高中物理“科學思維”培養的策略

王峰 徐慧

【關鍵詞】科學思維;高中物理;培養策略

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2021）54-0110-05

【作者簡介】1.王峰，南京師范大學附屬中學（南京，210003）教師，高級教師;2.徐慧，南京師范大學附屬中學（南京，210003）教師，一級教師。

科學思維是學生在學習物理的過程中形成的關鍵能力，是物理新課程核心素養的重要內容，無論是學生進行科學探究活動，還是物理觀念和科學態度與責任的形成，都需要科學思維的支撐，因此科學思維水平的高低會顯著影響其他物理核心素養水平的高低。

《普通高中物理課程標準（2017年版）解讀》一書中指出：高中階段的學習，要發展學生的科學思維，需要從四個方面進行教學設計和實施：（1）培養學生建構模型的意識和能力;（2）讓學生能正確運用科學思維方法，從多個方面進行科學推理、論證物理現象;（3）提升學生使用科學證據的意識和評估科學證據的能力;（4）培養學生的批判性思維，讓他們能基于證據大膽質疑，并能基于各類平臺勇于創新。

一、模型建構意識的培養

因為有些物理問題的原理、情景、過程和方法常常相似或一致，由此可將其歸納為物理模型（高中常見物理模型如圖1所示），掌握好這些模型可以使學生對問題的理解更深刻、模型建構更順利、分析思路更清晰、解題過程更高效，而這些效果又進一步強化了學生對模型的融會貫通，提升學生的物理學習品質。以上邏輯關系可以用“因果關系羅盤圖”（見下頁圖2）進行展示。因此，在物理學習過程中培養學生遇到問題時養成“憶模”“建模”“析模”“用模”的意識和習慣是十分有價值的。

在平時教學過程中，教師要善于引導學生對典型問題進行歸納整理，從原理、情景、過程和方法等多個維度進行分析推演，充分理解和內化模型，在解決一些問題的時候要適時進行模型回顧比較，讓學生解決物理問題時養成回顧模型的意識和習慣。

當然對物理模型也要辯證地看待：（1） 并非每個問題都要建模，不少問題的分析過程沒有模型依據;（2）模型通常是有條件的，不能隨意套用;（3）模型不宜過多過細，否則會增加學習負擔;（4）有些復雜的問題，需要多模型組合分析。

二、科學推理能力的提升

“科學推理”常指依據科學原理和規律進行邏輯推理的過程，科學推理過程重視科學性和嚴謹性。邏輯推理一般包括演繹推理和歸納推理，物理教學過程中要充分用好各類素材，運用合理設問、分步引導、猜想論證等方式，引導學生進行科學、嚴謹地推理，讓學生在層層推進、環環相扣的學習過程中，提升科學推理的能力和水平。

在教授新的物理概念時，要鼓勵學生采用多種思路進行科學推理。例如在“向心加速度”的教學中，用兩種方法：一是依據牛頓第二定律確定加速度;二是依據加速度的定義確定加速度。再對比人教版新舊教材發現，舊教材是先講向心加速度再講向心力，而新教材則是先講向心力再講向心加速度，與這兩種方法吻合，說明這兩種思路都有價值和意義。

在教授新的物理規律時，要引導學生依據理論和實驗相結合的方式進行科學推理。可以采取“猜想—設計實驗—實驗現象—總結結論”“觀察實驗—發現問題—總結歸納—得到理論”或者“已知理論—設計實驗—觀察現象—驗證結論”等方式，不同的方式會運用到不同的邏輯推理，經過長時間的教學，會促進學生不同類別的推理能力的提升。例如“機械能守恒定律”在舊版教材中是驗證性實驗，在新教材中改為探究性實驗，鼓勵學生探究未知事物和規律，并給學生提供科學推理的思路。

