基于發(fā)展科學(xué)思維的高中物理課堂教學(xué)

文驊

【摘要】科學(xué)思維是高中物理核心素養(yǎng)之一，作為本輪教育改革的重點(diǎn)，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為高中物理教學(xué)指明了方向，近兩年廣西高考中也體現(xiàn)出對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力的高要求.本文結(jié)合教學(xué)實(shí)際，對(duì)科學(xué)思維的內(nèi)涵以及如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略進(jìn)行探討.

【關(guān)鍵詞】高中物理；核心素養(yǎng)；課堂教學(xué)

1 理解科學(xué)思維的內(nèi)涵

關(guān)于科學(xué)思維，課程標(biāo)準(zhǔn)中提到：模型建構(gòu)的思想，科學(xué)推理、科學(xué)論證等方法，以及質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新等內(nèi)容.怎么理解課標(biāo)中關(guān)于科學(xué)思維的具體內(nèi)涵呢？

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中所指的科學(xué)思維應(yīng)該是所有符合科學(xué)的思維的總稱，重點(diǎn)指物理學(xué)科中常用到的思維方式，如抽象、概括、推理、歸納等，另外我們經(jīng)常用到的如類比、極限、控制變量、比值定義等學(xué)科方法，應(yīng)該也屬于科學(xué)思維的具體表現(xiàn).

在教學(xué)參考用書中可以看到，對(duì)科學(xué)思維的要求較以往更高，例如“能用公式、圖象等方法描述勻變速直線運(yùn)動(dòng)，體會(huì)科學(xué)思維中的抽象方法和物理問(wèn)題研究中的極限方法”等.對(duì)于思維教學(xué)的重要性，如華東師大郅庭瑾教授提到的：人之所以為人，在于人有思維，為思維而教是當(dāng)前教育的重要要求.

2 教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的途徑

心理學(xué)家赤瑞特拉（Treicher）曾做過(guò)兩個(gè)有名的心理實(shí)驗(yàn)：一是人們可以通過(guò)何種渠道來(lái)獲取信息如圖1.另一個(gè)則是關(guān)于人類知識(shí)持久性的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出：利用各種感官的影響獲得的信息量，比單純聽課強(qiáng)得多，并且如果既能聽也能觀察，并利用探究、互動(dòng)等手段，知識(shí)的保持效果會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)課程.

建構(gòu)主義認(rèn)為教師應(yīng)該給孩子提供良好的學(xué)習(xí)氛圍與平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)合理的問(wèn)題情境，引發(fā)他們的認(rèn)知沖突，啟迪他們的積極思考，如此才有利于他們對(duì)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu).

可以這樣講，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律的，也更能突出核心素養(yǎng)教育所要求的課堂應(yīng)該是“思維型課堂”，思維型課堂的一般流程是：創(chuàng)設(shè)情境——提出問(wèn)題——自主探究——交流反思——遷移應(yīng)用.下面談?wù)勅绾卧谶@些流程中更有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

2.1 圍繞問(wèn)題創(chuàng)設(shè)好物理情境

“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”是響應(yīng)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)理念之一，直觀體現(xiàn)在物理考查從簡(jiǎn)單的理想模型更多地面向生活實(shí)際，強(qiáng)調(diào)對(duì)生活中的物理現(xiàn)象、對(duì)創(chuàng)新科技前沿涉及的物理情境問(wèn)題的解決能力，這需要較高的科學(xué)思維能力.

例如 如圖3是2021、2022年廣西高考物理的部分題圖.

其中“旋轉(zhuǎn)鈕扣”“下坡過(guò)減速帶”“中子－質(zhì)子圖象”“高臺(tái)滑雪”無(wú)不來(lái)自真實(shí)的物理情境，因此在日常教學(xué)中要重視圍繞問(wèn)題設(shè)計(jì)好情境.常見(jiàn)的“問(wèn)題情境”就是教師在教學(xué)目標(biāo)的指引下，圍繞問(wèn)題而設(shè)置的學(xué)習(xí)情境，能夠引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析、概括、假設(shè)、歸納等方法去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、啟發(fā)思維.

