高中物理“科學(xué)思維”培養(yǎng)的策略

王峰 徐慧

【關(guān)鍵詞】科學(xué)思維;高中物理;培養(yǎng)策略

【中圖分類號】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2021）54-0110-05

【作者簡介】1.王峰，南京師范大學(xué)附屬中學(xué)（南京，210003）教師，高級教師;2.徐慧，南京師范大學(xué)附屬中學(xué)（南京，210003）教師，一級教師。

科學(xué)思維是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中形成的關(guān)鍵能力，是物理新課程核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，無論是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究活動，還是物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的形成，都需要科學(xué)思維的支撐，因此科學(xué)思維水平的高低會顯著影響其他物理核心素養(yǎng)水平的高低。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀》一書中指出：高中階段的學(xué)習(xí)，要發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，需要從四個方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計和實施：（1）培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的意識和能力;（2）讓學(xué)生能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法，從多個方面進(jìn)行科學(xué)推理、論證物理現(xiàn)象;（3）提升學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力;（4）培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，讓他們能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，并能基于各類平臺勇于創(chuàng)新。

一、模型建構(gòu)意識的培養(yǎng)

因為有些物理問題的原理、情景、過程和方法常常相似或一致，由此可將其歸納為物理模型（高中常見物理模型如圖1所示），掌握好這些模型可以使學(xué)生對問題的理解更深刻、模型建構(gòu)更順利、分析思路更清晰、解題過程更高效，而這些效果又進(jìn)一步強(qiáng)化了學(xué)生對模型的融會貫通，提升學(xué)生的物理學(xué)習(xí)品質(zhì)。以上邏輯關(guān)系可以用“因果關(guān)系羅盤圖”（見下頁圖2）進(jìn)行展示。因此，在物理學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生遇到問題時養(yǎng)成“憶?！薄敖！薄拔瞿！薄坝媚！钡囊庾R和習(xí)慣是十分有價值的。

在平時教學(xué)過程中，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生對典型問題進(jìn)行歸納整理，從原理、情景、過程和方法等多個維度進(jìn)行分析推演，充分理解和內(nèi)化模型，在解決一些問題的時候要適時進(jìn)行模型回顧比較，讓學(xué)生解決物理問題時養(yǎng)成回顧模型的意識和習(xí)慣。

當(dāng)然對物理模型也要辯證地看待：（1） 并非每個問題都要建模，不少問題的分析過程沒有模型依據(jù);（2）模型通常是有條件的，不能隨意套用;（3）模型不宜過多過細(xì)，否則會增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān);（4）有些復(fù)雜的問題，需要多模型組合分析。

二、科學(xué)推理能力的提升

“科學(xué)推理”常指依據(jù)科學(xué)原理和規(guī)律進(jìn)行邏輯推理的過程，科學(xué)推理過程重視科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。邏輯推理一般包括演繹推理和歸納推理，物理教學(xué)過程中要充分用好各類素材，運(yùn)用合理設(shè)問、分步引導(dǎo)、猜想論證等方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝评恚寣W(xué)生在層層推進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的學(xué)習(xí)過程中，提升科學(xué)推理的能力和水平。

在教授新的物理概念時，要鼓勵學(xué)生采用多種思路進(jìn)行科學(xué)推理。例如在“向心加速度”的教學(xué)中，用兩種方法：一是依據(jù)牛頓第二定律確定加速度;二是依據(jù)加速度的定義確定加速度。再對比人教版新舊教材發(fā)現(xiàn)，舊教材是先講向心加速度再講向心力，而新教材則是先講向心力再講向心加速度，與這兩種方法吻合，說明這兩種思路都有價值和意義。

在教授新的物理規(guī)律時，要引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)理論和實驗相結(jié)合的方式進(jìn)行科學(xué)推理?？梢圆扇　安孪搿O(shè)計實驗—實驗現(xiàn)象—總結(jié)結(jié)論”“觀察實驗—發(fā)現(xiàn)問題—總結(jié)歸納—得到理論”或者“已知理論—設(shè)計實驗—觀察現(xiàn)象—驗證結(jié)論”等方式，不同的方式會運(yùn)用到不同的邏輯推理，經(jīng)過長時間的教學(xué)，會促進(jìn)學(xué)生不同類別的推理能力的提升。例如“機(jī)械能守恒定律”在舊版教材中是驗證性實驗，在新教材中改為探究性實驗，鼓勵學(xué)生探究未知事物和規(guī)律，并給學(xué)生提供科學(xué)推理的思路。

在綜合應(yīng)用物理規(guī)律時，既要學(xué)生形成科學(xué)推理的思維模式，又要讓學(xué)生形成大膽質(zhì)疑，打破思維定勢，不斷創(chuàng)新的能力。例如，在“機(jī)械能守恒定律綜合應(yīng)用”的教學(xué)中，要善于設(shè)置層階式的問題：單個物體的機(jī)械能守恒→多個物體的系統(tǒng)機(jī)械能守恒→單個物體和外界有能量交換→多個物體與外界有能量交換……在分析推理的過程中讓學(xué)生感受到“既守恒”又“不守恒”的辯證關(guān)系，“守恒定律”要“靈活、拓展、創(chuàng)新”地使用，由此切實地提升學(xué)生科學(xué)推理的能力水平。

