高中物理科學(xué)思維素養(yǎng)的文本分析與提升策略

周婷 尹文佳 李蘭

摘 要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一，同時(shí)也是物理教學(xué)的核心。將高中物理教材作為研究對(duì)象，從科學(xué)思維的四要素——模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證及質(zhì)疑創(chuàng)新入手，以小節(jié)為單位，對(duì)教材中科學(xué)思維的呈現(xiàn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并探討了目前高中物理教學(xué)的現(xiàn)狀及普遍不足之處，最后結(jié)合各維度要素相關(guān)的教材內(nèi)容和教學(xué)實(shí)例片段，對(duì)提升科學(xué)思維素養(yǎng)的方式進(jìn)行探索，分別從“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行模型建構(gòu)、開闊思維優(yōu)化論證過程、啟發(fā)思考增強(qiáng)推理意識(shí)、改進(jìn)教法培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力”四個(gè)角度，提出了可行的策略以供參考。

關(guān)鍵詞：高中物理；學(xué)科核心素養(yǎng)；科學(xué)思維素養(yǎng)；模型建構(gòu)；科學(xué)推理；科學(xué)論證；質(zhì)疑創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G442;G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-5072（2023）03-0326-07

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，“科學(xué)思維”這一概念正式亮相，強(qiáng)調(diào)從科學(xué)的角度出發(fā)，聯(lián)結(jié)相關(guān)的科學(xué)觀念，構(gòu)建適當(dāng)?shù)目茖W(xué)模型，使用正確的科學(xué)方法，進(jìn)行科學(xué)推理論證，從而解決實(shí)際問題；并能對(duì)該過程進(jìn)行反思、分析總結(jié)、檢驗(yàn)修正、大膽質(zhì)疑和積極創(chuàng)新，進(jìn)而取得一定的成果［1］。這個(gè)過程不是教師在講臺(tái)上解釋理論、展示模型就能完成的，必須要學(xué)生親身參與其中，動(dòng)手動(dòng)腦，去感受、體驗(yàn)，將科學(xué)的推理歸納、論證綜合等方法內(nèi)化于心，根據(jù)事實(shí)依據(jù)，結(jié)合科學(xué)推理，對(duì)結(jié)論提出質(zhì)疑，在不斷試錯(cuò)中革新修正，以接近事實(shí)真相。

1 高中物理教材中的科學(xué)思維要素分析

“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)新四大要素［1］。在中學(xué)物理教學(xué)中，體現(xiàn)四大科學(xué)思維要素的物理知識(shí)數(shù)不勝數(shù)，筆者對(duì)人民教育出版社出版的2019年6月第一版《普通高中教科書 物理 必修 第一冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《必修一》）和《普通高中教科書 物理 必修 第二冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《必修二》）進(jìn)行了文本分析，并將體現(xiàn)各要素的知識(shí)點(diǎn)數(shù)量和占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體如表1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，教材中體現(xiàn)科學(xué)思維四大要素的物理知識(shí)點(diǎn)數(shù)量有所差異，其中科學(xué)推理的培養(yǎng)占比最高，而質(zhì)疑創(chuàng)新方面則略顯薄弱。

1.1 模型建構(gòu)

模型建構(gòu)就是利用近似的方法建立真實(shí)世界情境的簡(jiǎn)化的、理想化的模型，從復(fù)雜的現(xiàn)象中抽取能描述該現(xiàn)象的元素，并找到元素間的正確關(guān)系［2］。在中學(xué)物理知識(shí)體系中，理想化模型是簡(jiǎn)單且常見的科學(xué)研究方法，著眼于所需研究的主要問題，忽略不影響結(jié)論的次要條件。理想化模型又可分為以下三類：（1）理想對(duì)象模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等；（2）理想條件模型，如光滑平面、理想氣體等；（3）理想過程模型，如勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等［3］。在《必修一》和《必修二》中，理想模型建構(gòu)的呈現(xiàn)情況如表2所示。

