物理科學思維培養的教學策略

梁俊敏

【摘 要】本文在闡明物理科學思維的內涵及其基本要素的基礎上，以“拋繡球”運動為例，闡述培養學生物理核心素養的方法，以提高學生運用所學知識解決問題的能力。

【關鍵詞】物理 科學思維 培養策略

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）01B-0143-02

“拋繡球”運動作為一項廣西民族傳統體育項目而走進校園，其物理運動規律為斜向上拋體運動。本文以“拋繡球”運動為教學內容，以物理核心素養中的科學思維培養為教學研究對象，通過采取小組合作交流的課堂教學形式，探討培養學生物理科學思維素養教學策略，以提高學生運用所學知識解決問題的能力。

一、物理科學思維的內涵

（一）物理科學思維的內涵

物理核心素養包含物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任四個方面。其中，科學思維是指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式，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化；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。

（二）物理科學思維的基體要素

科學思維包含四個組成部分，分別是建構理想模型、科學推理、科學論證和質疑創新。

1.理想模型。理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體，分為對象模型、條件模型和過程模型三類。對象模型是用來代替研究對象實體的理想化模型，如質點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、理想變壓器、點光源、光線、薄透鏡以及關于原子結構的盧瑟福模型、波爾模型等。條件模型是把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型。如光滑表面、輕桿、輕繩、均勻介質、均強電場和均強磁場等。過程模型是由于實際的物理過程都是諸多因素作用的結果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型。學生在高中物理學習中，要學會對物理現象、物體運動等物理問題建立與之對應的理想模型，從而抓住問題的主要因素，忽略次要因素。建構理想模型是物理研究的重要手段。

2.科學推理。科學推理是一種方法。物理學中，常常有難以達到條件的時候，這時，常常需要借助將實驗想象為理想情況下的實驗，以此來達到實驗目的，并在實驗基礎上經過概括、抽象、推理得出規律，這種研究問題的方法就叫科學推理法。比如高中物理中的牛頓第一定律就是通過科學推理，在模擬出沒有摩擦力的環境下，物體將永遠運動下去。

3.科學論證。

科學論證是一種方法。科學論證法是指事實論證、道理論證、正反對比論證、比喻論證、事例論證等多種論證方式的總稱。在高中物理學習中，常常都會用到這些論證方式。

事實論證是一種從材料到觀點，從個別到一般的論證方法，是從對許多個別事物的分析和研究中歸納出一個共同的結論的推理形式。

理論論證的邏輯形式是演繹推理，就是將歸納所得的論點，用人類已知的科學原理去論證。

比較論證是一種由個別到個別的論證方法，分為類比法和對比法兩類。

因果論證是根據客觀事物之間都具有這種普遍的和必然的因果聯系的規律性，通過提示原因來論證結果的方法。有時某種結果是由多種原因引起的，這時就必須分析和抓住其中的主要原因，提示引起結果的本質的核心的因素來論證論點。

道理論證是運用講道理的方法，用被人們公認的科學原理、定理、公式等來證明觀點的方法。

高中物理教材中設置的學生實驗，就是讓學生通過動手實驗，在體驗和感受實驗過程中學會運用理論論證、事實論證等方法。高中物理學習中，在物理概念的建構過程、物理規律的探索過程中，讓學生知道物理知識及其運用的思維方法。通過各種類型的題型訓練，讓學生學會運用科學論證的各種方法，培養學生的創新能力。

4.質疑創新。質疑是提出疑問，創新是指以現有的思維模式提出有別于常規或常人思路的見解為導向，利用現有的知識和物質，在特定的環境中，本著理想化需要或為滿足社會需求，而改進或創造新的事物、方法、元素、路徑、環境，并能獲得一定有益效果的行為。

二、“拋繡球”運動與科學思維培養的聯系

（一）“拋繡球”運動簡介

“拋繡球”作為廣西民族傳統體育運動項目之一，已經進入日常體育課教學活動中。其比賽要求是將繡球以一定的角度和合適的速度拋出，使其準確地穿過所設置的投球圈。“拋繡球”的投球圈是在豎直的一根高 9 m 的桿的頂上安上的一個直徑為 1 m 的圓圈。

（二）“拋繡球”運動的物體運動規律

高中物理課本把物體以一定的初速度斜向上或者斜向下拋出，只有重力作用的運動定義為拋體運動。在不考慮其他力的影響下，“拋繡球”運動可以看成斜向上的拋體運動。

斜向上的拋體運動可以分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動。水平方向運動的位移與時間規律為 x=vt；豎直方向位移與時間規律為 y=v0t+at2，其中 a 為加速度；豎直方向速度與時間規律為 vt=v0+at。在這個過程中 a=g，g 為重力加速度。

（三）“拋繡球”運動與科學思維的培養

1.理想模型建構的培養。“拋繡球”運動是一項受諸多因素影響的運動，如受氣流、場地因素等影響，同時也受球自身的因素、球在運動過程的因素等影響。建構“拋繡球”運動理想模型，即把繡球看成一個質點，并忽略外界影響因素，如氣流、場地等。認為繡球在運動過程中只受重力作用，建構“拋繡球”運動的條件模型。根據“拋繡球”運動軌跡，建構“拋繡球”運動的曲線過程模型。

