優化科學思維教學提升物理學科素養

周大慶

摘 要：以魯科版物理《必修1》教學為例，就如何優化科學思維的教學談了三點看法。

關鍵字：必修1物理;模型科學;推理科學;論證和質疑創新

科學思維是根據物理學科的本質特性而形成的關于物理概念與規律的認識方式，是基于經驗事實進行的模型建構，是基于科學事實的分析綜合、抽象概括的邏輯推理方法，是基于科學事實進行科學論證和質疑。因此，科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新。

必修1的教學是初高中銜接的重要環節，充分挖掘并優化必修1教材中的科學思維教學素材、提升學生的物理學科素養、夯實高中物理學習的基礎是必修1教學的關鍵要素。本文以魯科版物理《必修1》教學為例，就如何優化科學思維的教學談幾點看法，供大家參考。

一、恰當進行物理模型建構

模型的建構是在研究問題時把對象進行簡化概括性的描述，即把復雜事物進行簡單的敘述。建模的過程應忽略那些次要因素、關系和過程，將主要因素、關系和過程突出地顯現出來，便于人們觀察、實驗和理論分析。必修1教材中出現的常見物理模型有質點、共點力、光滑、輕桿、勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動等等。

教材中，質點是這樣敘述的：在研究物理問題時，為了研究方便，有時可以忽略物體的大小、形狀等因素，把物體簡化成一個具有質量的點，或者說用一個具有質量的點來代替整個物體。質點的教學就是一個理想化實物模型的構建。

伽利略的理想斜面實驗為牛頓第一定律的建立奠定了堅實的基礎，光滑的物理模型在實驗中起到了至關重要的作用。該實驗的本質就是想象中把實際存在的影響物體運動的摩擦力去掉，抓住實物的本質，忽略次要因素，從而能獲得實驗結論。

在現實生活中，勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動等很少真實存在，但在探究物理問題時，摒棄各種次要因素，抓住主要因素，把過程進行簡化和理想化處理，突出顯現影響事物發展變化的本質、內涵，從而達到認識世界的目的。

因此，建構有效的物理模型可方便解釋或解決問題，教學中應重視對模型構建的培養。

二、合理的進行科學推理

科學推理是邏輯上的歸納、演繹、類比等的推理方法;是分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等的思維方式;是控制變量推理、相關推理、因果推理等的推理形式。學生應能準確理解和應用上述科學思維方法，從定性和定量兩個方向進行科學推理，找出規律、形成結論，并能解釋自然現象和解決實際問題。

伽利略利用理想斜面實驗駁斥了亞里士多德關于力與運動關系的觀點，成功的解釋了力與運動的關系。這種基于實驗事實進行分析、邏輯推理是研究物理問題的重要方法之一。

在探究自由落體運動是否為勻變速直線運動的過程中，也應用了伽利略的科學推理方法。伽利略首先根據勻變速直線運動公式，若a是定值，則也是定值。其次為了解決自由落體下落快難以測量時間的困難，他提出了新的實驗方法。讓小球在斜面的不同位置靜止釋放，必滿足……，而當不斷加大斜面的傾角，對于每一個特定的傾角也滿足是一個定值，即可說明在不同傾角的斜面，物體的運動都是勻變速直線運動。將此結論合理外推至傾角90o（即自由落體）時，也應該是一個定值，最后說明自由落體運動是勻變速直線運動。

伽利略依據科學實驗事實和數學分析，加上合理的邏輯推理是探索自然規律的一種科學方法，愛因斯坦也因此盛贊其為人類思想史上最偉大的成就之一，是物理學真正開端的標志。

“力學單位制”的教學中講到，物理學中的公式在確定了它們數量之間的關系時，也確定了它們單位之間的關系。因此通過單位之間的關系可以確定某些物理量之間的關系，這種從量綱推理得出物理量之間關系的思維方法在物理學的發展史上起著重要的作用。

由平均速度公式得出瞬時速度的概念，由v-t圖像所圍成的面積得出位移，都利用了“通過無限分割、化變為不變”的思想，是極限、微元思想的應用。在合力與分力的教學中，利用了等效替代的思想，在微小形變的彈力教學中利用了放大的科學方法，這些科學思維在未來的物理學習中都是極其重要的。

三、引導科學論證與允許質疑創新

科學論證是應用實驗事實對研究的問題進行描述、解釋和預測，是以實驗事實為依據并對其進行解釋說明，審視別人的觀點后提出自己的新觀點，通過發現問題、提出問題等引發思考，對有矛盾的地方產生質疑，并提出自己的新見解。

平行四邊形定則、共點力的平衡條件、牛頓運動定律都需要學生通過科學實驗進行論證。比如共點力的平衡條件可用如圖1所示的方法驗證得出其結論，在研究作用力和反作用力的大小關系時，可選用粗又硬和細又軟的兩根不同彈簧對拉做實驗，發現細又軟的彈簧形變明顯，而粗又硬的彈簧形變不明顯，但兩彈簧測力計示數相等，也可以借助DIS傳感器（如圖2、3所示）來演示作用力和反作用力等大反向的關系。

科學思維是科學學習與研究的主要內隱性活動方式，它是學習者對物理問題的解釋和解決的關鍵，只有具備科學思維的人才有可能進行有效的科學探究并形成正確的物質觀，才能有效地解決物理問題，體現學生的科學責任與態度。因此在教學中優化科學思維訓練，最終達到提升物理學科核心素養的目的。

參考文獻

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[2]普通高中物理課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

（福建省教育科學“十三五”規劃2018年度立項課題《核心素養背景下推進優質教育資源的城鄉共享及有效應用研究》課題編號：FJJKXB18-219）