指向?qū)W生科學(xué)思維的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)

樊黨娟

摘 要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，落實(shí)初中生科學(xué)思維培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)可放在邏輯思維能力的培養(yǎng)上.筆者通過分析全國(guó)各地區(qū)的部分中考試題，在課堂教學(xué)中以初中物理實(shí)驗(yàn)探究為載體，把分析與綜合、個(gè)別與一般、逆向思維等邏輯思維方法融入物理教學(xué)評(píng)價(jià)中，并對(duì)初中階段的部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合與創(chuàng)新，促進(jìn)學(xué)生的高階思維能力發(fā)展，提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;創(chuàng)新;歸納;演繹

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）16-0012-03

作者簡(jiǎn)介：樊黨娟（1963-），女，寧夏銀川人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

物理學(xué)是一門基于觀察與實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)學(xué)等工具合理建構(gòu)物理模型，并進(jìn)行科學(xué)的假設(shè)、推理和論證，最終形成系統(tǒng)的研究方法和建立完善的理論體系的學(xué)科.科學(xué)思維是從物理學(xué)科的視角出發(fā)，對(duì)自然界客觀事物的內(nèi)在屬性、內(nèi)在規(guī)律認(rèn)識(shí)的一種方式，往往事物之間的關(guān)系定性成為難點(diǎn);科學(xué)思維也是基于生活中的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)通過創(chuàng)新、歸納和演繹合理建構(gòu)物理模型的抽象概括過程.教師對(duì)中學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)尤為重要，培養(yǎng)初中生科學(xué)思維是課堂教學(xué)的重要目標(biāo)之一，其中合理建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法，教師要在教學(xué)中滲透建構(gòu)物理模型的思維方法，讓學(xué)生用物理模型來解決生活中遇到的實(shí)際問題.在學(xué)生科學(xué)探究過程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題，根據(jù)解決問題需要，收集和選擇有用信息，基于證據(jù)和邏輯做出合理解釋，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力.

1 中考試題中物理科學(xué)思維能力的考查

在物理中考試卷中，題目的命制不是為培養(yǎng)學(xué)生解題技巧，而是通過生活中常見情境引發(fā)學(xué)生思考.教師創(chuàng)設(shè)合理情景可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)題干中的問題，促使學(xué)生在解題過程中全面分析、體驗(yàn)物理情境，在短時(shí)間內(nèi)抽象出物理規(guī)律，通過在大腦中建構(gòu)物理模型，培養(yǎng)學(xué)生從定性分析到定量研究問題的物理思維.筆者發(fā)現(xiàn)各省市部分中考試題綜合性強(qiáng)，循序漸進(jìn)，通過遞進(jìn)設(shè)問讓學(xué)生思維能力不斷進(jìn)階，最終基于數(shù)據(jù)分析和邏輯培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.其中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的形成起到至關(guān)重要作用.物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)客觀事物內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)屬性，學(xué)生在探究過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，引起學(xué)生質(zhì)疑，利用小組合作的優(yōu)勢(shì)培養(yǎng)學(xué)生推理論證能力、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，從而內(nèi)化其創(chuàng)造性能力促進(jìn)科學(xué)思維的形成.

2 體現(xiàn)物理科學(xué)思維能力的實(shí)例分析

在初三中考一輪復(fù)習(xí)過程中，筆者查閱了近幾年全國(guó)各省市中考試題，對(duì)部分能體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)的試題進(jìn)行篩選，并對(duì)物理科學(xué)思維的形成過程進(jìn)行探究.下面以基于物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置解決生活中實(shí)際問題為例，淺談學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng).

2.1 拋“磚”引“玉”，從個(gè)別到一般的歸納思維

歸納推理是從個(gè)別到一般，從具體問題中抽象概括出普遍結(jié)論的推理，在初中階段，學(xué)生思維能力較弱，教師要引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)別到一般尋找物理規(guī)律，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力.比如在初中物理教材“透鏡”一節(jié)，教師通過實(shí)驗(yàn)探究得到透鏡對(duì)光的作用.為了拓展延伸，教師給出透鏡三種特殊入射光線，即：平行于主光軸的入射光線、過光心的入射光線、過焦點(diǎn)的入射光線，以凸透鏡為例，它們的折射光線分別是過焦點(diǎn)、方向不變、平行于主光軸，如圖1所示.

