指向批判性思維能力培養(yǎng)的高中物理教學(xué)策略

摘 要：在高中物理教學(xué)進程中，培育學(xué)生的批判性思維能力有著舉足輕重的地位，尤其在粒子波動性這一論題上.文章通過引導(dǎo)學(xué)生研討光的波粒二象性，激活他們的思維與好奇心，分析有關(guān)光的干涉、衍射以及光電效應(yīng)等現(xiàn)象的教學(xué)策略，以電子顯微鏡作為范例進行實例分析，呈現(xiàn)出粒子波動性在實際運用中的具體表現(xiàn).本研究的價值在于，憑借理論學(xué)習(xí)與實際操作相互融合的途徑，不但能夠幫助學(xué)生深化對物理知識的領(lǐng)會，而且能夠塑造他們在直面繁雜科學(xué)問題時的批判性思維能力，為將來的科學(xué)研究筑牢根基.

關(guān)鍵詞：高中物理；批判性思維；波粒二象性

中圖分類號：G632"" 文獻標(biāo)識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）36-0081-03

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：翟耀東（1977.2—），男，江蘇省興化人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

在如今信息化與全球化時代背景下，批判性思維能力已然成為學(xué)生所必備的關(guān)鍵素養(yǎng)之一.高中物理教學(xué)不但要傳授基礎(chǔ)知識，還應(yīng)當(dāng)培育學(xué)生獨立思考及科學(xué)分析的能力.粒子的波動性作為現(xiàn)代物理的核心觀念，對傳統(tǒng)思維模式構(gòu)成了挑戰(zhàn)，適合探討批判性思維的培養(yǎng)［1］.

1 批判性思維能力的內(nèi)涵與重要性

1.1 批判性思維的定義

批判性思維是一種積極主動且具有反思特質(zhì)的思維流程，旨在針對信息展開分析、評定以及判別.這種思維模式著重于獨立思考，期望個體不只是接納外界所傳遞的信息，還應(yīng)對其合理性與真實性予以質(zhì)疑.批判性思維具有積極思考、自主解析的屬性，激勵學(xué)生從多個視角去探究問題，構(gòu)建出屬于個人的觀點.例如，在學(xué)習(xí)牛頓運動定律時，學(xué)生應(yīng)當(dāng)自覺去思考摩擦力存在與否，還有對于物體運動狀態(tài)所產(chǎn)生的影響，不能只是一味地接受教材中給出的定義和結(jié)論.

1.2 高中物理教學(xué)中培養(yǎng)批判性思維的必要性

在高中物理教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的重要性不言而喻.物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，其核心要點在于對自然現(xiàn)象的領(lǐng)會與解釋，這就要求學(xué)生擁有較強的邏輯思維能力以及分析能力.批判性思維有利于學(xué)生針對物理概念和規(guī)律展開深度分析，提高學(xué)習(xí)成效.例如，在學(xué)習(xí)光的折射定律時，學(xué)生能夠借助批判性思維去分析不同介質(zhì)中光的傳播速度和折射角的關(guān)系，進而理解光的折射現(xiàn)象.另外，批判性思維的培育，還能夠強化學(xué)生的科學(xué)精神與人文素養(yǎng).

2 粒子的波動性概述

2.1 粒子的波動性基本概念

粒子的波動性在量子力學(xué)中屬于關(guān)鍵概念，意味著微觀粒子在特定狀況下呈現(xiàn)出類似波動的特質(zhì).這一現(xiàn)象最初由路易·維克多·德布羅意提出，他主張任何粒子均具備波動性，其波長跟粒子的動量存在關(guān)聯(lián).這一理論打破了經(jīng)典物理學(xué)針對粒子的常規(guī)認知，把粒子和波動性加以整合展現(xiàn)出了微觀世界的復(fù)雜特性.在德布羅意理論之中，粒子的波動性借助德布羅意波長予以解釋，表達式為 λ=h/p，這里的λ代表波長，h是普朗克常量，p為粒子的動量.粒子的波動性在眾多方面有所體現(xiàn)，例如，光的雙重性質(zhì)屬于粒子波動性的關(guān)鍵呈現(xiàn)，光在部分實驗中呈現(xiàn)出波動性（如干涉和衍射現(xiàn)象），然而在另外一些實驗中則彰顯出粒子性（如光電效應(yīng)）.這表明波動性和粒子性并非相互抵觸，而是在不同的實驗條件下呈現(xiàn)出不同的性質(zhì).與之相似，電子以及其他微觀粒子同樣表現(xiàn)出波動性和粒子性的雙重特點，透過量子力學(xué)的視角，波動性和粒子性不但能夠統(tǒng)一進行描述，而且能夠憑借普朗克常量等物理量構(gòu)建起二者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).

