化和理想化處理，突出顯現(xiàn)影響事物發(fā)展變化的本質(zhì)、內(nèi)涵，從而達(dá)到認(rèn)識世界的目的。

因此，建構(gòu)有效的物理模型可方便解釋或解決問題，教學(xué)中應(yīng)重視對模型構(gòu)建的培養(yǎng)。

二、合理的進(jìn)行科學(xué)推理

科學(xué)推理是邏輯上的歸納、演繹、類比等的推理方法;是分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等的思維方式;是控制變量推理、相關(guān)推理、因果推理等的推理形式。學(xué)生應(yīng)能準(zhǔn)確理解和應(yīng)用上述科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方向進(jìn)行科學(xué)推理，找出規(guī)律、形成結(jié)論，并能解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。

伽利略利用理想斜面實驗駁斥了亞里士多德關(guān)于力與運動關(guān)系的觀點，成功的解釋了力與運動的關(guān)系。這種基于實驗事實進(jìn)行分析、邏輯推理是研究物理問題的重要方法之一。

在探究自由落體運動是否為勻變速直線運動的過程中，也應(yīng)用了伽利略的科學(xué)推理方法。伽利略首先根據(jù)勻變速直線運動公式，若a是定值，則也是定值。其次為了解決自由落體下落快難以測量時間的困難，他提出了新的實驗方法。讓小球在斜面的不同位置靜止釋放，必滿足……，而當(dāng)不斷加大斜面的傾角，對于每一個特定的傾角也滿足是一個定值，即可說明在不同傾角的斜面，物體的運動都是勻變速直線運動。將此結(jié)論合理外推至傾角90o（即自由落體）時，也應(yīng)該是一個定值，最后說明自由落體運動是勻變速直線運動。

伽利略依據(jù)科學(xué)實驗事實和數(shù)學(xué)分析，加上合理的邏輯推理是探索自然規(guī)律的一種科學(xué)方法，愛因斯坦也因此盛贊其為人類思想史上最偉大的成就之一，是物理學(xué)真正開端的標(biāo)志。

“力學(xué)單位制”的教學(xué)中講到，物理學(xué)中的公式在確定了它們數(shù)量之間的關(guān)系時，也確定了它們單位之間的關(guān)系。因此通過單位之間的關(guān)系可以確定某些物理量之間的關(guān)系，這種從量綱推理得出物理量之間關(guān)系的思維方法在物理學(xué)的發(fā)展史上起著重要的作用。

由平均速度公式得出瞬時速度的概念，由v-t圖像所圍成的面積得出位移，都利用了“通過無限分割、化變?yōu)椴蛔儭钡乃枷耄菢O限、微元思想的應(yīng)用。在合力與分力的教學(xué)中，利用了等效替代的思想，在微小形變的彈力教學(xué)中利用了放大的科學(xué)方法，這些科學(xué)思維在未來的物理學(xué)習(xí)中都是極其重要的。

三、引導(dǎo)科學(xué)論證與允許質(zhì)疑創(chuàng)新

科學(xué)論證是應(yīng)用實驗事實對研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測，是以實驗事實為依據(jù)并對其進(jìn)行解釋說明，審視別人的觀點后提出自己的新觀點，通過發(fā)現(xiàn)問題、提出問題等引發(fā)思考，對有矛盾的地方產(chǎn)生質(zhì)疑，并提出自己的新見解。

平行四邊形定則、共點力的平衡條件、牛頓運動定律都需要學(xué)生通過科學(xué)實驗進(jìn)行論證。比如共點力的平衡條件可用如圖1所示的方法驗證得出其結(jié)論，在研究作用力和反作用力的大小關(guān)系時，可選用粗又硬和細(xì)又軟的兩根不同彈簧對拉做實驗，發(fā)現(xiàn)細(xì)又軟的彈簧形變明顯，而粗又硬的彈簧形變不明顯，但兩彈簧測力計示數(shù)相等，也可以借助DIS傳感器（如圖2、3所示）來演示作用力和反作用力等大反向的關(guān)系。

科學(xué)思維是科學(xué)學(xué)習(xí)與研究的主要內(nèi)隱性活動方式，它是學(xué)習(xí)者對物理問題的解釋和解決的關(guān)鍵，只有具備科學(xué)思維的人才有可能進(jìn)行有效的科學(xué)探究并形成正確的物質(zhì)觀，才能有效地解決物理問題，體現(xiàn)學(xué)生的科學(xué)責(zé)任與態(tài)度。因此在教學(xué)中優(yōu)化科學(xué)思維訓(xùn)練，最終達(dá)到提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

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（福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度立項課題《核心素養(yǎng)背景下推進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源的城鄉(xiāng)共享及有效應(yīng)用研究》課題編號：FJJKXB18-219）