如果考查透鏡對(duì)一般光線的作用（特殊光線以外），學(xué)生往往會(huì)形成定向思維，無法跳出舊的思維模式，面對(duì)新的情境無所適從.如圖2所示，根據(jù)不同入射光線通過透鏡后折射光線的方向，在虛線框里填入適當(dāng)透鏡.學(xué)生拿到試題，首先會(huì)想到凸透鏡對(duì)光具有會(huì)聚作用，凹透鏡對(duì)光具有發(fā)散作用.學(xué)生會(huì)根據(jù)前概念得出錯(cuò)誤結(jié)論：即甲透鏡為凹透鏡，乙透鏡為凸透鏡.因此需要從透鏡對(duì)個(gè)別特殊光線的作用到對(duì)一般光線的作用過渡，學(xué)生在歸納基礎(chǔ)上還要進(jìn)行科學(xué)拓展，不然就會(huì)陷入錯(cuò)誤的理解區(qū)域.

如果沒有透鏡，光線將在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，如圖3中虛線所示.虛線框中放入甲透鏡后，通過與原來的直線傳播方向比較，明顯可以看到光線向內(nèi)側(cè)發(fā)生偏折， 因此甲透鏡對(duì)光具有會(huì)聚作用，為凸透鏡;同理乙透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，為凹透鏡.這種從個(gè)別到一般的歸納課程設(shè)計(jì)，符合中學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的認(rèn)知規(guī)律，而且教師循序漸進(jìn)地引導(dǎo)可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.教師在講授透鏡對(duì)光線的作用時(shí)，應(yīng)該先講解個(gè)別情況，讓學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)觀察不同透鏡對(duì)特殊光線的作用，再拓展到一般情況，對(duì)所有情況進(jìn)行歸納總結(jié)，在腦海中構(gòu)建一個(gè)完整的知識(shí)體系.

2.2 另辟蹊徑，學(xué)生逆向思維的考查

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由于習(xí)慣于正向思維，受自我認(rèn)知的束縛，不能擺脫原有認(rèn)知體系，因此常常缺乏分析問題能力.筆者認(rèn)為在物理教學(xué)中有意識(shí)地加強(qiáng)對(duì)學(xué)生逆向思維訓(xùn)練，對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力具有很大幫助.

如圖4所示，在甲圖中用溫度計(jì)測(cè)量液體溫度.溫度計(jì)利用液體熱脹冷縮的原理，其玻璃泡受熱膨脹，內(nèi)部水銀柱就會(huì)上升，最終顯示溫度的高低.學(xué)生在掌握溫度計(jì)使用方法后，能快速地讀數(shù)確定某時(shí)刻液體的溫度.筆者在初三復(fù)習(xí)課中用到了乙圖中的溫度計(jì)，學(xué)生拿到試題無所適從，由于思維定勢(shì)，不知道如何去測(cè)量物體溫度.圖乙中玻璃管液柱上方有部分空氣，利用空氣中玻璃泡測(cè)量氣體溫度，首先學(xué)生遇到的第一個(gè)問題，玻璃泡中沒有液體怎么熱脹冷縮？因此教師要打破學(xué)生思維定勢(shì)，空氣也可以熱脹冷縮.接著就會(huì)有兩種情況：其一是當(dāng)玻璃泡外界大氣壓不變時(shí)，當(dāng)外界氣體溫度升高時(shí)，玻璃泡內(nèi)部氣體受熱膨脹，液柱下降，圖乙中B點(diǎn)的溫度高于A點(diǎn)溫度;其二是當(dāng)被測(cè)溫度不變時(shí)，如果外界大氣壓減小，玻璃泡內(nèi)部氣壓大于外界氣壓，在內(nèi)部氣壓作用下，玻璃管中液注也會(huì)下降.因此，教師有意識(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行逆向思維訓(xùn)練，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，而且可以培養(yǎng)他們創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)思維和質(zhì)疑習(xí)慣.