在量子物理領(lǐng)域，粒子的波動性不但和物理特性（如動量、能量）存在緊密關(guān)聯(lián)，還跟粒子的微觀尺度緊密聯(lián)系.相對較小的粒子（如電子），其波動性更為顯著，呈現(xiàn)出明顯的干涉、衍射等波動情況，而相對較大的粒子（如宏觀物體），由于自身較大的質(zhì)量以及較小的波長，波動性效果變得難以察覺.借助對粒子波動性的探究，科研人員能夠更深刻地領(lǐng)會微觀世界中的不確定性與復(fù)雜性，從而促進量子力學(xué)以及現(xiàn)代物理學(xué)的進步.粒子的波動性與經(jīng)典物理中的粒子理念差異巨大，突出了微觀粒子在某些情形下既是粒子，又具備波動性，這給物理學(xué)的發(fā)展引入了全新的視角，也為物理學(xué)的教育和教學(xué)帶來了充裕的素材［2］.

2.2 粒子的波動性在現(xiàn)代物理中的應(yīng)用

粒子的波動性在現(xiàn)代物理學(xué)中具備廣泛的應(yīng)用場景，特別是在科學(xué)探究以及技術(shù)開拓領(lǐng)域.電子顯微鏡即為粒子波動性得以應(yīng)用的一個案例，鑒于電子的德布羅意波長遠遠小于可見光的波長，電子顯微鏡具有很高的分辨能力，讓科學(xué)家能夠觀測到原子層級的結(jié)構(gòu).此類技術(shù)在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域被廣泛采用，為探究新型材料和生物分子提供了關(guān)鍵手段.

另外，慢中子衍射技術(shù)同樣彰顯出粒子波動性的應(yīng)用價值，當(dāng)慢中子束投射至晶體之上時，由于慢中子的波長跟晶體的原子間距近乎相等，就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，進而獲取晶體的結(jié)構(gòu)信息.這一技術(shù)在材料科學(xué)中具有重要意義，特別是在針對高溫超導(dǎo)材料、磁性材料以及生物大分子等領(lǐng)域的研究方面.與此同時，粒子的波動性還為我們領(lǐng)會和研發(fā)量子計算與量子通信等新興技術(shù)提供了理論依據(jù).在這些技術(shù)當(dāng)中，量子位的波動性以及疊加態(tài)特性是其核心原理，使量子計算機在處理某些問題時比傳統(tǒng)計算機效率更高.

3 高中物理教學(xué)中批判性思維的培養(yǎng)策略

3.1 理論學(xué)習(xí)中的批判性思維培養(yǎng)

在高中物理理論學(xué)習(xí)進程中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生探究光的波粒二象性，激活他們的好奇心理以及思維能力.在此過程中，教師起初需要講清楚光既是波動又是粒子的基礎(chǔ)理念，借助介紹光的干涉、衍射以及光電效應(yīng)等現(xiàn)象，幫助學(xué)生領(lǐng)會光的這種雙重特性.教師可設(shè)定一些開放性問題，如光的波粒二象性是怎樣在實驗當(dāng)中得以證明的？促使學(xué)生展開思考并進行討論［3］.

以電子顯微鏡的原理作為示例，運用現(xiàn)代科技能夠呈現(xiàn)粒子波動性在實際中的表現(xiàn).在實驗室當(dāng)中，教師可以組織學(xué)生開展一個簡易的模擬實驗，讓他們知道電子顯微鏡是怎樣借助電子的波動性來獲取高分辨率圖像的.教師通過PPT來呈現(xiàn)電子顯微鏡的工作原理，著重強調(diào)電子束的波長遠比可見光短，因而能夠給予更高的分辨率.隨后，教師引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)想一個實驗情境，假定學(xué)生在實驗室里觀察一塊納米材料的結(jié)構(gòu)，他們首先需要把電子加速，令其動量增大進而降低德布羅意波長.接著，電子束會被集中投射至樣品的表面，此時學(xué)生能夠觀測到散射電子的出現(xiàn)，進一步分析這些散射電子所承載的信息是怎樣體現(xiàn)樣品微觀構(gòu)造的.借助這樣的方式，學(xué)生不僅能夠明白電子顯微鏡的工作原理，而且還能夠親自動手操作，提升自身的批判性思維能力.在展開討論環(huán)節(jié)中，教師拋出問題：為何選用電子而非光子來展開觀察？以此推動學(xué)生深入思考粒子波動性在各種不同實驗條件下的呈現(xiàn)情況.3.2 實驗教學(xué)中的批判性思維培養(yǎng)

在高中物理實驗教學(xué)當(dāng)中，教師通過激勵學(xué)生去設(shè)計具有創(chuàng)新性的實驗，能夠引領(lǐng)他們從多個角度去思考問題.通過改變粒子的種類、能量以及實驗的條件，學(xué)生能夠觀測到波動性呈現(xiàn)出的差別.另外，教師應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生運用當(dāng)代科技手段，如傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析軟件，以此來增強實驗的精度與可靠性.在這個過程中，學(xué)生能夠設(shè)計多變量的實驗，探究溫度、壓力等要素對粒子波動性的影響［4］.

