顯化科學方法培養科學思維

摘要：科學方法教育是初中物理開展實驗教學培養學生物理學科核心素養及其有效的途徑.本文以“神奇的升力”的教學實踐為例，闡釋了如何在初中物理實驗教學課堂上顯化科學方法教育.根據教學難點和“對應原則”，提出了引入與猜想的類比方法、設計實驗的演繹方法、突破飛機升力難點的轉換方法，始終以科學方法引領的思維發展，以突出科學方法在物理教育中的價值.

關鍵詞：初中物理實驗教學;科學方法;科學思維

作者簡介：許輝勇（1983-），男，廣東普寧人，本科，中學一級教師，研究方向： 初中物理實驗教學中的科學方法教育.

物理學是一門實驗科學，是一門方法學[1].建構主義觀認為科學本質上是一種科學探究活動.它強調科學知識是暫時性的、主觀的、建構的，它將不斷地被修正和推翻.因此，物理教學實際上就是讓學生體驗科學研究的過程與方法，掌握科學方法、樹立科學態度和弘揚科學精神.實驗包含了豐富的科學方法，實驗教學的本質是科學方法及思想的感悟、學習、應用.大量實踐證明，以實驗為載體進行科學方法教育，它是實現學生物理學科核心素養培養的有效途徑.本文在分析教材內容的基礎之上，基于初中物理實驗的課堂教學實踐，以顯化科學方法來培養學生的科學思維的視覺探討“神奇的升力”的教學.

1對教材的基本分析

粵滬版物理八年級下冊第九章 浮力與升力在編排上，先讓學生學習浮力，再學習升力，這種編排有利于學生類比和區別浮力與升力.本節課的編寫思路是：先從飛機升空的現象提出問題：使飛機上升的力究竟是怎樣產生的[2]然后安排“活動1奇妙的實驗”（幾個關于流體壓強與流速關系的實驗），激發學生的好奇心和探究欲，通過對實驗現象的分析，歸納出流體壓強與流速的關系.然后在觀察“活動2認識升力”實驗現象的基礎上，通過理論分析，得出飛機升力產生的原因.最后，通過解釋一些與生活相關的現象從而加深學生對流體壓強與流速關系的理解.

教材的編排方式有以下兩個方面值得商榷.

（1）教材雖然突出了“探究性”，卻忽視了學生的認知規律，直接從問題“飛機升力是怎樣產生的”直接跳躍到“活動1”的幾個關于“流體的壓強與流速關系”的實驗，學生不能夠聯想到“飛機的升力”與“流體的壓強與流速的關系”之間的聯系，教材對此問題的處理無疑增加了學生的認知負荷和教學難度.

（2）教材在“風扇使機翼模型飛起來”的實驗基礎上（如圖1所示），通過理論分析，得出飛機升力產生的原因.初中生的思維正處于由形象思維向抽象邏輯思維的過渡階段.因此，初中生的思維總是從一定的感性材料的歸納中形成物理模型.該模型是基于形象思維并通過運用物理模型進行思維加工而形成的.在初中物理教學中過于強調理論分析，會抑制學生的思維興趣，使學生的思維能力停滯在形象思維階段.

首都師范大學邢紅軍教授認為，物理教學要以科學方法為中心，并視科學方法為能力的核心，科學方法可分為物理方法和思維方法，這與心理學中強認知方法與弱認知方法是一致的.物理方法是客觀的，所以可以通過傳授的方法來掌握，而思維方法是主觀的和大腦的功能，這就需要訓練才能使學生掌握，科學方法具有導源、突破、中介和建構的功能，能夠通過顯化科學方法來解決目前一些物理教學邏輯的問題[3].筆者認為，以“教材中的知識”與“科學方法”為主線，使“知識線”和“方法線”在物理實驗教學中同時進行，有助于學生的理解和應用，培養學生的科學思維能力.