例如，質(zhì)點(diǎn)是一種理想對(duì)象模型，當(dāng)研究對(duì)象的形狀和大小不影響或不顯著影響物理問題的解決時(shí)，可以把物體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)——一個(gè)有質(zhì)量但不存在體積或形狀的點(diǎn)，這樣能夠使注意力集中在問題本質(zhì)上，提高解決問題的效率。再如，通常情況下隨著自由落體運(yùn)動(dòng)速度增加，空氣阻力也逐漸增加，在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中，忽略空氣阻力的細(xì)微影響，只考慮主要的重力作用，簡(jiǎn)化受力情況，推導(dǎo)出自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度為重力加速度，這就是一個(gè)理想條件模型。

1.2 科學(xué)推理

科學(xué)推理是由個(gè)別已知結(jié)論推出新結(jié)論的思維方式和科學(xué)研究方法［4］，在物理學(xué)中常見的推理方式有歸納推理、演繹推理和類比推理等。其中，歸納推理是從特殊到一般的推理，需要依據(jù)大量對(duì)特殊事物的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其共同點(diǎn)，歸納得出一般性結(jié)論；演繹推理是從一般到特殊的推理，基于已知的普遍規(guī)律，明確演繹對(duì)象，進(jìn)行數(shù)學(xué)和邏輯推理，演繹得出特殊性結(jié)論；類比推理也叫做“類推”，是從特殊到特殊的推理，通過尋找研究對(duì)象在某些方面相似或相同的特性，用比較推斷的方法得出它們?cè)趧e的特性上也具有相似或相同之處［5］。在《必修一》和《必修二》中，科學(xué)推理要素的呈現(xiàn)情況如表3所示。

例如，在《必修一》“共點(diǎn)力的平衡”一節(jié)中，多個(gè)共點(diǎn)力作用在同一研究物體上，通過在兩個(gè)相反方向上分別進(jìn)行力的合成，最后可以將多個(gè)共點(diǎn)力的作用等效為兩個(gè)力的共同作用，利用二力平衡的概念，通過歸納推理的方式，得出在共點(diǎn)力作用下物體平衡條件是合力為0的一般性結(jié)論。在《必修二》“宇宙航行”一節(jié)中，從運(yùn)動(dòng)和受力分析入手，用萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律，將在地球附近物體繞地球運(yùn)行的特殊運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為一般的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只考慮地心的引力作用，通過數(shù)學(xué)計(jì)算和演繹推理得出第一宇宙速度。

1.3 科學(xué)論證

科學(xué)論證是指引用各類數(shù)據(jù)資料，比較與他人論點(diǎn)的不同之處，提出主張并進(jìn)行推理，質(zhì)疑反駁他人論點(diǎn)并為自己觀點(diǎn)辯護(hù)的過程［6］。在教材中多出現(xiàn)于“思考與討論”和“說一說”欄目。在《必修一》和《必修二》中，科學(xué)論證要素的呈現(xiàn)情況如表4所示。

例如，在《必修二》“萬(wàn)有引力定律”一節(jié)中，牛頓在推出了“平方反比”的規(guī)律之后，繼續(xù)思考使月球繞地球運(yùn)動(dòng)的力和使蘋果落地的力是否為同種性質(zhì)，通過計(jì)算證明了其猜想的合理性，從而將引力關(guān)系推廣至整個(gè)宇宙，于是有了萬(wàn)有引力定律，經(jīng)典力學(xué)理論體系得以創(chuàng)立。

1.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維的重要組成部分，是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)不可或缺的一環(huán)［7］。一般而言，質(zhì)疑創(chuàng)新就是敢于懷疑權(quán)威、批判權(quán)威，具有獨(dú)立思考能力，并能通過猜想、分析研究、設(shè)計(jì)等過程創(chuàng)造有價(jià)值的新內(nèi)容。物理學(xué)的發(fā)展歷程充滿了對(duì)前人觀念的不斷質(zhì)疑與顛覆，沒有質(zhì)疑和創(chuàng)新能力，任何學(xué)科都會(huì)如同一潭死水，無(wú)法發(fā)展。在《必修一》和《必修二》中，質(zhì)疑創(chuàng)新要素的呈現(xiàn)情況如表5所示。