在綜合應用物理規律時，既要學生形成科學推理的思維模式，又要讓學生形成大膽質疑，打破思維定勢，不斷創新的能力。例如，在“機械能守恒定律綜合應用”的教學中，要善于設置層階式的問題：單個物體的機械能守恒→多個物體的系統機械能守恒→單個物體和外界有能量交換→多個物體與外界有能量交換……在分析推理的過程中讓學生感受到“既守恒”又“不守恒”的辯證關系，“守恒定律”要“靈活、拓展、創新”地使用，由此切實地提升學生科學推理的能力水平。

三、科學論證意識的養成

物理學中許多結論的得出都要進行科學論證，一般從理論和實驗兩方面進行。歷史上許多物理學家進行科學研究的過程都遵循這樣的規律，抓住這些素材進行教育教學，可以讓學生對科學論證有深刻的認識。當然如果能夠創設情境，讓學生參與到研究的過程中去教學效果更佳。下面以“兩個鐵球同時落地”的物理學史內容為例，展示科學論證意識培養的教學設計嘗試。

1.動力學建模研究——理論研究。

伽利略在比薩斜塔上用實驗證實了“輕重物體應該下落得一樣快”的觀點。然而這件事情可以進一步推敲，在空氣阻力存在的前提下，如果實驗條件發生改變，那么兩個鐵球一定同時落地嗎？

對變阻力過程進行動力學建模（圖3）研究，考慮速度和截面積對阻力的影響，采用控制變量法，比較密度相同、質量不同的球體下落的快慢。

設質量關系為m2=10m1，則截面積關系為S2=[1003S1]，取阻力“f=kSvn”中的n=2（接近實際情況）進行研究，模擬繪制兩個球的“位移-時間”圖像，如圖4所示。

由圖可得：①當高度h=58.4米時（比薩斜塔的高度），兩球下落的時間幾乎相等;②當下落高度h>300m時，落地的時間差別比較明顯（接近0.1s）。因此伽利略的結論必須在高度不太大的條件下才近似成立。

2.改良實驗進行探究——實驗論證。

采用密度很小的塑料泡沫球進行對比研究，因阻力占比較大，所以兩球落地時間明顯有差異，現場請學生來進行實驗驗證，效果明顯（見圖5），其他學生自然信服。

通過互動情景的設置，結合理論推證、實驗驗證等教學環節，讓學生體會科學論證的過程和方法，學生的學習積極性得到了很大程度的激發，課后學生還主動做了幾個拓展性實驗進行研究，可見學生的科學研究熱情和意識被較好地調動起來了。

四、質疑創新素養的形成

宋代理學家朱熹說過： “學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進。”物理教學過程中質疑創新是提升學生學科思維能力的一個重要途徑，其含義是基于物理事實證據和科學推理對不同觀點和結論做出反思和質疑，并進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的品格和能力。它可以打破學生簡單被動的學習方式，激發他們學習的主動性和積極性。

目前中學生的質疑能力現狀不容樂觀，圖6展示了四大原因、四大影響以及相互之間的因果邏輯關聯，由此可見提升學生質疑習慣意識的迫切性。

雖然面對這樣的現狀教師常常會為難，但在新課程教學推進的過程中，筆者努力尋找其中的合理平衡點，兼顧教學任務的高效推進和學生質疑能力的有效提升。主要有以下幾點做法。

1.設置“問題導學”的學習板塊，培養學生質疑的意識。

愛因斯坦說過：“提出一個問題比解決一個問題更有意義。”在教學過程中筆者嘗試在不同類別的內容中設置“問題導學”的學習板塊，引導學生學會質疑，并嘗試自己提問，例如——

①概念類：圓周運動的線速度定義為“[弧長時間]”，那么線速度是矢量嗎？若是，那如何解釋與定義（標量）的矛盾？

②規律類：小燈泡是非線性元件，但它的電阻卻可以用[R=UI]來求解。歐姆定律只適用于線性元件嗎？

③模型類：質點、點電荷、點光源等模型的建立過程有哪些異同？

④實驗類：牛頓第二定律實驗中小車勻速運動可以用眼睛看出來嗎？

⑤器材類：驗電器、靜電計和電壓表的工作原理有何異同？

…………

這些問題既是引發學生對知識內容的思考，也是教學生如何去進行提問，為質疑意識的養成做出鋪墊。

2.規律應用教學中留出必要的提問時間，鼓勵學生大膽地質疑。

物理規律在實際生活的應用過程中會遇到許多條件或情景的影響，而鼓勵學生對這些因素進行質疑，可以激發他們的思維火花。比如在關于“宇宙航行”規律應用課中給學生時間進行提問，學生提出了不少問題：