2彰顯科學方法、培養思維的實驗教學

2.1“類比法”引課題，誘發思維

古人云：“學貴有疑”，“學則有疑”.質疑是探索新知識的開始，是培養學生科學思維能力的開始.“需要作為人的積極性的重要源泉，它是激發人們進行各種活動的內部動力”[3].教師要善于創造情境，通過激趣設疑讓學生有“需要”的思考，調動他們思維活動的自覺性與積極性，才能使其思維得到很好的發展.

在“神奇的升力”一課的引入中，筆者以“聽話的乒乓球（如圖2所示）”和“吹水實驗（簡易噴霧器實驗如圖3所示）”的實驗作為學生的前知識引導學生思考質疑，激發學習動機，明確思維指向，提供認知起點，從而提出問題.

[教學片斷1]

教師取一個水杯，把一個乒乓球放入其中，要求不用手和借助任何器具，在不損壞容器的條件下將乒乓球球取出，并請學生到前臺嘗試.學生聽到可以嘗試就充滿興趣，當然，學生經過多次試驗均未成功.這時，教師以“魔術”的演繹方式賦予乒乓球神秘的色彩，“我給乒乓球吹口仙氣，讓它自己跳出來”，教師在水杯口上方用力水平吹一口氣，乒乓球從杯底部快速地“跳了出來”，此時學生驚嘆不已.學生充滿著疑惑，恨不得馬上揭開這個謎底.

接下來，讓一個學生演示簡易噴霧器實驗.學生觀察到杯里的水升起從管口噴出.

這樣的情境創設誘發學生的認知沖突，引發學生去思考、體味，誘發學生思維，促使學生去發現問題，提出問題“為什么乒乓球（水滴）會升起”，激發學生的強烈的求知欲.

2.2“類比法”助猜想，啟發思維

實驗是物理學發展的科學基礎，是檢驗物理學理論的唯一標準.猜想與假設則是提出實驗的重要環節，也是科學想象的一種形式，科學想象是一種創造性的思維形式和研究方法.愛因斯坦指出：“想象比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，……嚴格地說，想象是科學研究中的重要因素”[1]. 猜想環節是學生根據已有的知識或經驗提出的，是創造思維的準備期和醞釀期，也是思維加工的過程.在引導學生猜想“流體壓強與流速”關系時，由于學生缺乏“流體的壓強與流速有關”的“前概念”，學生很難提出“流體的壓強與流速的關系”，因此在課堂的引入階段的“乒乓球飛出杯子”和“簡易噴霧器”的實驗，通過“激趣設疑”，有效誘發學生思維，學生能猜想“乒乓球（水滴）的升起”與“吹氣（流速）”有關，但學生就以上情境仍然難以聯想到“流體的壓強”與“流速”有關，從而產生了“升力”.粵滬版的教材中一句“流體流動時，在流速不同的地方會表現出一種奇妙的特性”[2]帶過就進入實驗.在實際教學中，教師往往也是三言兩語帶過，學生則是被動地接受與跟著教師的思路去完成接下來的實驗活動，更不明白為什么要通過這些實驗去探究流體的壓強與流速的關系.學習是一個連續的過程，任何學習都是在學習者已經具有的知識經驗和認知結構，已經獲得的動作技能，已經習得的態度等基礎上進行的[4].建構主義認為，學習遷移實質上就是在新情境對知識的應用.奧蘇貝爾認為，“一切有意義的學習必然包括遷移”.為了讓學生能夠科學猜想，筆者采取繼續顯化類比法這一科學研究方法，緊抓“吸管吸飲料實驗”和“簡易噴霧器實驗”的共同之處，做大膽的猜想.

[教學片斷2]

如圖4所示，讓學生演示吸管吸飲料.

師：飲料為什么能夠上升到我們的嘴里呢？請解釋這個現象.

生：利用大氣壓.

師：怎樣利用大氣壓？

生：當用吸管從瓶中吸飲料時，管內的空氣被吸走，管內的氣壓變小，外面的大氣壓不變，大氣壓大于管內的氣壓，將飲料壓入嘴里.

......

如圖5所示，讓物理科代表演示“吹水實驗（簡易噴霧器實驗）”.

師：同學們觀察到什么？

生：水噴出來.

