淺談物理教學中如何培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)

許偉光　曾慶國

摘 要：本文通過當前物理教學中培養(yǎng)物理科學思維的現(xiàn)狀，提出在課堂教學中培養(yǎng)學生科學思維的方法，從三個維度進行論述，落實物理學科學思維核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學;思維;核心素養(yǎng)

一、 問題的提出

在新課改的背景下，高中物理核心素養(yǎng)教育進行得轟轟烈烈。學者們將其物理核心素養(yǎng)分為物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任四大方面。而物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標就是讓學生在理解物理知識的基礎上獲取物理基本技能，并能用合適的方法解決實際的物理問題并培養(yǎng)其物理思維。因此培養(yǎng)學生的科學思維成為實現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的重要途徑。“最美的花朵”“一刻也不能沒有”，對于思維的地位，恩格斯給予的評價可以說是最高了。但問題是，作為物理教師，我們有沒有切身地感受到科學思維之美？我們的學生在學習的過程中，有沒有獲得科學思維美的感受？

科學思維是讓學生通過學習，了解物理學研究問題所運用的思想和方法，科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式。如果你能從已知的信息中，通過頭腦的分析等活動獲得了新的信息，這就是經(jīng)歷了思維的過程。而如果我們的大腦只是通過回憶，把原來儲存在大腦中的信息再現(xiàn)出來，但是沒有產(chǎn)生新的信息，這樣的活動是沒有經(jīng)歷思維活動的。在物理教學中培養(yǎng)學生思維，就是在課堂教學中通過思維訓練，改善學生的思維品質(zhì)和思維結(jié)構(gòu)，從而提高學生分析、解決問題的能力，從而提高學生的物理學科核心素養(yǎng)。

二、 培養(yǎng)科學思維的方法具體實施策略

（一） 注重思維方法的教育，培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)

案例一 伽利略對自由落體運動的研究

人類對自然的研究，總要研究自然的運動，而所有的運動中就屬自由落體運動是最被人熟悉的。2000多年前的希臘哲學家亞里士多德根據(jù)生活中的直覺和經(jīng)驗就提出了重物下落快，輕的物體下落慢的這個觀點。由于他的權(quán)威和與生活經(jīng)驗的吻合，這個觀點被人信奉了上千年。直到400年前，被意大利科學家伽利略所推翻。給同學們演示一張紙片和一枚硬幣同時下落，問同學誰下落的快，回答一定是硬幣了。接下來把制片揉成紙團再做一次實驗，發(fā)現(xiàn)硬幣和紙團幾乎同時著地。通過對兩個實驗的分析得出，其本質(zhì)原因是在于兩種情況下摩擦力不同帶來的影響。

面對復雜的現(xiàn)實，伽利略反而從最簡單的不受阻力的落體運動開始研究，這是一種“以退為進”的思維方法，于是他建立了自由落體運動這個理想模型。這種運動沒有初速度，而且不考慮空氣阻力的影響。伽利略為什么要回避現(xiàn)實，去研究并不存在的自由落體運動呢？這正是他的高明的地方，看是遠離了現(xiàn)實，但是卻靠近了真理。他使我們問題的研究更加簡單，能夠使我們真指問題的核心。而且這樣做也是有現(xiàn)實意義的，因為把實際的很多運動看成是自由落體運動，并不會造成太大的差異。即使有時有差異，再得出自由落體規(guī)律以后，只要加以修正，就可以得到實際落體的規(guī)律。

這里再談談科學思維的力量，根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大，那么如果將輕重不同的兩個物體連在一起，那不是更重了嗎？將得出整體都比原來下落快;而從另一個角度分析，重的物體會因為輕的物體拖著而變慢，這樣重的物體又比原來下落的慢。因此重物輕重對下落快慢的分析中得出了互相矛盾的結(jié)論，因此，伽利略從中得出結(jié)論：只有假定物體下落的快慢與物體的輕重沒有關(guān)系，才能消除這個矛盾。伽利略所采用的是一種“反證法”，根據(jù)伽利略的思想實驗，實質(zhì)上是一種邏輯推理，為了接受實驗的檢驗，據(jù)說伽利略登上了比薩斜塔，在塔頂同時下落輕重不同的兩個小球，結(jié)果兩個小球同時著地。伽利略繼續(xù)思考：既然物體的下落快慢和輕重無關(guān)，那這到底是一種什么樣的運動呢？他有一個可貴的信念，他堅信自然是簡單的，自然界規(guī)律也是簡單的。因此伽利略大膽地猜想，自由落體運動是最簡單的落體運動，因此一定是最簡單的變速運動，速度應該是均勻變化的，但是在當時速度是隨時間均勻變化還是隨位移均勻變化伽利略研究發(fā)現(xiàn)，速度隨時間均勻變化物體的運動會非常簡單，因此伽利略放棄了另一種可能，認定速度是隨時間均勻變化的猜想。在當時實驗條件非常簡陋，物體在有限高度內(nèi)下落時間非常短暫，難以精確測量，為了解決這個問題，做了“沖淡重力”的實驗。

通過改變斜面的角度和改變斜面的長短，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，不同情況下小球的運動都滿足位移與時間平方的比值是一個常數(shù)，然后伽利略合理外推到斜面傾角是90度的情況也應滿足同樣的規(guī)律，至此伽利略完成了對自由落體運動的研究。

將落體運動的知識和獲得這一知識的歷程比較，是落體運動的知識還是研究落體運動過程中所包含的思維方法更讓學生受益，答案是不言而喻的。這個案例運用了大量的思維方法，先是“以退為進”“思想實驗”“堅信自然界簡單原則”“沖淡重力”“邏輯推理結(jié)合實驗驗證”等。這個案例對我們建立培養(yǎng)學生的科學思維觀給予了深刻的啟示，它告訴我們，與科學知識相比，在研究自由落體運動中所用到的科學思維方法，對學生能產(chǎn)生更大的影響力和吸引力。我們更加認識到發(fā)展學生的思維，是我們老師共同的追求，物理教學中我們必須把發(fā)展學生的思維作為物理的核心目標和根本任務。

