由科學思維水平劃分談培養(yǎng)科學思維的方法

(江蘇省六合高級中學，江蘇 南京 211500)

1 核心素養(yǎng)中科學思維的內(nèi)涵及水平劃分

科學思維是《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出的物理學科核心素養(yǎng)中的四個方面之一,是從物理學科的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格．科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出:高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上,進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展．通過高中物理課程的學習,學生應(yīng)該具有建構(gòu)模型的意識和能力;能運用科學思維方法,從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論;具有使用科學證據(jù)的意識和評估科學證據(jù)的能力,能運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預(yù)測;具有批判思維的意識,能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問題,追求科技創(chuàng)新．新版課標對科學思維進行了5個水平劃分,如表1所示．

上述科學思維5個水平的劃分,對科學思維水平的要求是逐步提升的．筆者為逐步提升學生科學思維的水平,在平常的教學中,根據(jù)學生的認知規(guī)律,有目的地把學生學習的知識精心地設(shè)置在具體的、有意義的問題情境中,引導(dǎo)學生通過獨立思考、合作探究、師生互動等方式解決問題．整個教學活動都是圍繞著“問題”展開的, 以問題為中心,由淺入深,由易到難,循序漸進．通過設(shè)計問題串,引導(dǎo)學生抽絲剝繭,直至找到科學思維的方法．

表1 科學思維的水平劃分

2 培養(yǎng)科學思維的方法

2.1 挖掘教材,喚醒學生“言必有據(jù)”的理性意識

人教版高中物理教材中有許多關(guān)于物理學研究探索歷程的內(nèi)容,這些內(nèi)容不僅使學生對物理的發(fā)展過程有一定的了解,更是學生體驗科學研究方法、感悟科學探究精神的重要素材．在教學過程中,教師不能僅限于告知學生科學家的成果,更應(yīng)該創(chuàng)設(shè)情境,給學生一個重溫探究歷程的機會．

例如,人教版物理必修2第6章“萬有引力與航天”的第1節(jié)“行星的運動”,教材中直接給出了開普勒第三定律的內(nèi)容:所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等,且比值對所有行星都相同．教材中并沒有利用觀察測量行星的數(shù)據(jù),向?qū)W生清晰展示科學探究的過程，因而不能使學生領(lǐng)悟建立新理論的科學方法,不能很好培養(yǎng)學生的猜想、探究意識、科學精神和探究能力,不利于提升學生的科學思維能力． 筆者對這一問題做了如下設(shè)計.

問題1:如何利用表2中太陽系八大行星的部分數(shù)據(jù),探究行星的公轉(zhuǎn)周期T與半長軸a的關(guān)系?

表2 太陽系八大行星的部分數(shù)據(jù)

生:可以利用線性關(guān)系圖像尋找公轉(zhuǎn)周期T與半長軸a的關(guān)系．

問題2:筆者在Excel中作出太陽系八大行星的T-a圖像、T-a2圖像,如圖1、圖2所示,請大家分析一下,根據(jù)這兩種圖像的變化趨勢,猜測可能的線性關(guān)系圖像?

圖1 太陽系八大行星T-a圖像

圖2 太陽系八大行星T-a2圖像

生:根據(jù)這兩種圖像的變化趨勢,可以猜測出線性關(guān)系圖像可能T-a、T-a2之間．

問題3:由圖3你能得到什么結(jié)論?

圖3 太陽系八大行星的T-a3/2圖像

問題4:表3是太陽系八大行星、月球、地球同步衛(wèi)星的部分數(shù)據(jù),你能從表中得出什么結(jié)論?

表3 太陽系八大行星、月球、地球同步衛(wèi)星的部分數(shù)據(jù)

生:由表3數(shù)據(jù)可知,k值與環(huán)繞天體無關(guān),與中心天體有關(guān)．

通過太陽系八大行星的部分數(shù)據(jù)進行分析和推理,獲得了行星的公轉(zhuǎn)周期T與半長軸a的關(guān)系,是科學思維的水平2，讓學生感受到科學結(jié)論的得出并不是憑主觀臆測,它離不開相應(yīng)的佐證,從而喚醒學生“言必有據(jù)”的理性意識．

2.2 建構(gòu)模型,培養(yǎng)學生“以理說理”的理性表達

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性描述,是科學研究中對復(fù)雜事物的一種簡單的描述方法．在模型建構(gòu)的活動中往往需要進行觀察或?qū)嶒?、歸納和演繹,并運用已有知識進行假設(shè)、模擬;將復(fù)雜的事物進行簡化、抽象出本質(zhì)屬性,將抽象的概念具體化、形象化;通過模型的建構(gòu)過程,學生可以親身體驗思考與探索,并加深對復(fù)雜事物本質(zhì)的理解,培養(yǎng)學生科學思維的能力．

圖4

例如,如圖4,一工人沿著斜靠在墻上的梯子向上攀登,有人說人在梯子上的位置越高,梯子越易滑動,你認為該結(jié)論正確嗎?如何運用所學的物理知識來加以說明．筆者設(shè)計了以下3個問題逐步提升學生的科學思維水平．

問題1:如何理解“梯子越易滑動”?