三、科學(xué)論證意識的養(yǎng)成

物理學(xué)中許多結(jié)論的得出都要進(jìn)行科學(xué)論證，一般從理論和實驗兩方面進(jìn)行。歷史上許多物理學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的過程都遵循這樣的規(guī)律，抓住這些素材進(jìn)行教育教學(xué)，可以讓學(xué)生對科學(xué)論證有深刻的認(rèn)識。當(dāng)然如果能夠創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生參與到研究的過程中去教學(xué)效果更佳。下面以“兩個鐵球同時落地”的物理學(xué)史內(nèi)容為例，展示科學(xué)論證意識培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計嘗試。

1.動力學(xué)建模研究——理論研究。

伽利略在比薩斜塔上用實驗證實了“輕重物體應(yīng)該下落得一樣快”的觀點。然而這件事情可以進(jìn)一步推敲，在空氣阻力存在的前提下，如果實驗條件發(fā)生改變，那么兩個鐵球一定同時落地嗎？

對變阻力過程進(jìn)行動力學(xué)建模（圖3）研究，考慮速度和截面積對阻力的影響，采用控制變量法，比較密度相同、質(zhì)量不同的球體下落的快慢。

設(shè)質(zhì)量關(guān)系為m2=10m1，則截面積關(guān)系為S2=[1003S1]，取阻力“f=kSvn”中的n=2（接近實際情況）進(jìn)行研究，模擬繪制兩個球的“位移-時間”圖像，如圖4所示。

由圖可得：①當(dāng)高度h=58.4米時（比薩斜塔的高度），兩球下落的時間幾乎相等;②當(dāng)下落高度h>300m時，落地的時間差別比較明顯（接近0.1s）。因此伽利略的結(jié)論必須在高度不太大的條件下才近似成立。

2.改良實驗進(jìn)行探究——實驗論證。

采用密度很小的塑料泡沫球進(jìn)行對比研究，因阻力占比較大，所以兩球落地時間明顯有差異，現(xiàn)場請學(xué)生來進(jìn)行實驗驗證，效果明顯（見圖5），其他學(xué)生自然信服。

通過互動情景的設(shè)置，結(jié)合理論推證、實驗驗證等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生體會科學(xué)論證的過程和方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到了很大程度的激發(fā)，課后學(xué)生還主動做了幾個拓展性實驗進(jìn)行研究，可見學(xué)生的科學(xué)研究熱情和意識被較好地調(diào)動起來了。

四、質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)的形成

宋代理學(xué)家朱熹說過： “學(xué)貴有疑，小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)?！蔽锢斫虒W(xué)過程中質(zhì)疑創(chuàng)新是提升學(xué)生學(xué)科思維能力的一個重要途徑，其含義是基于物理事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論做出反思和質(zhì)疑，并進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格和能力。它可以打破學(xué)生簡單被動的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

目前中學(xué)生的質(zhì)疑能力現(xiàn)狀不容樂觀，圖6展示了四大原因、四大影響以及相互之間的因果邏輯關(guān)聯(lián)，由此可見提升學(xué)生質(zhì)疑習(xí)慣意識的迫切性。

雖然面對這樣的現(xiàn)狀教師常常會為難，但在新課程教學(xué)推進(jìn)的過程中，筆者努力尋找其中的合理平衡點，兼顧教學(xué)任務(wù)的高效推進(jìn)和學(xué)生質(zhì)疑能力的有效提升。主要有以下幾點做法。

1.設(shè)置“問題導(dǎo)學(xué)”的學(xué)習(xí)板塊，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑的意識。

愛因斯坦說過：“提出一個問題比解決一個問題更有意義。”在教學(xué)過程中筆者嘗試在不同類別的內(nèi)容中設(shè)置“問題導(dǎo)學(xué)”的學(xué)習(xí)板塊，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑，并嘗試自己提問，例如——

①概念類：圓周運(yùn)動的線速度定義為“[弧長時間]”，那么線速度是矢量嗎？若是，那如何解釋與定義（標(biāo)量）的矛盾？

②規(guī)律類：小燈泡是非線性元件，但它的電阻卻可以用[R=UI]來求解。歐姆定律只適用于線性元件嗎？

③模型類：質(zhì)點、點電荷、點光源等模型的建立過程有哪些異同？

④實驗類：牛頓第二定律實驗中小車勻速運(yùn)動可以用眼睛看出來嗎？

⑤器材類：驗電器、靜電計和電壓表的工作原理有何異同？

…………

這些問題既是引發(fā)學(xué)生對知識內(nèi)容的思考，也是教學(xué)生如何去進(jìn)行提問，為質(zhì)疑意識的養(yǎng)成做出鋪墊。

2.規(guī)律應(yīng)用教學(xué)中留出必要的提問時間，鼓勵學(xué)生大膽地質(zhì)疑。

物理規(guī)律在實際生活的應(yīng)用過程中會遇到許多條件或情景的影響，而鼓勵學(xué)生對這些因素進(jìn)行質(zhì)疑，可以激發(fā)他們的思維火花。比如在關(guān)于“宇宙航行”規(guī)律應(yīng)用課中給學(xué)生時間進(jìn)行提問，學(xué)生提出了不少問題：