2.3 標(biāo)新立異，從一般到個(gè)別的演繹思維

在歷年中考試題中，傳感器的使用、儀表的改裝居多.大多數(shù)試題使用電壓表或電流表來定性地判斷力的變化情況，進(jìn)而揭示力傳感器的工作原理.在中考一輪復(fù)習(xí)中為學(xué)生精選一些試題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

情景1 如圖5所示，甲是電子秤的原理圖.Rx為壓力傳感器，它的特性是Rx的阻值隨壓力的變化而變化，其具體變化關(guān)系如圖乙所示，壓力傳感器表面有壓力承載范圍限制，壓桿與壓力傳感器的接觸面積一定，其中托盤的質(zhì)量、壓桿的質(zhì)量可以忽略不計(jì).眾所周知，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，電子秤的出現(xiàn)給人們的生活帶來了便利，直觀快捷.電子秤的工作電路中結(jié)合壓力傳感器和歐姆定律相關(guān)知識(shí).其原理是：壓力表是由電流表改裝而成，將壓力變化轉(zhuǎn)換為電流表的示數(shù)變化.從圖乙中可以看到壓力傳感器的阻值隨壓力值呈非線性變化.從甲圖中定性分析可以得出結(jié)論：當(dāng)壓力增大時(shí)，其阻值減小，電路中電流增大，電流表示數(shù)變化和壓力大小之間呈正相關(guān).學(xué)生通過電路分析得到壓力變化與電流表示數(shù)的定性關(guān)系，此過程考查學(xué)生的邏輯思維和物理觀念.

教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)追問：我們只是定性地知道壓力與電流表示數(shù)的關(guān)系，但是壓力大小和電流表示數(shù)之間到底存在怎樣的關(guān)系？進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的思考.教師給出另一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示，讓學(xué)生通過小組探究首先分析物理模型，建構(gòu)合理的表達(dá)式來定量計(jì)算儀表示數(shù)和力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力.

情景2（中考題改編） 如圖6所示，在物理實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生受到電子秤原理的啟發(fā)，通過小組合作，探究設(shè)計(jì)了一款壓力表.學(xué)生通過小組合作、交流得到了電壓表示數(shù)U與托盤所受壓力F的解析式.

學(xué)生分析：如圖6所示，設(shè)滑片移動(dòng)時(shí)，電壓表所測(cè)得電壓值隨著滑片的移動(dòng)而改變，電壓表示數(shù)表征了電阻值為R′時(shí)其兩端的電壓值，其中R′大小與滑動(dòng)變阻器長(zhǎng)度有關(guān)，設(shè)總長(zhǎng)度為l.壓力為F時(shí)彈簧壓縮量為x.

根據(jù)胡克定律可知：F=kx①

當(dāng)P恰好位于R的最下端時(shí)托盤所受壓力為F2.此時(shí)：F2=kl②

由①②得到：F=xlF2 ③

圖6中電壓表的示數(shù)U=ER+R0R′④

通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，如果不考慮電阻受到的溫度影響，當(dāng)導(dǎo)體的材料、橫截面積一定時(shí)，導(dǎo)體的電阻值與導(dǎo)體的長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系.因此，長(zhǎng)度為l時(shí)，導(dǎo)體的電阻為R，長(zhǎng)度為任意值x時(shí)，導(dǎo)體的電阻值為R′=xlR⑤

由③④⑤得：U=ER+R0·RF2F.

通過上述推導(dǎo)得到了電壓表示數(shù)和壓力值之間的關(guān)系式，學(xué)生可以把抽象的壓力變化轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系式，從定性到定量，一方面符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律;另一方面通過建模、從一般到個(gè)別的演繹得到普遍規(guī)律，學(xué)生通過參與學(xué)習(xí)的過程可以促進(jìn)其科學(xué)思維的形成，促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展.

總之，在物理教學(xué)中，教師首先要借助問卷前測(cè)、引導(dǎo)式提問等環(huán)節(jié)了解學(xué)生已有認(rèn)知水平和能力水平.然后基于學(xué)生已有知識(shí)框架，以突破學(xué)生的思維障礙為目標(biāo)設(shè)計(jì)課程，利用由個(gè)別到一般的歸納思維、學(xué)生逆向思維培養(yǎng)、從一般到個(gè)別的演繹思維對(duì)初中物理知識(shí)中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，打破學(xué)生原有認(rèn)知觀念，通過科學(xué)建模、質(zhì)疑、科學(xué)推理促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)思維的形成，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2021-04-21）