科學(xué)思維在高中物理起始階段的培養(yǎng)探索

官漢聰

摘 要：高中物理要求學(xué)生從初中的定性、具體、感性跳躍到高中的定量、抽象、理性，學(xué)會(huì)由經(jīng)驗(yàn)型、記憶型形象思維向理論型抽象思維發(fā)展。如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐對(duì)高中起始階段學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)分別從模型建構(gòu)、概念定義、逆向分析等三方面進(jìn)行了一些探索。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；理想模型；科學(xué)定義；逆向分析

引言

“科學(xué)思維”作為物理核心素養(yǎng)的組成部分，要求學(xué)生經(jīng)過(guò)高中物理學(xué)習(xí)，能通過(guò)物理學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系，能基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型，能運(yùn)用分析綜合、推理論證等方法研究解決問(wèn)題。

由于高中物理對(duì)學(xué)生的抽象思維、形象思維等科學(xué)思維較初中有了更高的要求，高中伊始，學(xué)生要從初中的定性、具體、感性跳躍到高中的定量、抽象、理性，導(dǎo)致不少學(xué)生出現(xiàn)“課堂一聽(tīng)就懂，題目一做就錯(cuò)”的問(wèn)題，究其原因是與學(xué)生的科學(xué)思維不完善有直接關(guān)系。因此，高中起始階段如何逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，是擺在物理教師面前的一項(xiàng)重要課題。

筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在以下三方面對(duì)高中起始階段學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)進(jìn)行了一些探索。

1 建構(gòu)理想模型，轉(zhuǎn)換思維方式

物理模型是通過(guò)對(duì)原型（研究對(duì)象和物理過(guò)程等）忽略了各種次要因素的影響，做了簡(jiǎn)化的處理而得到的一種理想化的形態(tài)。

“研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)”是教師在教學(xué)中常舉的實(shí)例，由于地球與太陽(yáng)的平均距離比地球的半徑大得多，因此可忽略地球的形態(tài)、大小，將其簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理，從而可以較方便地找出地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)的一些規(guī)律。

學(xué)生思維存在的困惑是：如果不建立這樣一個(gè)理想化的物理模型，就不能達(dá)到我們的研究目的嗎？此時(shí)，我們可以借助一個(gè)小球從地面上空不高處由靜止下落的運(yùn)動(dòng)這一實(shí)例進(jìn)行分析。小球下落時(shí)，影響小球運(yùn)動(dòng)的因素有很多。首先，重力會(huì)隨小球的高度而變化；其次，小球所受的空氣阻力與小球的形狀、大小和下落速度有關(guān)；再者，地球自轉(zhuǎn)、風(fēng)速對(duì)小球也有影響。如果綜合考慮這些因素，尋找小球下落的規(guī)律將變得十分困難。因此我們可以對(duì)小球下落過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化：下落過(guò)程重力不變、速度不大可忽略空氣阻力、不計(jì)地球自轉(zhuǎn)及風(fēng)速等非主流因素的影響。經(jīng)過(guò)這樣簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)就是教材中的自由落體運(yùn)動(dòng)。

質(zhì)點(diǎn)的教學(xué)看似簡(jiǎn)單，但它是學(xué)生高中物理學(xué)習(xí)時(shí)思維轉(zhuǎn)化的開(kāi)始。通過(guò)質(zhì)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到：在研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果物體本身的尺寸對(duì)所研究的問(wèn)題影響很小，就可以不考慮物體本身的形狀和大小，把它抽象成質(zhì)點(diǎn)。

在中學(xué)物理的許多問(wèn)題中，把物體抽象為質(zhì)點(diǎn)是一目了然的，但也有一些問(wèn)題，特別是直接來(lái)源于生活的現(xiàn)象、科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐中的問(wèn)題，研究對(duì)象能否視為質(zhì)點(diǎn)，往往需要通過(guò)對(duì)題意的分析和判斷才能確定[1]。

例題1 （2006年高考全國(guó)I卷理綜試卷）一位質(zhì)量為m的運(yùn)動(dòng)員從下蹲狀態(tài)向上起跳，經(jīng)時(shí)間Δt，身體伸直并剛好離開(kāi)地面，速度為v。在這過(guò)程中

A.地面對(duì)他的沖量為mv+mgΔt，地面對(duì)他做的功為mv2

B.地面對(duì)他的沖量為mv+mgΔt，地面對(duì)他做的功為零

C.地面對(duì)他的沖量為mv，地面對(duì)他做的功為mv2

D.地面對(duì)他的沖量為mv-mg，地面對(duì)他做的功為零

在研究地面對(duì)他的沖量時(shí)，可以把運(yùn)動(dòng)員抽象為質(zhì)點(diǎn)。但在計(jì)算地面對(duì)他做功時(shí)，雖然地面對(duì)他有力的作用，但力的作用點(diǎn)并沒(méi)有發(fā)生位移，所以地面對(duì)運(yùn)動(dòng)員做的功為零。不少同學(xué)慣性思維，依然把運(yùn)動(dòng)員視為質(zhì)點(diǎn)，得出地面對(duì)他有做功的錯(cuò)誤結(jié)論。