例如，在《必修二》“行星的運(yùn)動(dòng)”的“科學(xué)漫步”欄目中，教材介紹了日心說的發(fā)展史。托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等大科學(xué)家都對(duì)前人的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，通過實(shí)驗(yàn)論證和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，承受著各界的壓力提出了新理論，一場(chǎng)聲勢(shì)浩大的科學(xué)革命帷幕由此拉開，使人們的世界觀產(chǎn)生重大變革。

2 中學(xué)物理科學(xué)思維素養(yǎng)的提升策略

2.1 結(jié)合教材情境，建構(gòu)實(shí)際問題的物理模型

在高中物理教學(xué)中，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型并加強(qiáng)學(xué)以致用，提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)［8］。也就是說，在實(shí)際教學(xué)過程中，教師需要有意為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生明確觀察點(diǎn)，并提示學(xué)生針對(duì)觀察點(diǎn)細(xì)心觀察，增強(qiáng)其感性認(rèn)識(shí)。就學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的提升而言，是否具有抽象思維能力是帶動(dòng)學(xué)生從低階思維躍進(jìn)到高階思維的關(guān)鍵，這就要求師生在分析物理問題時(shí)，能將其中的主要因素抽離出來，簡(jiǎn)化問題的條件因素，將原本復(fù)雜的多維條件問題轉(zhuǎn)化為抽象的物理模型，進(jìn)而促使學(xué)生解決問題。因此，在整個(gè)中學(xué)階段，教師都應(yīng)貫穿建模意識(shí)和抽象思維的培養(yǎng)。下面以《必修一》“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例，說明如何在物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境，根據(jù)實(shí)際問題建構(gòu)理想過程模型。

在“自由落體運(yùn)動(dòng)”的情境引入部分，教材中創(chuàng)設(shè)了物理學(xué)史情境：讓同學(xué)思考高層建筑物上，輕重不同的兩個(gè)物體哪個(gè)下落更快？當(dāng)中就暗含了著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的猜想過程。這一問題馬上能激起同學(xué)們的討論，而且答案不一，有人說同樣快，也有人說重的更快。這時(shí)將問題類比為“紙團(tuán)和紙同樣高度落下，哪一個(gè)更快？”這是一個(gè)非常貼近生活的思考題，同時(shí)也是一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下，馬上會(huì)利用手頭的材料進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行教材中所演示的情景后，模擬比薩斜塔實(shí)驗(yàn)的操作過程也不失為一個(gè)好的教學(xué)活動(dòng)，且能更好地將物理學(xué)史情境融入課堂；或問學(xué)生為什么在生活中有時(shí)重物下降速度快，有時(shí)輕物下降速度快。教師通過創(chuàng)設(shè)生活情境，引導(dǎo)學(xué)生思考：當(dāng)考慮空氣阻力這一因素后，物體的下落速度會(huì)發(fā)生什么變化？以此為建立自由落體運(yùn)動(dòng)的理想模型作好鋪墊。

本節(jié)教材編排了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了實(shí)驗(yàn)情境。根據(jù)教材中的演示實(shí)驗(yàn)，教師可以依次向?qū)W生演示充滿空氣玻璃管內(nèi)和真空玻璃管內(nèi)羽毛、鐵片等的下落情況，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而啟發(fā)學(xué)生得出結(jié)論：生活中的物體下落速度不同，是由于受到空氣阻力；如果沒有空氣阻力，所有物體下落的快慢都一樣。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，一方面，學(xué)生可以通過使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器復(fù)習(xí)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的研究，另一方面，通過喚醒已有的認(rèn)知，將自由落體運(yùn)動(dòng)與其他形式的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行類比，從而發(fā)現(xiàn)其特殊之處，更深刻地理解理想過程模型當(dāng)中的主要因素和次要因素。在“科學(xué)漫步”欄目中，教材介紹了伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)探究過程，使得學(xué)生們能夠更加了解“簡(jiǎn)化復(fù)雜問題，突出運(yùn)動(dòng)本質(zhì)特征”的科學(xué)研究思路。