（二） 從物理教學到物理教育轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)科學思維素養(yǎng)

案例二 牛頓第三定律的教學片段

本教學片段采用對比的教學方法，以知識為本體的教學設計：

（1）先由老師提問，讓學生列舉生活中各種相互作用力的實例。

（2）讓學生到講臺前給大家演示兩個彈簧秤之間力的相互作用，在各種狀態(tài)下將彈簧秤對拉，觀察記錄實驗現(xiàn)象。

（3）通過對實驗的研究分析，得出牛頓第三定律。

注重科學思維的教學

（1）充分的做好如圖所示的演示實驗。

（2）對學生進行提問，讓學生通過實驗現(xiàn)象自己進行歸納總結(jié)，該過程具有發(fā)散性，充分鍛煉了學生的發(fā)散思維能力和表達能力。

（3）師生共同探討，得出結(jié)論。

比較兩種方法的教學：以知識為本體的教學，這種教學方式以教師的講授為主，學生在課堂中的主動參與程度比較低，缺少主動思考問題的過程;這種一步到位的教法，更是有悖于我們物理現(xiàn)在所推崇的核心素養(yǎng)理念。若長此以往，有礙學生科學思維的培養(yǎng)。而通過注重啟迪科學思維的教學，學生會通過觀察實驗現(xiàn)象，得出物體不論是在不同的狀態(tài)下還是受到不同性質(zhì)的力的情況下，兩個物體之間的作用總是相互的。從而更加深刻的理解作用力和反作用力的普適性和廣泛性。通過創(chuàng)設實驗情境，關(guān)注學生的思維過程。知識不可替代思維，在物理教學中我們不可采用灌輸?shù)姆绞浇o學生以知識，而忽視了思維能力的訓練，不能用知識的傳授代替思維的培養(yǎng)。在物理學習中，思維無法發(fā)散，解決問題的思路就難以打開。

（三） 通過模型建構(gòu)，培養(yǎng)科學思維素養(yǎng)

案例三 電磁感應“桿+導軌”的分析

在電磁感應的教學中，對于“桿+導軌”這類題型，在電磁感應的習題中占據(jù)了相當大的比例，也是我們高考中的重要考點。其特點是知識覆蓋面廣，這類題型經(jīng)常涉及兩類研究對象，即電學對象和力學對象，通過此類題目情境的創(chuàng)設，巧妙地將力學內(nèi)容和電學內(nèi)容有機地結(jié)合起來，而聯(lián)系這兩大內(nèi)容的橋梁就是導體棒在磁場中運動產(chǎn)生的安培力，其大小和方向的變化，直接導致了這兩類對象的狀態(tài)改變。因此題型其特點是靈活多變，對學生的能力區(qū)分度高，因此深受高考命題者的喜歡，學生也由于這類題目綜合性強，往往不能很好的把握。但是我們發(fā)現(xiàn)在處理這類題目過程中，往往都可以建立如下的模型，具體老師在分析問題時，根據(jù)問題進行模型歸類，往往問題就可以迎刃而解。

【方法歸納】解決電磁感應中的動力學問題的一般思路是“先電后力”，一般思維邏輯關(guān)系可由以下四步法加以解決，其流程圖如下：

“桿+導軌”模型又可分為“單桿”型和“雙桿”型，導軌方式可以分為水平、豎直和傾斜;桿的運動狀態(tài)可以為勻速、勻變速、非勻變速等。題型和考查方式可謂千變?nèi)f化，但是我們通過歸納總結(jié)物理模型，透過紛繁的現(xiàn)象看到問題的本質(zhì)，這就是我們科學思維的集中體現(xiàn)。只有培養(yǎng)了學生的物理思維，才能讓他們能夠不受事物表象的迷惑和干擾，善于運用概念思維、模型思維抓住問題的核心，揭示隱含的信息，善于根據(jù)事物的初始狀態(tài)預見事物的發(fā)展。

三、 感想與體會

建構(gòu)主義教學認為，教學不是老師將知識以成品的方式教給學生的過程，而是學生主動探究的過程。學生的學習更不應該是單純的輸入和接收，更應該是在原有的知識結(jié)構(gòu)基礎上，先對新的知識產(chǎn)生質(zhì)疑，然后經(jīng)過猜想、假設、實驗驗證等一系列思維過程，設計有意義的探究活動，從而實現(xiàn)新知識的理解和建構(gòu)。因此在物理教學中，我們要精心設計教學過程，一定要讓學生親歷物理知識的建構(gòu)過程，要激發(fā)學生積極思維，讓學生思維能力得到充分的鍛煉，通過這個過程，學生不僅獲得了新的知識，更能使學生獲得能力和方法。通過典型物理模型的建模過程，幫助學生把握知識的要點，弄清知識之間的內(nèi)涵和外延，有效地突破難點。通過科學思維的案例，介紹物理學發(fā)展史中科學家運用的思維方法，形成科學思維的整體思路，我們學習的知識只是一個載體，而我們物理教師更需要關(guān)注的是知識教學承載了哪些思維的教育。“授人以魚，不如授人以漁”說的就是這個道理。只有教學中堅持這些原則，才能將科學思維和日常生活等實際問題結(jié)合起來，提高學生的科學思維能力，落實物理學核心素養(yǎng)。

作者簡介：

許偉光，曾慶國，浙江省嘉興市，浙江省海鹽縣元濟高級中學。