師：水要噴出來，首先水從下方如何運動？

生：升上去.

師：同學覺得是誰把水壓上去的？

生：大氣壓把“水”壓上去.

師：大氣壓把“水”壓上去，那么說明管內的氣壓發生什么變化？

生：管內的氣壓“變小了”.

師：在實驗中，管內的氣壓變小了，在沒吹氣之前管內的氣壓怎么沒有變??？

生：科代表剛才吹氣.

師：吹氣改變了什么？

生：空氣流動的速度？

師：也就是說，是什么原因導致了管內的氣壓變??？

生：可能是空氣流速變大，壓強變小.

……

筆者借助“類比法”，通過問題鏈啟發引導學生進行分析，溫故知新，讓學生思維經歷對新舊知識的對比和分析的過程，培養學生的分析能力和概括能力，促成學生更有效的對知識進行遷移.在思維中促成知識遷移，在遷移中激發思維，新舊知識之間的聯系和比較分析帶給學生的更多的是一種思維的習慣學習的方法，更有助于學生的發展.

上述兩個方面都體現了類比法的豐富內涵.

類比法是一種由特殊到特殊或由一般到一般的推理，是根據兩個（或兩類）對象之間在某些方面相同或相似而推出它們在其他方面也有可能相同或相似的推理方法[1].

類比法具有觸類旁通、啟發思路、溝通新舊知識的作用，有效順接了學生學習新知的邏輯起點，降低了學生的思維難度，學生的思維活動逐漸從表層向深層轉移，培養學生的深層思維.同時水到渠成地向科學探究邁出了最關鍵的一步-“猜想和假設”，為接下來的學習與以后的學習做好準備，避免了把科學方法當做機械的知識來灌輸，使意義學習產生功效.由此可見，顯化“類比法”等科學方法并讓學生感受科學方法是富有潛在意義.

2.3“演繹法”設實驗，鍛煉思維

實驗探究的過程其實是思維加工的過程，通過培養學生的觀察能力和手腦并用的能力，從而加強學生思維能力的培養.學生學習一種方法或技能需要進行模仿性訓練，在訓練中思維也獲得鍛煉與提升.“由于表象具有動搖性、模糊性”[2]，教師要為學生學習科學方法建立提供豐富的表象和反復呈現表象，以期表象更加豐富、清晰和穩定.因此教學時，教師通過“演繹法”來固化這種表象.

[教學片斷3]

師：現在，小組討論，如何利用桌上的儀器來探究流體的壓強與流速的關系，驗證猜想.請幾個小組派代表向大家展示一下你們的設計.

（學生進行討論.各小組的儀器有：裝有水的水槽、礦泉水瓶蓋、吸管、紙片、蠟燭、打火機、漏斗、乒乓球等）

師：在探究設計實驗過程中，首先有一個關鍵的地方，你覺得這是什么呢？

生：我們要驗證“流體的流速越大、壓強越小”的猜想是否正確，所以關鍵是要讓氣體或者液體流動起來.

師： 很好，相信很多同學都注意到了這個問題.那么怎樣使氣體或者液體流動起來呢？現在，按照你們剛剛制定的實驗步驟進行實驗，使氣體或液體流動起來.

（學生小組實驗，老師巡回指導）

……

師：請第一小組的代表上來展示他們所設計的實驗.

生： 我們小組是用吸管和點燃的蠟燭，用吸管對準兩根蠟燭的火焰的中間吹氣，令人驚奇的是兩個火焰靠攏在一起.分析其原因是：吹氣時，兩根蠟燭的火焰中間的空氣流動加快，壓強變小，火焰外側的大氣壓保持不變，火焰內外側存在壓強差，把火焰壓向兩個火焰中間.此實驗說明：流速大的地方壓強越小.（同時另一學生在旁邊演示）

……

通過上述的情境可以看出，學生要設計實驗驗證“流體的流速越大、壓強越小”的猜想，需要厘清以下幾個問題：

（1）實驗的流體是什么？

（2）吹氣改變了哪部分流體的流速？怎么變？

（3）觀察到什么現象，判斷出壓強發生了什么變化？

（4）分析現象得到什么結論.

