在建構知識過程中培養學生的科學思維能力

摘?要：物理知識是物理核心素養形成的載體，物理核心素養是物理學科育人價值的集中體現，科學思維是物理學科核心素養的核心內容.前人認知科學的過程就是知識形成的過程，學生學習科學的心理順序與前人探索科學的歷史順序基本一致.教師應從知識的始點出發，按照知識形成的順序設計教學，在建構知識過程中通過科學推理、科學論證、質疑創新、模型建構等培養學生的科學思維能力.

關鍵詞：建構知識;科學思維;物理核心素養

文章編號：1008-4134（2020）02-0048?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：王峰（1971-），男，山東濟寧人，本科，中學高級教師，研究方向：課堂教學與研究.

物理知識是物理核心素養形成的載體，物理核心素養是物理學科育人價值的集中體現，科學思維是物理學科核心素養的核心內容.學生的科學思維能力需要從建構知識過程中培養，所以，教師在設計教學時不應單純地注重知識傳授，應按照知識形成的順序設計教學，在建構知識過程中培養學生的科學思維能力.

1?建構概念：以“額定電壓與額定功率”為例

1.1?注重知識傳授的教學設計

“額定電壓與額定功率”是“認識電功率”的延續、深化與拓展.教師常常先安排學生看書自學或直接介紹額定電壓、額定功率等概念，使學生了解、認識概念，接著進行講解，讓學生理解概念，然后安排學生實驗——測量小燈泡的電功率，讓學生進一步理解和鞏固概念，最后安排習題，讓學生運用概念解決實際問題.

上述教學過程的每個環節，都是緊緊圍繞知識本身設計的，這種設計，即使學生掌握了知識，但是，由于教師沒有組織學生親身經歷建構知識的過程，沒有設計鍛煉學生推理、論證以及質疑創新等能力的環節，也就失去了在概念建構過程中培養學生科學思維能力的契機，難以提升學生的核心素養.

1.2?注重建構知識的教學設計

將一個未知燈泡與滑動變阻器串聯，如圖1所示，控制燈泡由暗逐漸變亮、變亮、再變亮，最后突然被燒壞.這樣會猛烈沖擊學生的感官，引發認知沖突.接著引導學生分析燈泡亮度變化及被燒壞的原因，可得出：電壓過低時，燈泡較暗;電壓升高，燈泡變亮;電壓過高時，燈泡容易被燒壞.由此使學生深深地感受到：燈泡的亮度受電壓的影響——這就是建立額定電壓、額定功率概念的起點.

上述實驗現象還會引發學生推理、質疑：燈泡兩端加多大的電壓才能正常發光呢？帶著這個問題進入如圖2所示的實驗，先讓學生觀察燈泡上標示的電壓，然后改變燈泡兩端的電壓，使其小于、等于、大于燈泡上標示的電壓，觀察燈泡亮度的變化，通過比較發現：小燈泡發光存在一個最佳狀態，這時的電壓與標識的電壓相當，此時引入額定電壓、額定功率的概念便水到渠成了.接著聯系生活實際，讓學生認識各種其他用電器銘牌上標示的額定電壓、額定功率等概念，將“使燈泡正常工作”推廣到“使用電器正常工作”.最后進行實驗——“測量小燈泡的電功率”，通過實驗觀察，進一步鞏固額定電壓和額定功率的概念.

這種按照知識形成過程設計的教學，即：從知識的起點出發創設情境，讓學生親身體驗、推理、質疑、實驗論證，經歷概念建構的全過程，使學生真正了解概念的來龍去脈，不僅有利于學生理解和掌握概念，還能達到在建構知識過程中培養學生科學思維能力的目的.

2?建構規律：以“探究杠桿的平衡條件”為例

2.1?注重知識傳授的教學設計

在學習“杠桿”一節時，教師通常在引入新課認識杠桿后，直接給出杠桿及其五要素的定義，接著對照實驗器材講解各要素，通過作圖加深對力臂的認識，然后進行實驗“探究杠桿的平衡條件”.

教材是這樣編的，教師也是這樣教的，這是因為編者和教師都知道杠桿的平衡條件是本節的重點，它與力臂有關，為了教杠桿的平衡條件，就要先引入力臂的概念.這一教學順序教師覺得理所當然，但對于對杠桿平衡條件一無所知的學生來說卻感到“力臂”的引入很突兀、很難理解，成了學習的一大難點，造成這一難點的原因是教師的教學設計不符合知識的形成過程和學生的認知順序.

2.2?注重建構知識的教學設計

人們觀察和研究杠桿平衡條件的過程中，應該不是先認識力臂、再研究杠桿平衡的條件，而應該是在研究過程中逐步發現：影響杠桿平衡的不是支點到力的作用點的距離，而是支點到力的作用線的距離，這才引入了力臂的概念.找到引入力臂的原因，我們可以從認知的起點出發，按照知識形成的過程，將教學順序調整如下：（1）新課引入，初步認識杠桿，建立杠桿、支點、動力和阻力的概念;（2）探究水平直杠桿（如圖3所示）的平衡條件，得出結論：動力×支點到動力作用點的距離=阻力×支點到阻力作用點的距離，即：F1×OA=F2×OB;（3）探究各種彎杠桿（如圖4、圖5所示）的平衡條件發現：當杠桿平衡時，F1×OA≠F2×OB，質疑剛剛得出的結論;（4）進一步觀察發現：F1×OA=F2×OC.從而得出：杠桿的平衡不是跟支點到力作用點的距離有關，而是跟支點到力的作用線的距離有關，從而引入力臂的概念;（5）與圖3的杠桿對照（OA、OB 分別是F1 、F2的力臂），修正剛才的結論，建構適用于各種杠桿平衡的普遍規律.

