“科學思維”素養(yǎng)提升策略
——以“科學探究”為教學主線

張嘉弘

(浙江省海寧市第一中學 浙江 嘉興 314400)

1 問題緣由

《普通高中物理課程標準(2017版)》指出：科學思維是從物理學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)驗事實構(gòu)建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)和科學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[1].

《SOLO分類評價理論》把思維層次分成了5個層次，即前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和抽象拓展結(jié)構(gòu)，前3個層次是基礎(chǔ)知識的積累，而后兩個層次是思維能力的飛躍.絕大多數(shù)試題的要求都在關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平層次.

因此，科學思維的提升是新課標的基本要求，也是目前物理選考的選拔要求，更是培養(yǎng)21世紀創(chuàng)新人才的保證.如何扎實做好核心素養(yǎng)的全面落地，如何提升學生的科學思維素養(yǎng)，將是今后很長一段時間內(nèi)教學的重中之重.

本文選擇“晾衣架模型的研究”一課為例，借助創(chuàng)新實驗裝置，以“科學探究”為教學主線，逐步引導學生深入思考，試圖在科學論證、科學推理、模型構(gòu)建、質(zhì)疑創(chuàng)新[1]4個方面實現(xiàn)質(zhì)的突破，以幫助學生的思維層次盡可能達到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平及以上.

2 素養(yǎng)提升策略

以“科學探究”為教學主線的“科學思維”素養(yǎng)提升具體策略如下.

2.1 基于“問題情境制造”的探究論證促進策略

問題是學習的起點，把問題置于學生所熟悉的實際場景之中，并利用突出關(guān)鍵要素的模型器件呈現(xiàn)于教室，有效調(diào)動學生探究的積極性，打破思維的平衡狀態(tài)，促進進一步探究論證，提升科學思維的敏感性.

教學片段1：

展示情境：如圖1所示，晾曬衣服的繩子輕且光滑，懸掛衣服的衣架的掛鉤也是光滑的，輕繩兩端分別固定在兩根豎直桿上的A和B兩點，衣服處于靜止狀態(tài).

圖1 晾曬衣服情境圖

提出問題：如果保持繩子A端位置不變，將B端分別上下移動或水平移動到不同的位置，輕繩上的張力會如何變化？兩側(cè)輕繩與豎直方向的夾角是否相等，是否會因B端的移動而發(fā)生變化？

學生對于此類情景還是比較熟悉的，就此各自思考，提出自己的見解.

展示教具：晾衣架模型演示儀.

學生對于這個新鮮的事物很感興趣，直接提出要用這個模型進行實驗測量.

根據(jù)學生的要求，首先研究B端水平移動時的情況，發(fā)現(xiàn)猜想與實驗現(xiàn)象很吻合，探究的熱情進一步高漲.

接下來，研究B端上下移動的情況，分別測量左側(cè)細繩與豎直方向夾角為60°、45°、30°、25°時，右側(cè)細繩與豎直方向夾角以及兩側(cè)細繩的張力大小，如圖2所示.實驗數(shù)據(jù)如表1～表4所示.

(a)θ左=60°

(b)θ左=45°

(c)θ左=30°

(d)θ左=25°

表1 左側(cè)繩與豎直方向夾角為60°時的實驗數(shù)據(jù)

表2 左側(cè)繩與豎直方向夾角為45°時的實驗數(shù)據(jù)

表3 左側(cè)繩與豎直方向夾角為30°時的實驗數(shù)據(jù)

表4 左側(cè)繩與豎直方向夾角為25°時的實驗數(shù)據(jù)

學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)：在誤差允許的范圍內(nèi)，B端上下移動時，兩側(cè)細繩與豎直方向的夾角相等且保持不變，同時兩側(cè)細繩的張力也相等且保持不變.