2.科學推理的培養。學生在實際“拋繡球”運動中觀察到的繡球運動是類似斜向上拋體運動，因此可以把研究“拋繡球”運動的問題推理為斜向上拋體運動問題。然后讓學生用已經學習過的平拋運動知識，解決這個斜向上拋體運動問題。

3.科學論證（計算）的培養。學生在體育課或者比賽中見過或進行過“拋繡球”運動，容易知道“拋繡球”運動的運動軌跡是曲線運動。建構模型，對“拋繡球”運動進行受力分析，對其拋出的初速度大小和方向進行論證和計算，得出繡球的初速度的范圍及方向。

4.質疑創新的培養。發生在學生身邊的物理現象有很多，怎樣去把這些現象進行提煉出來，再運用所學物理知識加以解決，這就需要有質疑與創新精神。

“拋繡球”運動為什么能當作斜向上拋體運動呢？如何解決繡球初速度大小的問題呢？這些都是需要學生運用物理知識去解決的問題，也讓學生從中知道，如何更好地求解出與具有實際指導意義的結論。“拋繡球”運動的模型建構、分析、解答的過程，其本身就是對學生進行質疑和創新能力的培養。

三、 在“拋繡球”運動課堂教學中培養學生科學思維的過程

（一）以物體運動情景再現和分析培養學生建構理想模型能力

課堂教學時，播放民族傳統體育項目“拋繡球”運動的錄像，讓學生對“拋繡球”運動進行完整觀察。組織學生對觀察到的“拋繡球”運動現象的運動物體、運動軌跡、受力情況進行分析，列舉影響“拋繡球”運動的各種因素以及這些因素對物體運動的影響。分析這些因素，找到主要因素和次要因素，構建“拋繡球”運動的理想運動模型。

（二）以“拋繡球”運動性質分析培養學生科學推理能力

學生對斜向上拋體運動了解不多，但對平拋運動的了解有一定基礎。經過理想化之后，圍繞“拋繡球”運動全過程，分析繡球的曲線運動軌跡，推理得出“拋繡球”運動是斜向上拋體運動。斜向上拋體運動有一個上升和下落過程，物體在最高點只有水平方向的速度，其下落過程是平拋運動，而物體上升階段為平拋運動的逆過程。推理出解決問題的關鍵點是求物體上升到最高點時的速度。因此，課堂教學中讓學生抓住起點、最高點和落地點的速度，結合平拋運動知識，推導出運動規律。

（三）以“拋繡球”運動相關計算培養學生科學論證能力

“拋繡球”運動中的投球圈的直徑為 1 m，因而讓學生考慮投球圈的直徑對問題解決的影響。學生在進行探究討論后，形成結論：把投球圈的最低處和最高處分別設置為繡球運動最低點和最高點，明確“拋繡球”運動中的速度不是某個值，而是一個取值范圍，運動時間也相應為一個取值范圍。

明確斜向上拋體運動問題可以用平拋運動的規律進行解決，組織學生對“拋繡球”運動進行分解，分析運動中物理量的變化，尋找解決“拋繡球”運動的主要物理量。學生通過分析，得出在水平方向上，繡球能穿越投球圈最低點和最高點都各有一個水平速度。考慮到繡球剛好碰到投球圈的最低點或最高點情形，因此其初速度在豎直方向上有一個豎直向上的速度范圍。不在此速度范圍的繡球，會因為速度太小或太大而從投球圈底下或頂上飛出。

通過對“拋繡球”運動的物理量進行研究，發現研究的物理量有物體運動的時間、位移和速度。而速度，不僅有大小變化，而且還有方向（角度）的變化。考慮到此，學生提出將對速度研究中的角度變化作為學生課余探究內容，把物體運動的時間、位移和速度大小變化作為課堂中探究的內容。

（四）以問題為導向培養學生質疑創新能力

在進行“拋繡球”運動分析解答過程中，以“拋繡球”運動是怎樣的物體運動、可以用什么物理規律解決、針對投球圈會對“拋繡球”運動有什么影響、應該著重計算哪些物理量、身邊還有哪些類似“拋繡球”運動等進行問題設置，讓學生以小組為單位對提出的問題進行思考、分析、交流、討論，形成結論并提出可行的解決辦法，最終得出正確結果。通過問題拓展，如對投籃、飛鏢等物體運動進行類比，將“拋繡球”運動的研究進行延伸。

四、課堂教學中科學思維培養的思考

如何在課堂上進行物理核心素養的培養，一直是物理課堂教學中探討的問題。本節在課堂上組織學生通過對“拋繡球”運動進行分析，運用學生已學的平拋運動的規律，解答斜向上拋體運動的問題。這不僅有效解決拋體運動，而且為學生在物理學習和物理問題探究中提供科學的解決思路與方法。課堂教學中，采取了小組合作形式對學習內容進行探究，使小組之間、學生之間進行互動，并使學生主動參與到學習探討中，從運動的性質和規律對“拋繡球”運動進行分析，從而掌握斜向上拋體運動的解決方法，從而觸類旁通，掌握拋體運動規律。

（責編 盧建龍）