基于科學思維培養的深度學習研究

文∣孫國標 楊麗芬

一、概念厘定

物理學科核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”四個維度。科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方法；是基于經驗事實構建理想模型的抽象概括過程；是分析綜合和科學推理等方法的內化；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。科學思維主要包括模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新。

所謂深度學習，就是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義學習過程。在這個過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質及思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會情感、積極的態度、正確的價值觀，成為既具獨立性、批判性、創造性又有合作精神、基礎扎實的優秀學習者，成為未來社會歷史實踐的主人。

二、案例研究

下面就從一道賽題的剖析談科學思維培養的深度學習。

【題目】(第30屆全國中學生物理競賽預賽第17題)如圖1所示，以質量為m、半徑為R的由絕緣材料制成的薄球殼，均勻帶正電，電荷量為Q，球殼下面有與球殼固連的底座，底座靜止在光滑的水平面上。球殼內部有一勁度系數為η的輕彈簧(質量不計)，彈簧始終處于水平位置，其一端與球殼內壁固連，另一端恰好位于球心處，球殼上開有一個小孔C，小孔位于過球心的水平線上。在此水平線上離球殼很遠的O處有一質量也為m、電荷量也為Q的帶正電的點電荷P，它以足夠大的初速度v0沿水平的OC方向開始運動。并知P能通過小孔C進入球殼內，不考慮重力和底座的影響，已知靜電力常量為k，求P剛進入C孔到出來所經歷的時間。

圖1

(一)模型構建的深度學習培養學生的科學思維

物理模型是人們對物理研究對象及其過程的抽象概括，是認識物理問題所形成的心理圖式的外在表達。模型構建是培養學生科學思維的重要途徑。依據研究問題的性質，物理模型可分為對象模型、過程模型和條件模型。

筆者認為從物理情境到模型構建的思維培養過程可以用圖2來表示，以賽題為例剖析說明。

圖2

1.對象模型

對象模型是根據研究的對象，抓住主要、本質因素，將物質自身形態理想化，從而建立起能夠反映研究對象主要特征的模型。根據題中描述，引導學生構建對象模型，具體見表1。

表1 對象模型

2.條件模型

條件模型是對實際問題的某些條件理想化、抽象后形成的，作用是使問題得以簡化。根據題中描述，引導學生構建條件模型，具體見表2。

表2 條件模型

3.過程模型

例如：在學習《爸爸的花兒落了》一課時，文章采用了插敘以及伏筆等方面的寫作方法和技巧。教師在教授完課程內容后，適時布置寫作方面的作業。讓學生運用學過的寫作技巧創作一篇《父愛如山》的文章。使其將學習到的技能運用到寫作中，加強和穩固語文基礎，實現閱讀教學的積極開展。

過程模型是在對象模型和條件模型建立的基礎上，結合物理規律揭示事物運動、變化的本質。根據題中描述，教師引導學生構建過程模型，具體見表3。

表3 過程模型

(二)科學推理的深度學習培養學生的科學思維

科學推理是一種能從定性和定量兩個方面進行推理、找出規律、形成結論，具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力。從邏輯的角度分析，科學推理可分為歸納推理、演繹推理和類比推理。

歸納推理是由特殊、個別的判斷推出一般、普遍判斷的思維方式；演繹推理是由一般、普遍的判斷推出特殊、個別判斷的思維方式；類比推理是從某個特殊、個別判斷推出特殊、個別結論的一種思維方式。

模型求解主要靠科學推理，筆者認為科學推理中思維培養過程可以用圖3表示，下面就以賽題為例剖析說明,教學設計是基于已有認知基礎，問題導引，任務驅動，啟發學生深度學習，培養學生思維能力，具體見表4。

圖3

表4 科學推理能力的培養

(三)質疑創新的深度化學習培養學生的科學思維

質疑創新是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品質。

在物理教學中，提倡教師方法創新，培養學生敢于質疑、善于反思、樂于創新，在深度學習中形成科學的思維能力。

筆者認為方法創新的教學可以按圖4進行。

圖4

對原有方法進行評價討論，歸納求解的一般策略，同時評價原有方法的優缺點，通過合作交流、優化提煉、思維碰撞，構建新的方法與策略，優化問題解決的途徑。

以賽題為例剖析說明，具體見表5。

表5 質疑創新能力的培養

2.師生互評，發散思維，歸納方法，形成系列問題求解策略

讓學生掌握學習方法比知識更為重要。在平時的教學中，教師應注重培養學生從不同側面、多個角度思考分析問題，嘗試一題多解，質疑創新，從而提升學生的思維品質，培養科學思維能力。

學生在深度討論分析中，探討出了另外的求解策略。

圖6

【解法4】還可以用“折合質量法”求解。

圖7

通過歸納分析可得“兩物體問題”求解的四種方法，從質疑到創新，從個性到共性，從方法到能力提升，培養了學生能從多個角度審視檢驗結論，解決問題具有一定的新穎性，達到了科學思維水平的第5個層次。

三、結束語

科學思維的培養要依靠學習材料的呈現方式， 也取決于學習者的認知加工過程。 教學方式的變革和學習策略的改進是培養科學思維的兩個重要途徑。在教學中，教師注重關注學生已有的認知結構，分析思維障礙，通過設問、導思、質疑等方式幫助學生建立正確的物理模型，掌握科學的推理方法，發散思維，質疑創新，著實提升學生分析問題的科學思維能力。在學習策略中，提倡一題多解、多題一解，創導學生敢于質疑，勇于表達自己的觀點，使科學思維在對話中生成，在交流中重組，在共享中倍增。