點評：人不能長期容忍認知心理不平衡，都有填補空白、解決問題的認知本能，通過情境制造，引發(fā)認知沖突，有利于觸發(fā)學生思考的敏感點，讓學生的思維遠離平衡狀態(tài)，從而帶著要一探究竟的迫切心情積極融入到課堂中去，而創(chuàng)新實驗器材的呈現(xiàn)與利用，進一步點燃探究、論證的熱情，促進了思維的進一步發(fā)展.

2.2 基于“理論支撐尋求”的科學推理強化策略

一切外在的現(xiàn)象都有其內(nèi)在規(guī)律，在不斷的分析與綜合、概括與抽象中，一步一步地進行演繹推導，享受從“半定量的現(xiàn)象觀察”到“定量的理論確認”的轉(zhuǎn)化過程，在找出規(guī)律所在、形成結(jié)論的過程中，提升科學思維的嚴密性.

教學片段2：

提出問題：通過實驗發(fā)現(xiàn)了一些特別的現(xiàn)象，也驗證了之前的一些猜想，那么是怎樣的物理規(guī)律在支配著這種現(xiàn)象呢？

請大家運用我們所學過的一些知識，通過理論推演，去一起尋找現(xiàn)象背后又隱藏著的物理規(guī)律吧.

學生分小組討論，尋找規(guī)律，交流互動，分享成果.

小組1：當整體靜止在任意位置時，對整體進行受力分析(圖3)，通過正交分解，列平衡方程得

F左cosθ左+F右cosθ右=mg

F左sinθ左=F右sinθ右

圖3 正交分解圖

在不計滑輪質(zhì)量及摩擦的情況下，F(xiàn)左=F右.

求解得

θ左=θ右

結(jié)論：當動端左右、上下移動時，兩側(cè)細繩與豎直方向的夾角總是相等的，兩側(cè)細繩的張力也相等.

小組2：如圖4所示，設(shè)細繩長為S,兩端點之間的水平距離為L, 兩邊細繩與豎直方向的夾角為θ，利用幾何關(guān)系得

圖4 幾何關(guān)系圖

結(jié)論：無論動端如何上下移動，只要水平方向距離不變，兩邊細繩與豎直方向的夾角θ就不會變化.

點評：通過小組討論與理論推導，不僅把現(xiàn)實情境與物理理論高度關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)知識轉(zhuǎn)變，并且通過小組之間分享經(jīng)驗、共享成果，相互彌補不足，修補各自的思維漏洞，對于思維的嚴密性會有較大的提升.

2.3 基于“事物本質(zhì)挖掘”的理想模型構(gòu)建策略

模型構(gòu)建是作為一種認識手段[2]，是對客觀事物本質(zhì)特征和共同屬性的抽象與概括的過程，而作為一種思維方式，有助于幫助學生抓住關(guān)鍵要素，加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)建模的思維意識和能力，提升科學思維的系統(tǒng)性.

教學片段3：

教師提問：

(1)通過剛才的實驗探究和理論推導，請同學總結(jié)一下這種裝置的形成方式？

(2)這種裝置的力學特點是怎樣的？

學生回答：

(1)這種裝置由繩跨過滑輪或繩子上掛一光滑的掛鉤而形成，如圖5所示.

圖5 “活結(jié)”結(jié)構(gòu)圖

(2)滑輪兩邊的繩子的力相等，繩子與豎直方向的夾角相等，也就是說兩邊細繩的合力一定在角平分線上.

教師歸納總結(jié)：

這種裝置可以看成繩子間的一種光滑連接，可以理解為把繩子分成兩段，且可以沿繩子移動的結(jié)點，物理上稱之為“活結(jié)”，雖然繩子因活結(jié)而彎曲，但實際上是同一根繩子，所以結(jié)的兩邊同一繩上的張力相等.

教師隨之拿出另一種裝置，如圖6所示，用相同的方式演示動端上下、左右移動時，繩子上張力的變化，以及兩邊細繩與豎直方向的夾角變化，如圖7所示.