例如 在學(xué)習(xí)“重力勢(shì)能”這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生第一次接觸“勢(shì)能”的概念，對(duì)于為什么要利用重力做功來(lái)學(xué)習(xí)重力勢(shì)能的認(rèn)識(shí)是模糊的，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象很大程度上是因?yàn)樵谡n堂上輕視了物理情境的引入，沒(méi)有設(shè)計(jì)有層次的問(wèn)題，過(guò)早地過(guò)渡到重力做功和重力勢(shì)能的表達(dá)式，學(xué)生囫圇吞棗，給后面的學(xué)習(xí)帶來(lái)概念理解不清的隱患.

解決辦法是需要厘清功與能的關(guān)系，筆者是這么做的：

第一步，通過(guò)多媒體展示高處落下的物體可以做功的例子（利用圖片或GIF動(dòng)畫），如打樁機(jī)、水庫(kù)泄洪、流星劃過(guò)天際、高樓墜物砸壞東西等.

師 各個(gè)物體在下落的過(guò)程可以做功嗎？怎么證明做了功？

生 可以，如樁柱被打進(jìn)地里面去了……

第二步，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)水力發(fā)電機(jī)的模型（將水瓶舉高，水順著管道流下，沖擊下方的水力發(fā)電機(jī)模型，點(diǎn)亮LED燈），強(qiáng)化物體被舉高后在釋放時(shí)可以做功.

第三步，將水瓶的開關(guān)閉合，水不再流動(dòng).

師 現(xiàn)在的水有沒(méi)有做功？它“能不能”做功？

生 沒(méi)有做功，但它“能夠”做功.

至此，學(xué)生已經(jīng)建立起功和能的關(guān)系，教師在黑板上板書如圖4，強(qiáng)調(diào)有能就“能夠（can）”做功，而做了功就“展示（show）”出物體具有能，從而引導(dǎo)學(xué)生分析得到為什么要通過(guò)計(jì)算重力做功的辦法來(lái)理解重力勢(shì)能.

需要指出的是，創(chuàng)設(shè)情境是圍繞問(wèn)題而展開，情境的創(chuàng)設(shè)是為問(wèn)題而準(zhǔn)備的，而絕不能為了情境而情境，引入一大堆沒(méi)有邏輯關(guān)系的、喧賓奪主的素材，除了熱鬧百無(wú)一益，反而讓學(xué)生思維處于低水平重復(fù)，無(wú)法發(fā)展科學(xué)思維.

2.2 設(shè)計(jì)有層次的探究活動(dòng)

合理的探究過(guò)程也是思維的發(fā)展過(guò)程，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、討論探究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等不同的方式來(lái)達(dá)成知識(shí)構(gòu)建的目標(biāo)，進(jìn)而在這些過(guò)程中發(fā)展科學(xué)思維.

例如 以必修二第六章第4節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”為例，本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生從生活中的實(shí)例中抽象出圓周運(yùn)動(dòng)的模型，進(jìn)而分析其受力特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解釋了火車轉(zhuǎn)彎、車輛過(guò)拱橋、航空器中的失重、離心運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象，其難點(diǎn)在于模型的抽象.對(duì)于汽車過(guò)拱橋這個(gè)典型的教學(xué)片段，我們可以設(shè)計(jì)這樣有層次的探究活動(dòng)：

第一步，多媒體展示汽車過(guò)“搓板路”

師 作為乘客，在坡頂和坡底會(huì)有什么感覺(jué)？

學(xué)生講自己的主觀體驗(yàn).

第二步，實(shí)驗(yàn)，利用如圖5所示的儀器演示小球在坡底和坡頂時(shí)臺(tái)秤示數(shù)的變化（實(shí)驗(yàn)1）.

師 哪個(gè)點(diǎn)受力最大？哪個(gè)點(diǎn)受力最小？

第三步，學(xué)生自主分析最低/高點(diǎn)時(shí)小球的受力情況.

生 受力分析，列出向心力表達(dá)式（模型建構(gòu)、自主探究）.

第四步，重復(fù)試驗(yàn)，小球從不同高度靜止開始下滑，觀察示數(shù)變化（實(shí)驗(yàn)2）.

師 請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)說(shuō)原因.

生 高度不同，導(dǎo)致速度大小不同（推理應(yīng)用，強(qiáng)化第三步的結(jié)論）.

