由科學思維水平劃分談培養科學思維的方法

(江蘇省六合高級中學，江蘇 南京 211500)

1 核心素養中科學思維的內涵及水平劃分

科學思維是《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出的物理學科核心素養中的四個方面之一,是從物理學科的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物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和推理對不同觀點和結論提出質疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創造性見解的能力與品格．科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出:高中物理課程應在義務教育的基礎上,進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展．通過高中物理課程的學習,學生應該具有建構模型的意識和能力;能運用科學思維方法,從定性和定量兩個方面對相關問題進行推理、找出規律、形成結論;具有使用科學證據的意識和評估科學證據的能力,能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測;具有批判思維的意識,能基于證據大膽質疑,從不同角度思考問題,追求科技創新．新版課標對科學思維進行了5個水平劃分,如表1所示．

上述科學思維5個水平的劃分,對科學思維水平的要求是逐步提升的．筆者為逐步提升學生科學思維的水平,在平常的教學中,根據學生的認知規律,有目的地把學生學習的知識精心地設置在具體的、有意義的問題情境中,引導學生通過獨立思考、合作探究、師生互動等方式解決問題．整個教學活動都是圍繞著“問題”展開的, 以問題為中心,由淺入深,由易到難,循序漸進．通過設計問題串,引導學生抽絲剝繭,直至找到科學思維的方法．

表1 科學思維的水平劃分

2 培養科學思維的方法

2.1 挖掘教材,喚醒學生“言必有據”的理性意識

人教版高中物理教材中有許多關于物理學研究探索歷程的內容,這些內容不僅使學生對物理的發展過程有一定的了解,更是學生體驗科學研究方法、感悟科學探究精神的重要素材．在教學過程中,教師不能僅限于告知學生科學家的成果,更應該創設情境,給學生一個重溫探究歷程的機會．

例如,人教版物理必修2第6章“萬有引力與航天”的第1節“行星的運動”,教材中直接給出了開普勒第三定律的內容:所有行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等,且比值對所有行星都相同．教材中并沒有利用觀察測量行星的數據,向學生清晰展示科學探究的過程，因而不能使學生領悟建立新理論的科學方法,不能很好培養學生的猜想、探究意識、科學精神和探究能力,不利于提升學生的科學思維能力． 筆者對這一問題做了如下設計.

問題1:如何利用表2中太陽系八大行星的部分數據,探究行星的公轉周期T與半長軸a的關系?

表2 太陽系八大行星的部分數據

生:可以利用線性關系圖像尋找公轉周期T與半長軸a的關系．

問題2:筆者在Excel中作出太陽系八大行星的T-a圖像、T-a2圖像,如圖1、圖2所示,請大家分析一下,根據這兩種圖像的變化趨勢,猜測可能的線性關系圖像?

圖1 太陽系八大行星T-a圖像

圖2 太陽系八大行星T-a2圖像

生:根據這兩種圖像的變化趨勢,可以猜測出線性關系圖像可能T-a、T-a2之間．

問題3:由圖3你能得到什么結論?

圖3 太陽系八大行星的T-a3/2圖像

問題4:表3是太陽系八大行星、月球、地球同步衛星的部分數據,你能從表中得出什么結論?

表3 太陽系八大行星、月球、地球同步衛星的部分數據

生:由表3數據可知,k值與環繞天體無關,與中心天體有關．

通過太陽系八大行星的部分數據進行分析和推理,獲得了行星的公轉周期T與半長軸a的關系,是科學思維的水平2，讓學生感受到科學結論的得出并不是憑主觀臆測,它離不開相應的佐證,從而喚醒學生“言必有據”的理性意識．

2.2 建構模型,培養學生“以理說理”的理性表達

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性描述,是科學研究中對復雜事物的一種簡單的描述方法．在模型建構的活動中往往需要進行觀察或實驗、歸納和演繹,并運用已有知識進行假設、模擬;將復雜的事物進行簡化、抽象出本質屬性,將抽象的概念具體化、形象化;通過模型的建構過程,學生可以親身體驗思考與探索,并加深對復雜事物本質的理解,培養學生科學思維的能力．

圖4

例如,如圖4,一工人沿著斜靠在墻上的梯子向上攀登,有人說人在梯子上的位置越高,梯子越易滑動,你認為該結論正確嗎?如何運用所學的物理知識來加以說明．筆者設計了以下3個問題逐步提升學生的科學思維水平．

問題1:如何理解“梯子越易滑動”?