①若地表衛(wèi)星發(fā)射速度大于第一宇宙速度但小于第二宇宙速度，則衛(wèi)星會做怎樣的運(yùn)動？（改變初始條件，運(yùn)動規(guī)律會發(fā)生怎樣的變化？）

②物體以第一宇宙速度發(fā)射，但速度不沿切線方向發(fā)射會如何？（改變初始條件，運(yùn)動規(guī)律會發(fā)生怎樣的變化？）

③第二、三宇宙速度是如何推導(dǎo)出來的？（追根究底的思維習(xí)慣）

④在地球周圍運(yùn)動的衛(wèi)星如何實現(xiàn)相互追及？航天設(shè)施如何實現(xiàn)與太空空間站的對接？（回憶運(yùn)動學(xué)中的追及問題，引申到太空追及問題）

…………

問題不斷被提出來，學(xué)生的質(zhì)疑熱情也被激發(fā)出來了，這是筆者期望的，但是教師也要適當(dāng)調(diào)控，分類引導(dǎo)，以平衡“教學(xué)進(jìn)度”與“探究深度”的關(guān)系。

3.把握物理實驗中的良好契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考和質(zhì)疑。

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，大量物理概念規(guī)律都和實驗直接相關(guān)，所以做好實驗是物理教學(xué)中的必要環(huán)節(jié)，而在此過程中把握好各種教學(xué)契機(jī)，可以有效提升學(xué)生的問題意識。另外，從2021年開始江蘇高考物理實驗題改為1道題，導(dǎo)致實驗題會更具綜合性和系統(tǒng)化的特征，這也要求實驗教學(xué)必須通過多思考、多質(zhì)疑、多創(chuàng)新等方式拓寬其深度和廣度。

比如在新人教版教材必修三“用傳感器觀察電容器的放電過程”實驗，教材中用電流傳感器檢測電容器放電的過程，教學(xué)過程中可以進(jìn)行多層面、多維度的拓展和質(zhì)疑，核心問題為：

（1）為什么電流的變化率是減小的，而不是恒定的？（考慮變化趨勢）

（2）充電過程會具有怎樣的變化電流？（不同過程的對比研究）

（3）電容器充、放電時的電壓會如何變化？（電路物理量的延伸考量）

（4）電流和電壓變化的趨勢為什么會相似？（歐姆定律的應(yīng)用）

（5）電流或電壓與時間的函數(shù)關(guān)系是什么？（高學(xué)力學(xué)生的進(jìn)階問題）

這些問題可以促進(jìn)學(xué)生對電容定義、電流強(qiáng)度定義、歐姆定律有更深的理解，也可以提高學(xué)生用數(shù)學(xué)函數(shù)、導(dǎo)數(shù)甚至是積分的方法分析物理問題的能力水平。

在物理教學(xué)過程中，教師如果能經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑和提問，并充分地交流和研討，那么長期來看，課堂教學(xué)的效果必定是非常出色的，學(xué)生的思維品質(zhì)和學(xué)習(xí)質(zhì)量的提升也是必然的，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的畏難情緒也會逐步消除。

當(dāng)然，質(zhì)疑并不是目的，還要創(chuàng)設(shè)平臺引導(dǎo)學(xué)生在質(zhì)疑求證后進(jìn)行創(chuàng)新，限于篇幅，這里暫不展開了。

綜上，對物理這樣一個以實驗為基礎(chǔ)、側(cè)重理性思維的學(xué)科，科學(xué)思維天然應(yīng)成為它的高權(quán)重內(nèi)容，輔以其他內(nèi)容的整合，系統(tǒng)化地開展教學(xué)研究和實踐是提升教學(xué)質(zhì)量必由之路。當(dāng)然科學(xué)思維的培養(yǎng)過程也要防止陷入誤區(qū)，因此，我們要有如下幾點意識：（1）科學(xué)思維培養(yǎng)因人、因時、因內(nèi)容而異，教學(xué)時應(yīng)采取不同教學(xué)策略;（2）科學(xué)思維的養(yǎng)成過程具有長期性和復(fù)雜性，不可急于求成，要循序漸進(jìn);（3）科學(xué)探究、物理觀念、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等在物理教學(xué)的過程中也是十分重要的，不能科學(xué)思維“一家獨(dú)大”，學(xué)生思維品質(zhì)的提高過程是一個系統(tǒng)化的復(fù)雜工程，要各方面的素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展。

小道循技、大道求真，作為物理教師要不斷磨練自己的教學(xué)手段、方法和技能，將物理概念規(guī)律更科學(xué)、合理、智慧的教授給學(xué)生，同時更要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新，達(dá)成“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”的教學(xué)實效。

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