巧用典型實例培養科學思維能力

沈溢男

(福建省詔安第一中學 363500)

高中物理是一門比較抽象難學的學科，要想提高物理教學的有效性，就要提高學生的科學思維能力.科學思維能力的提高不僅能幫助學生更好地理解高中物理中的抽象問題，也能有效提高學生解題能力.

觀察、實驗與科學思維相結合，是物理學科的基本特征.科學思維是具有意識的人腦對科學事物(包括科學對象、科學現象、科學過程、科學事實等)的本質屬性、內在規律及事物之間的相互聯系和關系的間接與概括的反映，是物理學科核心素養的核心內容.模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新是構成科學思維的主要成分.在教學設計中，教師應當不失時機地創設情境培養科學思維能力.在與學生的交流過程當中，教師也莫要局限于解題方面的問題，對于學生提出的物理知識相關疑問，要以科學的態度引領學生探究問題、認識事物本質規律.筆者結合自己的工作經驗淺談高中物理教學中幾個有助培養科學思維能力的實例.

魯科版高中物理必修1《重力與重心》一節中的“重心與穩定”是一個與實際生活聯系比較緊密的知識點.筆者認為這個內容不僅應當講清物理原理，也應當分析好實際案例，更應當解答好學生提出的疑問.重心是一個以等效思維為基礎的概念：研究重力對物體作用效果時，把物體各部分受到的重力視為集中作用在某一點，這個點就是重心.首先要強調等效性.當力作用在一個實體結構的物體上時，力是分布在整個體積中的，而非一個點.但是為更好的量化研究力，我們提出重心這個抽象概念：力被認為集中在這個點上.當力集中在這個點上時的效果和實際的效果一致.其次，從以上分析可知，重心的選擇不是任意的.質量分布均勻的物體，重心在幾何中心；質量分布不均勻的物體，重心不僅與物體形狀有關，也與質量分布有關.再進一步向學生發問：我們是否可以改變重心位置？答案是肯定的.在這個一問一答中，學生對重心的認識從初中物理解題過程中的“找幾何中心”上升到一個更準確的認知水平，同時深刻認識等效思維在物理研究中的意義.以上抽象理論如何形象化是這個教學環節需要攻破的一個難點.教師請學生以填充的方式改變不倒翁實驗套件的重心.在學生活動環節后，展示出幾個不同的結果.在展示過程中，哪個套件是不倒翁，哪個不倒翁最穩定，一目了然.我們引導學生分析這些套件里填充物和填充方式的差異，可以總結：重心越低，物體越穩定.在抽象理論、形象案例、實踐操作、比較分析、概括總結后，教師組織學生閱讀討論教材中“古代汲水瓶”.以上探索的是關于重心高低如何影響穩定性大小的問題.在教材中，還有一段探討物體是否能穩定的內容.以磚塊的穩定與傾倒為例，得出一個結論：重力作用線落在它的支持面內時，物體穩定；重力作用線落在支持面外時傾倒.這里出現了一個新的用詞“支持面”.學生在以往的物理學習過程中經常接觸的是“接觸面”.這兩個用語是否有區別呢?有，而且必須和學生闡述、區分清楚.支持面是接觸點連線所圍起來的平面，而接觸面是接觸點的聚合.一張四腳椅子與地面的接觸面是四個椅腿的橫截面；支持面是這四個椅腳連線圍起來的平面.如果教師在解讀教材或者教學過程中沒有注意這個細節，就會給學生帶來錯誤的認識.抽象性與形象性的統一是科學思維的特征之一，在抽象概念、抽象模型的認識過程中，詳盡的案例分析、有意義的實踐操作、對學生疑惑的關注是推進教學過程、培養科學思維能力的有益要素.