第五步，多媒體展示游樂(lè)場(chǎng)某S型滑梯，游客滑下來(lái)的過(guò)程中，在中間的高點(diǎn)有脫離滑梯的情況（主觀體驗(yàn)）.

師 如何整改以確保游客不會(huì)脫離軌道？

生 降低高度、減小弧度（小組合作，深化探討）.

第六步，將地球看成是一個(gè)大拱橋，給出數(shù)據(jù)計(jì)算第一宇宙速度.

生 受力分析，求出第一宇宙速度（模型建構(gòu)，拓展應(yīng)用）.

類似這樣的一個(gè)有層次的探究過(guò)程，不是簡(jiǎn)單問(wèn)題的堆砌和重復(fù)，學(xué)生通過(guò)觀察、分析、綜合、探討、合作等方式參與學(xué)習(xí)過(guò)程，教學(xué)過(guò)程有思維梯度，這將引導(dǎo)學(xué)生深入思考，充分發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展.教師應(yīng)重視并利用“問(wèn)題”，設(shè)置一系列由淺入深、由表及里、層次遞進(jìn)的問(wèn)題，讓問(wèn)題作為學(xué)生思維發(fā)展的指路人和臺(tái)階，形成有層次的探究活動(dòng)，幫助他們進(jìn)一步地感受、思考、發(fā)展思維.

2.3 增加學(xué)生體驗(yàn)和動(dòng)手創(chuàng)造的機(jī)會(huì)

各個(gè)學(xué)科專業(yè)都有其自洽的邏輯結(jié)構(gòu)和專業(yè)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為物理學(xué)科最明顯的特質(zhì)便是實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手創(chuàng)造.物理學(xué)科將理論知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合，這雖然是教學(xué)中的難點(diǎn)，也能被充分利用而成為教師教學(xué)的有力助手，讓學(xué)生在交流反思和遷移應(yīng)用的過(guò)程中，發(fā)展科學(xué)思維.

例如 學(xué)生在學(xué)習(xí)選擇性必修二第一章的“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力”時(shí)，會(huì)學(xué)習(xí)安培力等概念，教師通過(guò)在課堂上演示通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力的影響因素，讓學(xué)生學(xué)習(xí)安培力的性質(zhì)特點(diǎn).由于停留在“看”的階段，學(xué)生對(duì)于安培力的了解是比較概念化的、不生動(dòng)的，那是一種在課堂上學(xué)習(xí)“別人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)”的感覺(jué).在這里，我設(shè)計(jì)了一個(gè)學(xué)生動(dòng)手小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用一節(jié)干電池、一段銅線、一個(gè)金屬紐扣強(qiáng)磁體，利用安培力制作一個(gè)最簡(jiǎn)單的小電動(dòng)機(jī)（如圖6）.

原理非常簡(jiǎn)單，就是利用線圈的短路電流在磁場(chǎng)中受到的安培力，讓線圈旋轉(zhuǎn)起來(lái).通過(guò)這樣一個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)，真正讓學(xué)生切實(shí)去思考一系列問(wèn)題：如磁場(chǎng)的方向？怎樣更有效地利用磁場(chǎng)？導(dǎo)線的形狀或方向？如何讓安培力更大？摩擦力更小？……學(xué)生在不斷地嘗試中，內(nèi)化了知識(shí)，強(qiáng)化了能力.

可以這樣認(rèn)為，倘若每節(jié)物理課都有一個(gè)小實(shí)驗(yàn)、小演示，物理課堂所展現(xiàn)的面貌會(huì)大不相同.有更多體驗(yàn)和動(dòng)手的機(jī)會(huì)，讓他們有更多的時(shí)間去反思和探究，雖然看上去效率較低，但其實(shí)這樣的課堂教學(xué)是有深度的，它切實(shí)突出了過(guò)程性知識(shí)的學(xué)習(xí)，培育了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，這當(dāng)然也有效發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維.

3 結(jié)語(yǔ)

總之，物理教師心系學(xué)生的終身發(fā)展，充分發(fā)揮物理學(xué)科優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生多體驗(yàn)、多創(chuàng)造，盡量通過(guò)良好的教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)合理情境，讓學(xué)生的思維能力得到全面發(fā)展，這樣的課堂才是真實(shí)有效的、有深度的、發(fā)展科學(xué)思維的課堂.

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