2.2 基于教材案例，優(yōu)化物理結(jié)論的推理過程

新時(shí)代對(duì)育人提出了新的挑戰(zhàn)，為了使科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到課堂教學(xué)中，需要廣大教育人士扛起重?fù)?dān)。一方面，教師需要更新教學(xué)理念，在課堂上以學(xué)生為中心、關(guān)注過程性評(píng)價(jià)；另一方面，教師需要充分挖掘理論知識(shí)背后所蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)，教學(xué)規(guī)律背后所蘊(yùn)含的科學(xué)思維，實(shí)驗(yàn)操作背后所蘊(yùn)含的科學(xué)道理。

科學(xué)推理是指能夠靈活地運(yùn)用歸納、類比以及演繹三種推理方法，根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)物理概念、規(guī)律以及應(yīng)用方法進(jìn)行推理分析，是一種十分重要的物理思維能力［9］。在高中物理教材中，很多內(nèi)容并不是單一的物理問題，而是如動(dòng)能定理、共點(diǎn)力平衡條件、圓周運(yùn)動(dòng)等綜合性問題，與之相關(guān)的有多個(gè)概念，概念層次和概念間的邏輯關(guān)系也相對(duì)復(fù)雜，教師應(yīng)更加重視其結(jié)論的推理過程，客觀對(duì)待學(xué)生處理具體問題時(shí)的表現(xiàn)，不以簡(jiǎn)單的正確與否進(jìn)行評(píng)判。下面以《必修一》“圓周運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的教學(xué)實(shí)例為例，說明如何具體化思維的發(fā)散過程，從而優(yōu)化物理結(jié)論的推理過程。

演示實(shí)驗(yàn)：將粉筆用線系住一頭，另一頭固定在黑板一點(diǎn)上，拉直細(xì)線讓粉筆在黑板平面上做圓周運(yùn)動(dòng)，得到運(yùn)動(dòng)軌跡，引入課題“圓周運(yùn)動(dòng)”。

列舉實(shí)例：鐘表是生活中常見的物品，表盤三根指針長(zhǎng)短不一，思考時(shí)針、分針、秒針無(wú)時(shí)無(wú)刻不在做圓周運(yùn)動(dòng)，那么圓周運(yùn)動(dòng)的快慢應(yīng)如何表述？

思考討論：將自行車后輪架起，如圖1所示，轉(zhuǎn)動(dòng)踏板，觀察A、B、C三點(diǎn)，可以用哪些方案來判斷三點(diǎn)運(yùn)動(dòng)快慢。學(xué)生分組討論，教師總結(jié)方案：

方案一：比較三點(diǎn)轉(zhuǎn)完一圈所需時(shí)間長(zhǎng)短。

方案二：比較三點(diǎn)在同一段時(shí)間中所轉(zhuǎn)的周數(shù)。

方案三：比較三點(diǎn)在同一段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的圓弧長(zhǎng)度。

方案四：比較在同一段時(shí)間內(nèi)三點(diǎn)所在半徑轉(zhuǎn)過的角度大小。

在此教學(xué)實(shí)例中，首先在情境引入部分，就創(chuàng)設(shè)了學(xué)生們熟悉的、與生活經(jīng)驗(yàn)掛鉤的圓周運(yùn)動(dòng)問題，學(xué)生對(duì)于這類話題更熟悉，有過相關(guān)的思考，愿意發(fā)表自己的看法。在思考討論環(huán)節(jié)，分別使用四種方案來表達(dá)、證明觀點(diǎn)，充分開闊學(xué)生思維，不拘泥于單一的物理問題解決方法，并充分利用類比、演繹和等效替代的思想，將圓上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的快慢化為更加直觀、簡(jiǎn)單可比的物理量，增強(qiáng)了科學(xué)推理的多樣性。