生:梯子與地面的摩擦力越大,梯子就越易滑動．

問題2:如何將該實際問題轉換為物理模型?

生:把人視為質點,忽略梯子的質量、梯子上端與墻之間的摩擦力等次要因素．

問題3:用什么知識來處理該模型?

生:利用三力平衡知識,具體分析如下.

圖5

對人和梯子整體受力分析,如圖5所示．設人的重力為G,地面對梯子的支持力、摩擦力分別為F1、f,墻對梯子上端的彈力為F2．由平衡知識有F1=G,說明人向上攀登過程中F1的大小不變．由三力平衡知識有,F1、f的合力必通過F2、G延長線的交點,由圖5可知,隨著人在梯子上向上運動,即重力G沿梯子向上移動,地面與梯子摩擦力f的大小在增大,當人到達梯子最上端時,f最大．所以人在梯子上的位置越高,梯子越易滑動．

建構人在梯子上向上運動過程模型時,學生需要對具體問題進行歸納、抽象、簡化,這不僅有利用于學生對核心知識的認識和理解,而且還能體驗建立模型的思維過程,領悟模型方法．能將實際問題轉換成物理模型,這是水平4,若考慮梯子的重力、梯子與墻的摩擦力,那就是水平5了．

2.3 優化問題,引導學生“言必縝密”的理性質疑

問題2:用歐姆表測量的是燈泡的什么電阻?

問題3:常態下燈泡的電阻如何盡可能精確測量?

教師在教學過程中注重引導學生解釋和論證每個實驗環節設計和觀點建構的理由,學生在嘗試提出主張、與人論證、使用證據支持或反駁的過程,培養了理性思維．

2.4 聯系實際,提升學生“以理解疑”的科學思維

課程目標之一是能用所學的物理知識、原理解決實際問題,這種能力不是一蹴而就的,需要教師在日常教學中讓學生不斷去探究,經常把生活中的問題帶到課堂中．

例如,地球上有著許許多多的高山,7000 m以上的大山有400多座,8000 m以上的山峰有14座,那么最高的山可以達到多高的高度呢?這是一個有趣的問題．第一高峰珠穆朗馬峰約高9000 m．是否想過:為什么地球上的最高的山峰不是105m或者更高，又不是1000 m或者更低,而偏偏是104m的數量級呢?

這一問題對學生來說要求較高,筆者設置了如下鋪墊.

問題1:若用豆腐來“疊羅漢”,會出現什么現象?

問題2:山的高度為什么有最大值?

問題3:設石頭全部由SiO2組成,巖石在溶解時每SiO2分子所需要的能量為E=0.03eV,SiO2分子的質量為m=1.67×60×10-27kg,地球表面重力加速度g=9.8 m/s2,如何利用能量守恒估算出地球上山最大高度的數量級?

圖6

為方便估算,我們先將山簡化為如圖6的長方形．為什么山不可以太高?山愈高愈重,而山太重則可能會下沉．山下沉勢能會減少．這些釋放出的勢能能將部分石頭溶掉,山便會繼續下沉．

設山的質量為M,高度為h,山的橫截面積為a,單位體積內SiO2的分子數為n,則山的質量為M=hanm,則山下沉了x時所釋放的重力勢能E1=Mgx=hanmgx．使高度為x的石層的能量為

E2=naxE．山下沉了x所釋放的勢能E1必須少于溶解該層所需的能量E2,否則山便會繼續下沉,即

hanmgx

這與地球上最高山峰高度的數量級相符．火星表面的重力加速度約為地球的 38%,h< 13 km． 火星上最高的火山為奧林匹斯山 (Olympus Mons),高約25 km．

“聯系實際探究一些實際的問題”給課堂教學更大拓展的空間,也為學生科學思維能力的展現提供了更加寬闊的舞臺,留給學生更多發揮聰明才智的空間．在探究的過程中,學生們各抒已見,提出了各種假設以及問題探究的方案,達到了非常好的效果．學生在爭論中科學思維能力達到了新的高度,學生的思維更加開闊．