例如，在一回形針對電子衍射現(xiàn)象的實驗中，教師能夠組織學(xué)生以小組形式進行實驗設(shè)計.學(xué)生會確定實驗?zāi)繕?biāo)，觀測不同能量電子束的衍射圖樣.每個小組能夠運用具有不同能量設(shè)定的電子束，把衍射圖案的變化予以記錄.在實驗進程中，學(xué)生需要仔細將每個實驗條件記錄下來，涵蓋電子束的能量、實驗環(huán)境的溫度與壓力等.實驗結(jié)束后，學(xué)生會獲取一連串的衍射圖案，在對實驗結(jié)果展開分析時，教師引領(lǐng)他們?nèi)Ρ葘嶋H圖案和理論預(yù)測存在的差別，推動學(xué)生思考可能導(dǎo)致偏差的原因，如電子束能量的不平穩(wěn)、設(shè)備精度的欠缺等.借助深入的分析，學(xué)生不但提升了實驗數(shù)據(jù)的理解水平，而且在探尋問題解決辦法的過程當(dāng)中錘煉了批判性思維.

3.3 課堂討論與合作學(xué)習(xí)中的批判性思維培養(yǎng)

課堂討論與小組合作學(xué)習(xí)是培育學(xué)生批判性思維的重要方式，通過引導(dǎo)學(xué)生對粒子的波動性加以探討，教師能夠有效激發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑精神.教師可以給出一些引人深思且富有爭議性的問題，例如“粒子的波動性是否意味著粒子不再具有確定性？”“波粒二象性是否適用于所有的微觀粒子？”此類問題會促使學(xué)生在討論中表達各不相同的觀點，推動深入的思考和論辯，進而提升他們的批判性思維.在這樣的討論中，學(xué)生不僅要思考自身的立場，還要用心傾聽以及分析其他同學(xué)的看法.通過辯論，學(xué)生們能夠更加深入地探究粒子的波動性和確定性之間的關(guān)聯(lián)，明確兩者的相互作用與影響.

關(guān)于電子衍射實驗究竟有沒有切實地證明粒子具有波動性的問題，教師不妨把班級劃分成若干小組，讓每組從不同維度去探究這一實驗.起初，學(xué)生們需要查閱跟電子衍射實驗有關(guān)的文獻資料，吃透實驗的基本原理與設(shè)計思路.接著，各個小組分析實驗的開展流程、設(shè)備的選用、實驗參數(shù)的設(shè)定以及數(shù)據(jù)收集的辦法.小組討論時，學(xué)生或許會持有不一樣的觀點，比如，有的學(xué)生或許覺得電子衍射實驗毫無疑問地證實了波動性，然而另一些學(xué)生也許會對實驗里變量控制不充分、設(shè)備精度欠佳等問題提出疑問，覺得這些會對實驗結(jié)果的可信度帶來影響.在對實驗結(jié)果展開分析時，學(xué)生會聯(lián)系實驗條件和理論預(yù)測，研究實驗數(shù)據(jù)跟理論模型存在的差別，并由此給出改進建議.在小組研究結(jié)束后，各個小組分享自身的研究成果與見解.借助這種合作學(xué)習(xí)的形式，學(xué)生們不但學(xué)會了怎樣開展科學(xué)實驗，而且提升了自身的溝通能力與團隊合作精神.在針對電子衍射實驗的研究過程中，學(xué)生們彼此交流實驗結(jié)果，探討各種不同的分析方式，甚至模擬實驗過程來驗證自己的假設(shè).

4 結(jié)束語

文章圍繞粒子波動性這一主題，深入研討了批判性思維的培育策略.經(jīng)過對光的波粒二象性、歷史背景以及電子顯微鏡的實際運用加以分析，指出理論學(xué)習(xí)和實驗探究相融合對于提升學(xué)生思維能力的關(guān)鍵意義.培育學(xué)生的批判性思維，能夠幫助他們領(lǐng)會物理知識，促使他們在科學(xué)研究中能夠始終秉持質(zhì)疑與創(chuàng)新的精神.

參考文獻：

［1］

祁紅菊.指向批判性思維能力培養(yǎng)的高中物理教學(xué)策略：以“粒子的波動性”為例［J］.江蘇教育，2021（45）：4.

［2］ 陳迪.高中物理教學(xué)中培養(yǎng)批判性思維的思考［J］.快樂閱讀（下旬刊），2012（10）：1.

［3］ 滕紹頂.高中物理教學(xué)中對學(xué)生批判性思維培養(yǎng)的思考［J］.試題與研究：教學(xué)論壇，2020（31）：69.

［4］ 胡娟.探討高中物理教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維［J］.高中數(shù)理化，2023（S01）：123-124.

［責(zé)任編輯：李 璟］