在方案一中，運(yùn)用的是“周期”的概念，即在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中，研究對(duì)象旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間長(zhǎng)短。在方案二中，運(yùn)用到了“轉(zhuǎn)速”的概念，生活中常用轉(zhuǎn)速來描述物體運(yùn)動(dòng)快慢，即物體轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和所用時(shí)間之比。在方案三中，運(yùn)用了“弧長(zhǎng)”的概念，與前面直線運(yùn)動(dòng)中所學(xué)習(xí)過的“路程”概念相似，都是物體在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的路徑長(zhǎng)度，由此能更深一步對(duì)應(yīng)“線速度”的概念。在方案四中，對(duì)應(yīng)了“角速度”的概念，由于大小齒輪邊緣一段時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)相等，即線速度相等，但由于半徑不同，同一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度必然不同，即用來描述在圓周運(yùn)動(dòng)中物體繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。在該教學(xué)過程中，教師通過讓學(xué)生觀察不同大小半徑的齒輪上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，提出可行的比較方案，四種方案的證據(jù)來源都相對(duì)直接，是可以通過學(xué)生獨(dú)立或小組合作得出的結(jié)論，加深了學(xué)生們對(duì)于本節(jié)內(nèi)容各概念的理解。

2.3 緊扣學(xué)生思維，培養(yǎng)科學(xué)論證的證據(jù)意識(shí)

科學(xué)論證是科學(xué)思維的要素之一，基于科學(xué)論證為基礎(chǔ)進(jìn)行的教學(xué)為論證式教學(xué)，其對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、邏輯表達(dá)能力和交流能力都有很好的促進(jìn)作用［10］?？茖W(xué)論證的科學(xué)思維要求學(xué)生有意識(shí)地使用科學(xué)推理證據(jù)，并能夠判斷證據(jù)的可行性和適用性，合理使用物理公式、定理、規(guī)律和研究方法進(jìn)行數(shù)學(xué)推演和邏輯推理。證據(jù)是科學(xué)論證的基礎(chǔ)，科學(xué)論證的關(guān)鍵在于證據(jù)的掌握和使用，本節(jié)以《必修一》“牛頓第二定律”一節(jié)教學(xué)實(shí)例為例，分析如何在教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生思考，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的證據(jù)意識(shí)。

演示實(shí)驗(yàn)：將細(xì)繩或紙帶與一重物相連，向上勻速提起重物，這時(shí)細(xì)繩沒有斷裂；向下勻速放下重物，細(xì)繩也未受到影響；接著用手牽著繩子突然向上加速運(yùn)動(dòng)，可以看到細(xì)繩斷裂，重物落地。

提問：細(xì)繩為什么有的情況下沒斷，有的情況下卻會(huì)斷裂呢？

學(xué)生對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)推理，小組討論得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)：利用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)質(zhì)量相同的小車，一個(gè)和三個(gè)鉤碼分別系在繩子的一端，在同一起點(diǎn)處擺放小車，放手一段時(shí)間后使兩小車同時(shí)停止，記錄位移距離。提問：松手前、小車運(yùn)動(dòng)時(shí)、停止后的加速度，與小車受到的力有何關(guān)系？

課標(biāo)對(duì)本節(jié)科學(xué)推理方面的要求是“能分析和推理動(dòng)力學(xué)問題并獲得結(jié)論，用牛頓第二定律相關(guān)論據(jù)表達(dá)自己的看法”。在演示實(shí)驗(yàn)提問環(huán)節(jié)中，通過實(shí)驗(yàn)和生活常識(shí)，學(xué)生很快能夠理解“是物體突然的加速運(yùn)動(dòng)使紙帶破裂”。結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，類比繩子、頭發(fā)絲會(huì)斷的原因，便能找出證據(jù)證明“細(xì)繩受到的力大于可以承受的范圍，于是細(xì)繩發(fā)生斷裂”。由此將問題定性為“沿某方向突然加速運(yùn)動(dòng)”，利用二力平衡和牛頓第二定律進(jìn)行演繹推理，可以知道重力存在。學(xué)生在研究過程中，緊扣“力太大導(dǎo)致細(xì)繩斷裂”這一原因，結(jié)合“加速”這個(gè)物理特征，為學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系打下基礎(chǔ)，培養(yǎng)了科學(xué)推理過程中的證據(jù)意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，測(cè)定加速度的方式很多，如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，但相對(duì)復(fù)雜費(fèi)時(shí)，于是需要尋找一個(gè)更適合課堂演示的方法。根據(jù)位移與加速度的關(guān)系，教師將加速度大小用位移大小來代替，于是加速度和力的關(guān)系可替換為更直觀的相同時(shí)間內(nèi)的位移來體現(xiàn)。教師通過對(duì)小車的三種狀態(tài)下加速度的提問，使學(xué)生受到啟發(fā)，既能思考整個(gè)牛頓第二定律的推理過程，是從“對(duì)于一個(gè)不受力的物體加速度為零”到“受力后加速度不為零”再到“速度越大則表明物體所受合力越大”，又能理解“多個(gè)變量出現(xiàn)在問題中時(shí)，研究其中一個(gè)變量則要控制其余變量不變”的控制變量物理思想。在樹立了科學(xué)推理的證據(jù)意識(shí)后，考慮成立的條件和適用的情境，利用實(shí)驗(yàn)對(duì)所持證據(jù)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，回答運(yùn)動(dòng)物體加速度和所受外力及自身質(zhì)量的關(guān)系，得出牛頓第二定律的具體內(nèi)容表述和數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2.4 改進(jìn)教學(xué)方法，提升學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新的能力