學生觀察工地上的塔吊，應用重心與穩定的相關科學理論推理知：塔吊在工作時的整體重力作用線過底座支持面.同時也產生了疑問：應用初中學習的杠桿原理分析，塔吊空載時，不改變配重塊就難以平衡；然而事實是塔吊空載和滿載時用的是同一個配重塊.這是一個與生產聯系緊密但很少出現在高中習題中的質疑.這是不是一個有意義的質疑呢？我認為是：應用原來掌握的科學理論分析問題發現了矛盾.這可能是對原有認知再升級的一次機會，也可能是創新創造的萌芽.對于有意義的質疑，教師應當給予重視；對于提出有意義質疑的學生，教師應當在指導的同時給予思考的空間.教師讓學生說一說他的推理過程：配重塊的重力力矩與載重的重力力矩相等是平衡的條件，其中支點在塔身上的駕駛室位置.這個物理模型是初中經典的模型.而塔吊可以應用這個模型嗎？首先，塔吊自身的重不可忽略；其次，我們假設塔吊傾倒，發現塔吊在空載時臨界平衡的支點與塔吊滿載時臨界平衡的支點不是同一點；再者，塔吊本身(不包括貨物和配重塊)的重心是在塔身之外的.在這樣的糾正性分析過程中，學生發現原先邏輯上不周全的細節，然后重新應用杠桿原理分析.在沒有準確數據和精準測量的情況下，學生力不從心，這是高一學生從初中物理過渡到高中物理遇到的煩惱之一.教師鼓勵并指導學生應用恰當的符號表達物理量，構建物理模型，推理論證.最后學生得到結論：當配重塊的重在一定范圍內時，塔吊在滿載和空載時都不會傾倒；也可以說，不同的滿載值對應著不同的配重塊標準范圍.在高中教學環節中，學生這個關于杠桿原理的質疑看似與高中物理關聯不大.但是這個質疑可貴的是學生質疑和思考這個行為.教師通過這個指導和解疑所達到的效果是：讓學生重新認識杠桿原理；完善學生的邏輯思維、提高學生的論證能力；勇于在沒有數據的情況構建數學模型解答物理問題.科學思維是從物理學視角客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法的內化，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質.

近年來人工智能受到高度關注和重視，人工智能機器人走進校園社團和工作室.人們從對機器人的幻想與憧憬到真正使用人工智能產品，只經歷了短短幾十年.很多人工智能產品的消費者認為這僅僅是IT行業的發展結果.然而，每項技術都具有綜合性——涉及多個學科.人工智能的關鍵是感覺器官——傳感器系統，這是一個把其它物理信號轉化為電信號的裝置.傳感器的簡單使用是高考大綱的一個電學實驗.在魯科版物理選修3-2中，有一個設計制作簡易溫度報警器的實驗.在實際的教學過程中，這部分內容由于各種原因受重視程度有待提高.在人工智能飛速發展的大環境下，近幾年的高考實驗題中頻頻出現傳感器裝置.筆者認為我們應當重視這個教學內容.科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新.質疑創新的核心是科學創造力，高中生的科學創造力主要表現在觀察與實驗、物理知識的學習、物理問題的提出、物理問題的解決、物理創造活動等方面.學生通過理論學習能夠認識到：傳感器是一類有各種各樣功能的電學裝置；而要在高考實驗題中靈活且恰當地應用傳感器設計電路就需要切身體驗.筆者在該教學環節中，設計分組實驗.實驗操作前，教師展示電磁繼電器，結合多媒體投影介紹繼電器的工作原理和功能.教材中列出以下器材：電磁繼電器、電鈴、小燈泡、熱敏電阻、干電池、滑動變阻器、開關.在設計和操作過程中，學生發現電鈴(或燈泡)和熱敏電阻皆需要一個電源.這是實踐操作的效果：從理論到實踐上理解繼電器的工作原理.學生通過調節滑動變阻器得到理想的結果：電吹風吹熱風時電鈴響起；散熱后，電鈴不響.當我們換另一檔熱風時，需要重新調節滑動變阻器才能達到這個效果.分析總結：在不同的溫度下，熱敏電阻表現出不同的電阻，因此在不同溫度下，需串聯不同的阻值才能形成等量電流，以達到相同的感應效果.人工智能產品中傳感器皆是此類電路的集合，人們正在享用的傳感器多是調試了可變電阻后的產品.在這樣的實驗過程以后，學生對傳感器的認識才從抽象發展為具體化，在創新設計或是高考的實驗題中才能應用自如.

在高中物理教學過程中，有許許多多培養學生科學思維能力的教學環節和契機.教師不僅要充分解讀教材并做教學設計，也要關注學生的質疑，更要與時俱進、給學生發揮創造潛能的平臺.