生:梯子與地面的摩擦力越大,梯子就越易滑動．

問題2:如何將該實際問題轉(zhuǎn)換為物理模型?

生:把人視為質(zhì)點,忽略梯子的質(zhì)量、梯子上端與墻之間的摩擦力等次要因素．

問題3:用什么知識來處理該模型?

生:利用三力平衡知識,具體分析如下.

圖5

對人和梯子整體受力分析,如圖5所示．設(shè)人的重力為G,地面對梯子的支持力、摩擦力分別為F1、f,墻對梯子上端的彈力為F2．由平衡知識有F1=G,說明人向上攀登過程中F1的大小不變．由三力平衡知識有,F1、f的合力必通過F2、G延長線的交點,由圖5可知,隨著人在梯子上向上運動,即重力G沿梯子向上移動,地面與梯子摩擦力f的大小在增大,當人到達梯子最上端時,f最大．所以人在梯子上的位置越高,梯子越易滑動．

建構(gòu)人在梯子上向上運動過程模型時,學生需要對具體問題進行歸納、抽象、簡化,這不僅有利用于學生對核心知識的認識和理解,而且還能體驗建立模型的思維過程,領(lǐng)悟模型方法．能將實際問題轉(zhuǎn)換成物理模型,這是水平4,若考慮梯子的重力、梯子與墻的摩擦力,那就是水平5了．

2.3 優(yōu)化問題,引導(dǎo)學生“言必縝密”的理性質(zhì)疑

問題2:用歐姆表測量的是燈泡的什么電阻?

問題3:常態(tài)下燈泡的電阻如何盡可能精確測量?

教師在教學過程中注重引導(dǎo)學生解釋和論證每個實驗環(huán)節(jié)設(shè)計和觀點建構(gòu)的理由,學生在嘗試提出主張、與人論證、使用證據(jù)支持或反駁的過程,培養(yǎng)了理性思維．

2.4 聯(lián)系實際,提升學生“以理解疑”的科學思維

課程目標之一是能用所學的物理知識、原理解決實際問題,這種能力不是一蹴而就的,需要教師在日常教學中讓學生不斷去探究,經(jīng)常把生活中的問題帶到課堂中．

例如,地球上有著許許多多的高山,7000 m以上的大山有400多座,8000 m以上的山峰有14座,那么最高的山可以達到多高的高度呢?這是一個有趣的問題．第一高峰珠穆朗馬峰約高9000 m．是否想過:為什么地球上的最高的山峰不是105m或者更高，又不是1000 m或者更低,而偏偏是104m的數(shù)量級呢?

這一問題對學生來說要求較高,筆者設(shè)置了如下鋪墊.

問題1:若用豆腐來“疊羅漢”,會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?

問題2:山的高度為什么有最大值?

問題3:設(shè)石頭全部由SiO2組成,巖石在溶解時每SiO2分子所需要的能量為E=0.03eV,SiO2分子的質(zhì)量為m=1.67×60×10-27kg,地球表面重力加速度g=9.8 m/s2,如何利用能量守恒估算出地球上山最大高度的數(shù)量級?

圖6

為方便估算,我們先將山簡化為如圖6的長方形．為什么山不可以太高?山愈高愈重,而山太重則可能會下沉．山下沉勢能會減少．這些釋放出的勢能能將部分石頭溶掉,山便會繼續(xù)下沉．

設(shè)山的質(zhì)量為M,高度為h,山的橫截面積為a,單位體積內(nèi)SiO2的分子數(shù)為n,則山的質(zhì)量為M=hanm,則山下沉了x時所釋放的重力勢能E1=Mgx=hanmgx．使高度為x的石層的能量為

E2=naxE．山下沉了x所釋放的勢能E1必須少于溶解該層所需的能量E2,否則山便會繼續(xù)下沉,即

hanmgx

這與地球上最高山峰高度的數(shù)量級相符．火星表面的重力加速度約為地球的 38%,h< 13 km． 火星上最高的火山為奧林匹斯山 (Olympus Mons),高約25 km．

“聯(lián)系實際探究一些實際的問題”給課堂教學更大拓展的空間,也為學生科學思維能力的展現(xiàn)提供了更加寬闊的舞臺,留給學生更多發(fā)揮聰明才智的空間．在探究的過程中,學生們各抒已見,提出了各種假設(shè)以及問題探究的方案,達到了非常好的效果．學生在爭論中科學思維能力達到了新的高度,學生的思維更加開闊．