質(zhì)疑創(chuàng)新思維是指對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分析，對(duì)已有的結(jié)論形成有理有據(jù)的質(zhì)疑，并從多個(gè)角度進(jìn)行論證研究，用不同的物理方法來解決問題，并有目的地形成新奇、獨(dú)創(chuàng)的解決問題思路和方式。質(zhì)疑創(chuàng)新與科學(xué)論證緊密相連，相輔相成。質(zhì)疑創(chuàng)新必須基于已有的物理規(guī)律和科學(xué)論證，而科學(xué)論證的過程也需要質(zhì)疑創(chuàng)新的思維能力作為推動(dòng)。物理學(xué)科在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維尤其是質(zhì)疑創(chuàng)新思維方面，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，教師可以通過辨析物理前概念、展示物理學(xué)史、拓展科學(xué)探究、改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)等途徑發(fā)展學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維［11-12］。下面以《必修一》“相對(duì)論時(shí)空觀與牛頓力學(xué)的局限性”一節(jié)為例，說明改進(jìn)教學(xué)方法，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維能力的目的。

本節(jié)教材首先介紹高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下經(jīng)典的力學(xué)體系不成立，接著介紹了量子化現(xiàn)象和廣義相對(duì)論。內(nèi)容相對(duì)較多，屬于重難點(diǎn)后的介紹性內(nèi)容。教師不能將教學(xué)目標(biāo)局限為對(duì)相對(duì)論和量子力學(xué)體系的理解，應(yīng)該要讓學(xué)生感悟到科學(xué)如同滾滾向前的車輪，處于發(fā)展進(jìn)程中，由于觀念和科技的限制，其本身局限性無(wú)法避免，一切科學(xué)理論都是一部“尚待完善的大部頭”。作為經(jīng)典力學(xué)的第一條定律，牛頓第一定律顛覆了長(zhǎng)達(dá)兩千年的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)了人類的世界觀。并不是牛頓力學(xué)過時(shí)或者錯(cuò)誤，而是兩種體系的視角和適用的情況不同。讓學(xué)生在科學(xué)探究過程中，通過相對(duì)論和量子論的顛覆性，認(rèn)識(shí)到科學(xué)思維的無(wú)限魅力，領(lǐng)悟質(zhì)疑創(chuàng)新的重要意義。

實(shí)際教學(xué)中，可以通過以下計(jì)算思考題引入。

引入：如果河水以v的速度流動(dòng)，河上的船以相對(duì)于河水v的速度行進(jìn)，則船相對(duì)于岸的速度為多少？

舉一反三：如果人類正乘坐以0.1c速度的飛船飛往太空，朝前方一星球射一束光，則該星球上觀測(cè)到的光速為多少？

以船相對(duì)于岸的速度推及星球上觀測(cè)到的光速，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，意識(shí)到兩個(gè)看似相同的情景卻隱藏著不同的物理過程。接著創(chuàng)設(shè)物理學(xué)史情境，演示法和講授法相結(jié)合，以生動(dòng)的多媒體課件展示為主，輔以教師的講授，將相對(duì)論時(shí)空觀的探索發(fā)展過程展現(xiàn)出來。在此情境下，經(jīng)過了自己的思考和教師的講授，學(xué)生能夠充分感受物理發(fā)展史中質(zhì)疑創(chuàng)新思維的魅力。在往后的學(xué)習(xí)中，敢于質(zhì)疑，從多樣視角解決物理問題，找到新穎的解決途徑。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2017.