①若地表衛星發射速度大于第一宇宙速度但小于第二宇宙速度，則衛星會做怎樣的運動？（改變初始條件，運動規律會發生怎樣的變化？）

②物體以第一宇宙速度發射，但速度不沿切線方向發射會如何？（改變初始條件，運動規律會發生怎樣的變化？）

③第二、三宇宙速度是如何推導出來的？（追根究底的思維習慣）

④在地球周圍運動的衛星如何實現相互追及？航天設施如何實現與太空空間站的對接？（回憶運動學中的追及問題，引申到太空追及問題）

…………

問題不斷被提出來，學生的質疑熱情也被激發出來了，這是筆者期望的，但是教師也要適當調控，分類引導，以平衡“教學進度”與“探究深度”的關系。

3.把握物理實驗中的良好契機，引導學生觀察、思考和質疑。

物理是以實驗為基礎的學科，大量物理概念規律都和實驗直接相關，所以做好實驗是物理教學中的必要環節，而在此過程中把握好各種教學契機，可以有效提升學生的問題意識。另外，從2021年開始江蘇高考物理實驗題改為1道題，導致實驗題會更具綜合性和系統化的特征，這也要求實驗教學必須通過多思考、多質疑、多創新等方式拓寬其深度和廣度。

比如在新人教版教材必修三“用傳感器觀察電容器的放電過程”實驗，教材中用電流傳感器檢測電容器放電的過程，教學過程中可以進行多層面、多維度的拓展和質疑，核心問題為：

（1）為什么電流的變化率是減小的，而不是恒定的？（考慮變化趨勢）

（2）充電過程會具有怎樣的變化電流？（不同過程的對比研究）

（3）電容器充、放電時的電壓會如何變化？（電路物理量的延伸考量）

（4）電流和電壓變化的趨勢為什么會相似？（歐姆定律的應用）

（5）電流或電壓與時間的函數關系是什么？（高學力學生的進階問題）

這些問題可以促進學生對電容定義、電流強度定義、歐姆定律有更深的理解，也可以提高學生用數學函數、導數甚至是積分的方法分析物理問題的能力水平。

在物理教學過程中，教師如果能經常引導學生大膽質疑和提問，并充分地交流和研討，那么長期來看，課堂教學的效果必定是非常出色的，學生的思維品質和學習質量的提升也是必然的，學生學習物理的畏難情緒也會逐步消除。

當然，質疑并不是目的，還要創設平臺引導學生在質疑求證后進行創新，限于篇幅，這里暫不展開了。

綜上，對物理這樣一個以實驗為基礎、側重理性思維的學科，科學思維天然應成為它的高權重內容，輔以其他內容的整合，系統化地開展教學研究和實踐是提升教學質量必由之路。當然科學思維的培養過程也要防止陷入誤區，因此，我們要有如下幾點意識：（1）科學思維培養因人、因時、因內容而異，教學時應采取不同教學策略;（2）科學思維的養成過程具有長期性和復雜性，不可急于求成，要循序漸進;（3）科學探究、物理觀念、科學態度與責任等在物理教學的過程中也是十分重要的，不能科學思維“一家獨大”，學生思維品質的提高過程是一個系統化的復雜工程，要各方面的素養協同發展。

小道循技、大道求真，作為物理教師要不斷磨練自己的教學手段、方法和技能，將物理概念規律更科學、合理、智慧的教授給學生，同時更要引導學生學會思考、敢于質疑、勇于創新，達成“青出于藍而勝于藍”的教學實效。

【參考文獻】

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