科學思維在高中物理起始階段的培養探索

官漢聰

摘 要：高中物理要求學生從初中的定性、具體、感性跳躍到高中的定量、抽象、理性，學會由經驗型、記憶型形象思維向理論型抽象思維發展。如何培養學生的科學思維，結合教學實踐對高中起始階段學生科學思維的培養分別從模型建構、概念定義、逆向分析等三方面進行了一些探索。

關鍵詞：科學思維；理想模型；科學定義；逆向分析

引言

“科學思維”作為物理核心素養的組成部分，要求學生經過高中物理學習，能通過物理學視角認識客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系，能基于經驗事實建構理想模型，能運用分析綜合、推理論證等方法研究解決問題。

由于高中物理對學生的抽象思維、形象思維等科學思維較初中有了更高的要求，高中伊始，學生要從初中的定性、具體、感性跳躍到高中的定量、抽象、理性，導致不少學生出現“課堂一聽就懂，題目一做就錯”的問題，究其原因是與學生的科學思維不完善有直接關系。因此，高中起始階段如何逐步培養學生的科學思維，是擺在物理教師面前的一項重要課題。

筆者結合教學實踐，在以下三方面對高中起始階段學生科學思維的培養進行了一些探索。

1 建構理想模型，轉換思維方式

物理模型是通過對原型（研究對象和物理過程等）忽略了各種次要因素的影響，做了簡化的處理而得到的一種理想化的形態。

“研究地球繞太陽公轉的運動”是教師在教學中常舉的實例，由于地球與太陽的平均距離比地球的半徑大得多，因此可忽略地球的形態、大小，將其簡化為一個質點來處理，從而可以較方便地找出地球繞太陽公轉時的一些規律。

學生思維存在的困惑是：如果不建立這樣一個理想化的物理模型，就不能達到我們的研究目的嗎？此時，我們可以借助一個小球從地面上空不高處由靜止下落的運動這一實例進行分析。小球下落時，影響小球運動的因素有很多。首先，重力會隨小球的高度而變化；其次，小球所受的空氣阻力與小球的形狀、大小和下落速度有關；再者，地球自轉、風速對小球也有影響。如果綜合考慮這些因素，尋找小球下落的規律將變得十分困難。因此我們可以對小球下落過程進行簡化：下落過程重力不變、速度不大可忽略空氣阻力、不計地球自轉及風速等非主流因素的影響。經過這樣簡化的運動就是教材中的自由落體運動。

質點的教學看似簡單，但它是學生高中物理學習時思維轉化的開始。通過質點的學習，使學生認識到：在研究物體的運動時，如果物體本身的尺寸對所研究的問題影響很小，就可以不考慮物體本身的形狀和大小，把它抽象成質點。

在中學物理的許多問題中，把物體抽象為質點是一目了然的，但也有一些問題，特別是直接來源于生活的現象、科學技術和生產實踐中的問題，研究對象能否視為質點，往往需要通過對題意的分析和判斷才能確定[1]。

例題1 （2006年高考全國I卷理綜試卷）一位質量為m的運動員從下蹲狀態向上起跳，經時間Δt，身體伸直并剛好離開地面，速度為v。在這過程中

A.地面對他的沖量為mv+mgΔt，地面對他做的功為mv2

B.地面對他的沖量為mv+mgΔt，地面對他做的功為零

C.地面對他的沖量為mv，地面對他做的功為mv2

D.地面對他的沖量為mv-mg，地面對他做的功為零

在研究地面對他的沖量時，可以把運動員抽象為質點。但在計算地面對他做功時，雖然地面對他有力的作用，但力的作用點并沒有發生位移，所以地面對運動員做的功為零。不少同學慣性思維，依然把運動員視為質點，得出地面對他有做功的錯誤結論。

2 科學定義概念，促進思維發展

加速度是高中物理運動學中的一個核心概念，如何搞好加速度的教學，引導學生學會由經驗型、記憶型形象思維向理論型抽象思維發展，避免高一伊始就出現學習物理上的分化，需要教的智慧和學的方法[2]。

學生在初中學習“速度”這一概念時，經歷過采用路程與時間的比值描述物體運動快慢的思維過程。因此，將學生從初中的勻速直線運動過渡到變速直線運動，利用學生已有的形象思維，引導其往抽象思維發展，是突破加速度概念教學難點的有效方法。在課堂中，通過展示生活中幾種常見交通工具的相關數據（如表1），引導學生思考如何比較它們速度變化的快慢？

學生利用初中所學的控制變量法及比值法，通過對飛機與跑車初末狀態相同而時間不同、跑車與磁懸浮列車初末狀態不同而時間相同、跑車與摩托車初末狀態及時間均不同這三組運動特征的比較，可以順利得出加速度這一物理概念，實現從形象思維發展為抽象思維的過渡。在加速度概念的建構過程中，學生對比值法定義物理量與物理量用比值定義的異同有了更深入的認識，真切感受到物理學中的抽象思維。

3 逆向分析培養，創新思維能力

逆向分析（反推法）就是在處理問題時，由結果或與結果相關的東西推測原因或開始的情況。或者從問題的目標狀態出發，逐步尋找為實現目標狀態所需要的先前中間狀態，最終退回到問題的初始狀態的方法。

例題2 （2016高考全國I卷理綜試卷）甲、乙兩車在平直公路上同向行駛，其v-t圖象如圖1所示。已知兩車在t=3s時并排行駛，則

A.在t=1s時，甲車在乙車后

B.在t=0時，甲車在乙車前7.5m

C.兩車另一次并排行駛的時刻是t=2s

D.甲、乙兩車兩次并排行駛的位置之間沿公路方向的距離為40m

運動圖象的常見考查方式更多是要求學生從所給的相關圖象對運動進行分析，但本題卻需要學生能根據“兩車在t=3s時并排行駛”這一結果及相關的v-t圖象，推測開始或之前的情況。這種反常規的設問有變化、有創新，能真正考查學生的分析能力，有利于學生思維分析能力的提高和創新思維能力的培養，對打破學生的思維定勢很有幫助。

逆向分析具有思維開放的特點，對于一個已知的結果，往往有多種可能的原因或條件，逆向分析就是要根據結果的蛛絲馬跡去尋找產生這一結果的原因、條件或初始情況。突破“知其然而不知其所以然”的被動局面，引導學生從現象找條件、從結果找原因，理清思路，從而找到解決問題的線索和方法。因此，教師在日常教學中要善于將一些正向思維的問題，改造或遷移成逆向思維的素材。對學生科學思維的培養既要使其形成正確、科學的思維方式，同時也要注重對逆向思維的開發。

4 結束語

科學思維是一個抽象概念，不同于可視的科學活動。它是學生頭腦中對科學事物的反映，是不可視的。教師在培養學生科學思維的過程中除了要在學生最近發展區內設置問題情境，不斷提出問題，使學生的思維保持活躍的狀態，還要在科學探究的過程中注重科學思維方法的滲透，提高學生思維能力。

參考文獻：

[1]王溢然.模型[M].合肥；中國科學技術大學出版社，2015：152.

[2]周長春.基于教學內容適切性的高中物理教學案例研究——以“加速度”教學為例[J].中學物理教學參考，2016（9）：15.