［2］ 許有強(qiáng).高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)策略［J］.課程教材教學(xué)研究（教育研究），2020，12（6）：57-58.

［3］ 周婷，譚延亮.科學(xué)思維素養(yǎng)下物理模型建構(gòu)的教學(xué)策略［J］.廣西物理，2020，41（3）：49-51.

［4］ 俞國(guó)富.科學(xué)推理及其在高中物理教學(xué)中的策略［J］.中學(xué)物理，2019，37（5）：20-24.

［5］ 蒲紅玲.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的高中物理教科書內(nèi)容分析：以人教版必修一為例［D］.成都：四川師范大學(xué)，2018.

［6］ 程軼峰.初中物理教學(xué)中批判性思維培養(yǎng)的理論及實(shí)踐研究［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2011.

［7］ 吳壽寵，黃旭.教學(xué)研究中的質(zhì)疑創(chuàng)新案例探析［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（31）：5-7.

［8］ 賴世鏘.創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境 建構(gòu)物理模型：2021年高考全國(guó)理綜Ⅱ卷第24題試題評(píng)析與教學(xué)啟示［J］.物理教學(xué)，2021，43（9）：63-65.

［9］ 楊驥.科學(xué)推理 發(fā)展物理思維能力［J］.數(shù)理化解題研究，2022（3）：83-85.

［10］白楊，王藝朦，劉青華.論證式教學(xué)在物理課堂上的應(yīng)用：以衛(wèi)星變軌為例［J］.湖南中學(xué)物理，2022，37（2）：31-33+43.

［11］沈偉云.基于質(zhì)疑創(chuàng)新思維培養(yǎng)的初中物理教學(xué)［J］.物理教師，2021，42（4）：37-39.

［12］劉健智，李湘寧，齊曉樂.基于元認(rèn)知視角的高中物理學(xué)生輔助用書使用情況的調(diào)查研究［J］.西華師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（4）：432-438.

Abstract：Scientific thinking is one of the physics core competencies and the core of physics teaching.Taking the senior high school physics textbook as the research object and the subsection as the unit，this paper makes statistical analysis on the present situation of scientific thinking in the textbook，and analyzes the current situation and general shortcomings of physics teaching in senior high school from the four elements of scientific thinking，including model construction，scientific reasoning，scientific argumentation and questioning innovation. Finally，this paper discusses the ways to improve scientific thinking competency in combination with the relevant textbook contents and teaching example segments of all dimensions，and puts forward feasible effective strategies for reference from four aspects，including creating the situation to construct the model，opening up the process of thinking optimization，inspiring thinking and enhancing reasoning consciousness，and improving teaching methods to cultivate the ability of questioning and innovation.

Keywords：senior high school physics；subject core competencies；scientific thinking competency；model construction；scientific reasoning；scientific demonstration；questioning innovation

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（湘教通〔2022〕323號(hào)，22C0397）；四川省教育廳一般項(xiàng)目（CJF18052）；衡陽(yáng)師范學(xué)院2020年校級(jí)教改項(xiàng)目（JYKT202017）

作者簡(jiǎn)介：周婷（1992—），女，助教，主要從事物理課程與教學(xué)論、教師教育方面的研究。

通信作者：李蘭（1981—），女，編輯，主要從事物理課程與教學(xué)論、教師教育方面的研究。E-mail：wxylilan@163.com

引文格式：周婷，尹文佳，李蘭.高中物理科學(xué)思維素養(yǎng)的文本分析與提升策略［J］.西華師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，44（3）：326-332.