2 科學(xué)定義概念，促進(jìn)思維發(fā)展

加速度是高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)中的一個(gè)核心概念，如何搞好加速度的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)由經(jīng)驗(yàn)型、記憶型形象思維向理論型抽象思維發(fā)展，避免高一伊始就出現(xiàn)學(xué)習(xí)物理上的分化，需要教的智慧和學(xué)的方法[2]。

學(xué)生在初中學(xué)習(xí)“速度”這一概念時(shí)，經(jīng)歷過(guò)采用路程與時(shí)間的比值描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的思維過(guò)程。因此，將學(xué)生從初中的勻速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)渡到變速直線運(yùn)動(dòng)，利用學(xué)生已有的形象思維，引導(dǎo)其往抽象思維發(fā)展，是突破加速度概念教學(xué)難點(diǎn)的有效方法。在課堂中，通過(guò)展示生活中幾種常見(jiàn)交通工具的相關(guān)數(shù)據(jù)（如表1），引導(dǎo)學(xué)生思考如何比較它們速度變化的快慢？

學(xué)生利用初中所學(xué)的控制變量法及比值法，通過(guò)對(duì)飛機(jī)與跑車(chē)初末狀態(tài)相同而時(shí)間不同、跑車(chē)與磁懸浮列車(chē)初末狀態(tài)不同而時(shí)間相同、跑車(chē)與摩托車(chē)初末狀態(tài)及時(shí)間均不同這三組運(yùn)動(dòng)特征的比較，可以順利得出加速度這一物理概念，實(shí)現(xiàn)從形象思維發(fā)展為抽象思維的過(guò)渡。在加速度概念的建構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)比值法定義物理量與物理量用比值定義的異同有了更深入的認(rèn)識(shí)，真切感受到物理學(xué)中的抽象思維。

3 逆向分析培養(yǎng)，創(chuàng)新思維能力

逆向分析（反推法）就是在處理問(wèn)題時(shí)，由結(jié)果或與結(jié)果相關(guān)的東西推測(cè)原因或開(kāi)始的情況。或者從問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)，逐步尋找為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)所需要的先前中間狀態(tài)，最終退回到問(wèn)題的初始狀態(tài)的方法。

例題2 （2016高考全國(guó)I卷理綜試卷）甲、乙兩車(chē)在平直公路上同向行駛，其v-t圖象如圖1所示。已知兩車(chē)在t=3s時(shí)并排行駛，則

A.在t=1s時(shí)，甲車(chē)在乙車(chē)后

B.在t=0時(shí)，甲車(chē)在乙車(chē)前7.5m

C.兩車(chē)另一次并排行駛的時(shí)刻是t=2s

D.甲、乙兩車(chē)兩次并排行駛的位置之間沿公路方向的距離為40m

運(yùn)動(dòng)圖象的常見(jiàn)考查方式更多是要求學(xué)生從所給的相關(guān)圖象對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，但本題卻需要學(xué)生能根據(jù)“兩車(chē)在t=3s時(shí)并排行駛”這一結(jié)果及相關(guān)的v-t圖象，推測(cè)開(kāi)始或之前的情況。這種反常規(guī)的設(shè)問(wèn)有變化、有創(chuàng)新，能真正考查學(xué)生的分析能力，有利于學(xué)生思維分析能力的提高和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，對(duì)打破學(xué)生的思維定勢(shì)很有幫助。

逆向分析具有思維開(kāi)放的特點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)已知的結(jié)果，往往有多種可能的原因或條件，逆向分析就是要根據(jù)結(jié)果的蛛絲馬跡去尋找產(chǎn)生這一結(jié)果的原因、條件或初始情況。突破“知其然而不知其所以然”的被動(dòng)局面，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象找條件、從結(jié)果找原因，理清思路，從而找到解決問(wèn)題的線索和方法。因此，教師在日常教學(xué)中要善于將一些正向思維的問(wèn)題，改造或遷移成逆向思維的素材。對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)既要使其形成正確、科學(xué)的思維方式，同時(shí)也要注重對(duì)逆向思維的開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)思維是一個(gè)抽象概念，不同于可視的科學(xué)活動(dòng)。它是學(xué)生頭腦中對(duì)科學(xué)事物的反映，是不可視的。教師在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的過(guò)程中除了要在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)內(nèi)設(shè)置問(wèn)題情境，不斷提出問(wèn)題，使學(xué)生的思維保持活躍的狀態(tài)，還要在科學(xué)探究的過(guò)程中注重科學(xué)思維方法的滲透，提高學(xué)生思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王溢然.模型[M].合肥；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2015：152.

[2]周長(zhǎng)春.基于教學(xué)內(nèi)容適切性的高中物理教學(xué)案例研究——以“加速度”教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（9）：15.