通過演繹法，筆者抓住“流速”這個關鍵詞設置問題， ，引導學生帶著“怎樣使它流動”的疑問去自主設計實驗方案與展示方案，又進一步讓學生在探究活動中嘗試運用“觀察法、分析法”等科學方法，從而在學生的頭腦中形成更穩定的認知結構，把獨立思考和分析問題的科學方法潛移默化的滲透到學生的思維和學習中，使學生的思維得到了訓練與發展，為顯化科學方法教學奠定了豐厚的基礎.

2.4“轉換法”破難點，提升思維

本節課的一個難點是學生難以理解飛機的機翼模型上凸下平會導致機翼的上方流速大，下方的流速小.純理論的分析學生理解難度大，很多課例采取的是動畫講解，一定程度上幫助了學生理解，但是學生接受起來依然有些吃力.科學家丁肇中說過，“實驗可以推翻理論，理論不能推翻實驗”.筆者通過轉換法的實驗思想，改進實驗器材，變抽象為直觀，幫助學生理解.

[教學片斷4]

教師用“飛機的升力演示儀器”演示飛機起飛.

師：老師提供兩個儀器：風速表和壓強計，它們可以分別測量風速的快慢和壓強，測量的結果將顯示在液晶顯示屏上.接下來，把這風速表和壓強計交給第一小組的同學，讓他們分別測出機翼上、下方的流速和壓強.

……

通過“轉化法”化抽象為直觀，對比、分析機翼上、下方的氣體壓強與流速，學生很好地接受了機翼模型對于流速的影響，此時再引導學生抽象出機翼模型進行分析，更有利于學生理解現象的本質，提升學生的思維能力.

3教學的反思

方法是通向能力的橋梁，能力既依賴于知識，更依賴于方法;在某種意義上，方法本身就是能力的一部分[1].反思整個過程，筆者認為，教學邏輯程序、物理知識的建構，難點的突破都可以找到對應的科學方法.“神奇的升力”以“類比法—演繹法——轉換法”方法為知識的內核與脈絡組織教材，安排教學的過程，讓知識的建構水到渠成.

4實驗教學中顯化科學方法注意的問題

4.1教師要學會分析與挖掘實驗教學中的科學方法

張憲魁教授在《物理科學方法教育》和邢紅軍教授在《初中物理科學方法教育》的著作中都提到，目前很多教材都沒有顯性地提示科學方法.因此，通過分析和挖掘教材中的科學方法，才有可能給學生“顯性”總結和傳授科學方法.而實驗教學中的科學方法是按科學實驗的程序伴隨學生的認知過程呈現，比較切合科學研究的實際，因此我們可以沿實驗探究過程理出“方法線”和“知識線”，根據科學方法邏輯設計和開展教學活動.

4.2實驗教學中的科學方法顯化應當遵循適度原則

科學方法教育是以知識教學為載體的滲透教育，并不是“重方法，輕知識”， 更不是要求把教材中所涉及的所有方法均顯化處理.因此，進行科學方法的顯性教育，一方面要注意寓方法教育于知識教育中，把方法視為知識的內核與脈絡來安排教學活動;另一方面，教師需要根據實驗的特點，抓住對學生思維發展有益的“方法”，以此為主其他方法為輔進行方法教育.

英國教育家愛德華德波諾認為“教育就是教人思維”.初中的物理教學不僅僅是通過實驗掌握知識，更重要的是使學生掌握科學的思維方式.針對學生思維特點，在物理實驗教學活動中通過顯化科學方法，促進了學生的知識學習，培養了學生的核心素養.

參考文獻：

[1]張憲魁.物理科學方法教育[M].青島：中國海洋大學出版社.2015.

[2]華東地區初中物理教材編寫組.物理（八年級下冊）[M].廣東：廣東教育出版社，2015.

[3]邢紅軍.初中物理科學方法教育[M].北京：中國科學技術出版社.2015.

[4]陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M]. 北京：北京師范大學出版社，2007.