圖6 “死結(jié)”裝置圖

(a)θ左=90°，θ右=60°

(b)θ左=60°，θ右=60°

(c)θ左=60°，θ右=30°

教師提問：通過觀察現(xiàn)象，說明裝置的形成方式以及概括裝置的力學特點.

學生回答：繩子打“結(jié)”后系在某點而形成，“結(jié)點”兩邊繩子的力不一定相等，與豎直方向的夾角也不一定相等.

師生共同總結(jié)：

這種裝置可以看成繩子間的一種固定連接，可以理解為把繩子分成兩段，且不可以沿繩子移動的結(jié)點，物理上稱之為“死結(jié)”，由于兩側(cè)的繩子因打結(jié)而變成兩根獨立的繩子，所以結(jié)的兩邊繩子上的張力不一定相等.

點評：物理事物和現(xiàn)象是豐富生動的，是本質(zhì)特征與非本質(zhì)特征的綜合體，由于外顯的非本質(zhì)特征常常阻礙學生對本質(zhì)特征的認識，通過教師引導，學生思考總結(jié)，從現(xiàn)實具體的事物中抽象概括出本質(zhì)，并通過對比順應(yīng)引出相對應(yīng)的另一種模型，在建模的過程中，有助于學生形成對科學事物立體的、完整的認識，思維的系統(tǒng)性得到了進一步提升.

2.4 基于“探究過程回顧”的質(zhì)疑創(chuàng)新引導策略

質(zhì)疑創(chuàng)新的核心是科學創(chuàng)造力，從物理學習和活動的角度來看主要是觀察與實驗，物理問題的提出、解決以及物理創(chuàng)造等方面[2]，通過回顧探究過程，審視其中的細節(jié)，重新發(fā)現(xiàn)問題，提出改進方式，有助于幫助學生提高大膽質(zhì)疑的思維能力，多角度思考問題，提升科學思維的創(chuàng)造性.

教學片段4：

教師提問：通過實驗探究、理論推導和模型構(gòu)建，在這個過程中，已經(jīng)全面地認識了晾衣架這個裝置，利用裝置測量了一些數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)確實證實了我們之前的部分猜測，那么這些數(shù)據(jù)的可靠性如何，大家是否考慮過？

學生回答：通過理論推導，知道了所掛重物的重力與兩側(cè)繩子張力的關(guān)系，只要通過重力就可測算出兩側(cè)繩子張力的理論值，比較理論值和測量值的差異就可知繩子張力數(shù)據(jù)的可靠性了.

活動：分小組研究.

小組3：利用傳感器所測拉力為F傳感，利用共點力平衡G=2F理論cosθ，求得的拉力為F理論，數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 小組3實驗數(shù)據(jù)

結(jié)論：測量值F傳感均小于理論值F理論，且θ測量越小，相對誤差越大.

教師提問：為什么會出現(xiàn)這種情況？是力傳感器測量問題？還是其他問題？

學生討論分析：

傳感器測量是很準確的，不應(yīng)該有測量問題，理論值是按照所測量的角度計算所得，角度測量可能有問題.

教師提問：角度測量的問題受到測量角度的儀器設(shè)計以及測量者的讀數(shù)兩方面原因影響，那么這里影響角度測量的主要因素是什么呢？

學生思考分析：

按表格所示的結(jié)果看，測量值F傳感均小于理論值F理論，應(yīng)該是系統(tǒng)誤差，若是偶然誤差，測量值不會出現(xiàn)一致性的偏小問題.

教師：請大家思考系統(tǒng)誤差是怎么形成的呢？研究一下角度測量的裝置，如圖8所示.

(a)

(b)

(c)

學生分小組觀察、思考、討論.(教師巡視引導)

小組4：兩細繩延長線的交點應(yīng)該是角度測量裝置的中心，但是由于隨著角度的改變，這個交點是在上下移動的，而角度測量裝置的中心是固定的，在這個裝置上，動滑輪的底端與角度測量裝置的中心重合，所以只有θ=90°時，測量值才與真實值相等，其他角度下，測量值均大于真實值，也就是θ測量是偏大的，導致F理論偏大.