這樣，按照認知的順序，讓學生仿照前人探究的過程，從簡單到復雜、從特殊到一般，通過質疑、修正一步步建構起杠桿平衡的條件.

注重知識傳授的教師往往注重知識本身的正確性，而忽視建構知識過程及順序的正確性.前者的錯誤容易被識別，而后者的不當常常被忽視，有些教師終生都意識不到，這樣的教師設計的教學往往簡化或省略建構知識的過程，甚至直接將知識原盤托給學生，這樣既不利于學生對知識的理解和掌握，也難以培養學生的科學思維能力.

3?建構模型：以“法線”為例

3.1?注重知識傳授的教學設計

在講授光的反射定律時，有的教師往往在引入新課后，按照教材中的順序，對照實驗現象、反射光路圖讓學生自學并識記入射點、入射光線、反射光線、法線、入射角、反射角等概念，或將這些概念一起直接介紹給學生，在學生了解這些概念的基礎上“探究光的反射規律”，以達到掌握“光的反射定律”的目的.

這種直接把“法線”教給學生的設計，簡單、明了，但由于缺少建構“法線”模型的過程，多數學生對為什么要引入法線思考較少，體驗不到前人為描述反射光線的位置、探究光的反射規律所做的各種努力，不利于培養學生的科學思維能力.

3.2?注重建構知識的教學設計

首先請學生用激光筆照射平面鏡，同時向鏡面處噴灑水霧，觀察光的反射現象，如圖6所示.接著請學生根據觀察到的現象，用泡沫面代表鏡面，用兩個貼有箭頭的直棒代表入射光線和反射光線，制作光的反射模型，展示各組同學制作的模型，引導他們比較、辨析，達成共識，如圖7所示.然后，請學生對照模型描述反射光線的位置.

因為缺少法線，學生的各種描述很難將反射光線的位置唯一確定.在學生經歷各種失敗、感到困惑、百思不得其解時，教師順勢而為，將一支紅白相間的直棒插在入射點上，并與“鏡面”垂直，如圖8所示，告訴學生：“這條過入射點垂直于鏡面的輔助線叫法線.”有了法線即可引入反射角與入射角，學生的再次描述驟然變得簡捷而嚴謹.此時教師并不就此為止，而是進一步引伸：“在光的反射現象中是否存在這條法線？”

“不存在.”“對！科學家之所以引入這條法線，目的就是在研究光的反射規律時，便于描述反射光線的位置.像這種研究問題的方法叫建構模型法.”此時，學生會自然而然地領悟到建構模型法的巧妙和重要性，這樣也就達到了教給學生用建構模型法研究物理問題的目的.

“建構與應用模型是物理學最重要的研究方法之一，也是物理學的核心學科特色.”“建模方法是科學研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學思維，創設基于建模的科學學習環境，有利于學生建模思維的發展.”因此，我們在初中物理教學中，要結合與建構模型相關的內容，例如：勻速直線運動、力的圖示、連通器、杠桿、光線、電路圖、磁感線以及原子結構模型等，不失時機地教給學生運用建構模型的方法研究物理問題，帶領學生經歷建構模型的過程，從中領悟建構模型的思維方法，培養學生的科學思維能力.

總之，前人認知科學的過程就是知識形成的過程，學生學習科學的心理順序與前人探索科學的歷史順序基本一致，學生在學習科學過程中所遇到的困難往往就是人類在科學研究過程中需要長時間累積、消化的突破點.因此教師在備課時應認真研究知識的形成過程和形成順序，把自己的思維“降低”到學生的認知水平，分析建構知識過程中學生可能遇到的困難，然后和學生一道從知識的始點出發，按照知識形成順序逐步建構物理概念、規律和模型，并在建構知識過程中通過科學推理、科學論證、質疑創新以及模型建構等培養學生的科學思維能力，進而提升學生的物理核心素養，實現物理學科育人的目的.

參考文獻：

[1]鄒芳. 基于學生物理核心素養發展的初中多個版本部分教材分析[D].南昌：江西師范大學，2018.

[2]廖伯琴. 以學生發展為本改進普通高中物理課程——《普通高中物理課程標準（2017年版）》解讀[J]. 人民教育，2018（10）：43-46.

[3]陶麗萍. 中學生物教學物理模型設計[D].濟南：山東師范大學，2013.

[4]房金萍. 建構物理模型在高中物理教學中的實踐研究[D].長春：東北師范大學，2011.

[5]史獻計.物理模型建構的心理過程分析[J].物理教師，2005（04）：7-8.

（收稿日期：2019-10-19）