教師幾何畫板動態(tài)演示，如圖9所示，肯定學生的研究結(jié)論，并引導學生發(fā)現(xiàn)，在角度較小的情況下，誤差是相對較大的，隨著角度的增大，誤差會越來越小.

(a)

(b)

運用幾何畫板的角度測量功能，找出測量值與真實值得對應(yīng)關(guān)系，如圖10所示，并在表6中修正測量值.實驗裝置滑輪半徑是0.64 cm.

圖10 數(shù)據(jù)對照圖

表6 修正測量值

教師歸納：對比修正前和修正后的表中數(shù)據(jù)，修正了理論值之后，傳感器測量的數(shù)據(jù)確實是真實可靠的，角度的測量由于裝置設(shè)計問題，確實存在誤差，但是之前的問題探究恰好是左右兩側(cè)角度對稱，所以雖然測量值有一定的誤差，但是不影響數(shù)據(jù)的比較，探究的定性結(jié)論科學性沒有問題.

教師提問：可不可以改進裝置，讓角度測量的誤差減小呢？

學生回答：讓動滑輪半徑減小，若是一個質(zhì)點，兩細繩延長線的交點就和角度測量裝置的中心在任何角度下都是完全重合，那么角度測量值與真實值也就重合了.

教師對學生的想法表示肯定，再次通過幾何畫板動態(tài)演示，如圖11所示，在減小動滑輪半徑的情況下，測量值與真實值確實逐漸接近，當動滑輪半徑趨向于零時，測量值與真實值完全重合.

圖11 半徑變化圖

學生建議：在實際的裝置中，不可能讓動滑輪半徑趨向于零，讓幾何畫板配合裝置，就能修正角度測量值，就算動滑輪半徑再大一點，也是可以實現(xiàn)較為準確的測量的.

教師總結(jié)：隨著時代的發(fā)展，可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)全面輔助傳統(tǒng)實驗裝置，讓實驗測量更加完美.

點評：通過“教師引導啟發(fā)—回顧研究過程—質(zhì)疑實驗數(shù)據(jù)—發(fā)現(xiàn)深層問題—討論本質(zhì)原因—提出創(chuàng)新建議”這樣一種模式，讓學生多角度、全方位、深層次地思考問題，從而創(chuàng)造性地提出自己的建議，去改善原有的裝置結(jié)構(gòu)或測量方式，有利于學生創(chuàng)造性思維的提升.

3 反思與感悟

以“科學探究”為教學主線的“科學思維”素養(yǎng)提升策略的實施應(yīng)關(guān)注以下3個關(guān)鍵方面.

3.1 以學生“已有的知識和經(jīng)驗”為教學起點

任何形式的思維提升都建立在原有思維能力的基礎(chǔ)之上，通過制造與學生經(jīng)歷相關(guān)的情境，才能觸及思維的最近發(fā)展區(qū)，幫助學生融入課堂思考，為科學思維的提升創(chuàng)造條件.

3.2 以學生“參與有效的探究活動”為教學時空

思維活動的外在表現(xiàn)就是實踐探究活動，通過教師為主導的探究式教學，讓課堂以學生的學習為中心，在學生參與有效的探究活動中[3]，發(fā)展思維的敏感性、嚴密性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性等，為科學思維的提升奠定基礎(chǔ).

3.3 以學生“科學思維素養(yǎng)的落實”為教學根本

教學本身是一項高度個性化和創(chuàng)造性的活動[3]，課堂教學的形式可以變化，但是必須有一定的原則，那就是必須以科學思維素養(yǎng)的落實為根本，教師可以在這個大前提下進行自由發(fā)揮，盡其所能，為科學思維的提升提供保障.

總之，在教學實施的過程中，應(yīng)讓學生成為課堂的主體，教師全力輔助學生投入到課堂的思考中去，實現(xiàn)以提升科學思維為根本的物理課堂教學.