在物理復習課中提升學生的科學思維能力
——以力學實驗復習為例

(北京師范大學附屬中學，北京 100052)

2013年教育部啟動了普通高中課程標準的修訂工作，將提升學生的核心素養作為高中課程目標。核心素養是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：物理學科核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面構成。如何培養和提升學生的物理學科核心素養，成為物理教師關注的問題，其中的一個焦點就是科學思維。課程標準指出：科學思維是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、檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品質。

復習課是提升學生科學思維的一個很好契機，因為在復習階段學生已經具備一定的知識基礎，教師如果能夠設計出良好的問題，指導學生對物理觀念進行歸納、總結，形成相互關聯的整體結構，能給學生提供分析、解決問題的機會，并做好示范，就能對提升學生的科學思維能力有良好的促進作用。下面以力學實驗復習為例，談談筆者所做的一些嘗試。

1 有機整合知識，打破固有模塊，凸顯事物的共性和內在聯系

以往力學實驗的復習多采用模塊的方式，通常一個實驗一個模塊，學生和教師一起完成實驗原理、器材、步驟、數據處理、誤差分析等復習。這樣的方式能夠提高學生對實驗的縱深理解，但缺少橫向聯系，學生知識的獲得是針對一個個具體實驗，對力學實驗的基本方法和基本操作往往并沒有一個整體的認識。為了突破這個局限，我們對力學實驗進行了重新整合。

高中力學的核心內容是研究力和運動的關系，因此“運動的記錄”和“力的測量”就成了力學實驗中的兩個基本問題。我們梳理了高中力學實驗，如“研究勻變速運動”“驗證牛頓第二定律”“探究動能定理”等，都必須首先記錄下物體的運動軌跡，并(直接或間接)測量出描述運動的物理量(如x、v、a等)，然后才能進一步研究。因此，我們把“物體運動的記錄”作為力學實驗復習的第一個專題，對基本問題和測量方法進行了探討，具體流程如圖1所示。

圖1

這樣做的目的為：(1) 使學生認識到各個實驗并不是孤立的，例如，它們都要記錄物體的運動，都可以用打點計時器來實現，甚至實驗裝置都很相似，如圖2所示的裝置就在教材中出現了3次，分別用來研究勻變速運動、驗證牛頓第二定律和探究動能定理，這使學生意識到要去尋找事物的本質屬性和內在的基本規律，掌握了基本方法后還可以解決新問題。

圖2

2 通過問題解決重現核心概念、規律，促進學生的深度理解

選擇“速度”作為重點關注的核心概念，原因有：(1) “速度”是與物體的運動狀態直接相關的物理量，物體的速度變了，運動狀態就發生變化，這需要有力的作用；(2) 瞬時速度體現了極限的思想，而這種思想在實際的實驗中如何運用，是一個值得討論的問題；(3) 速度的變化率對其他物理量的變化率具有借鑒的意義。

在以往的教學中，多強調勻變速運動的速度公式，沒有對核心概念作更多的復習。我們以實際的操作問題為背景，通過問題解決的方式對“速度”的概念進行討論，收到了一些意想不到的效果。我們在教學中抽離勻變速運動的條件，改為討論一般的運動，以分析打點計時器記錄的紙帶為例，引導學生思考和討論，具體的問題解決流程如圖3所示。

圖3

這樣做一方面使學生更好地認識平均速度和瞬時速度的區別與聯系，另一方面使學生能夠更好地體會理論與實驗之間的辯證關系。

3 創設問題情境，提升學生科學思維能力

在復習完紙帶問題后，由學生自己解決氣墊導軌與數字計時器的應用問題，教師先展示了一個例題，教學過程如下。

例題：遮光片的寬度d=3.0cm,滑塊在牽引力作用下先后勻加速通過兩個光電門,通過第一個光電門的時間為Δt1=0.30s,通過第二個光電門的時間為Δt2=0.10s，遮光片從開始遮住第一個光電門到開始遮住第二個光電門的時間為Δt=3.0s，試估算滑塊的加速度。

生C：沒有那么復雜吧，題目中說的是估算，直接用Δt就好了。

生D：可以計算一下，直接用Δt計算加速度的結果是用t計算加速度的結果是相對誤差為應該沒問題。

師：一定要用到中間時刻的瞬時速度等于平均速度嗎？

生E：可以不用吧，通過光電門的時間很短，可以認為在這段時間里滑塊近似做勻速運動，可以像生D那樣算一下，我覺得沒問題。

生F：其實跟前面紙帶的處理是類似的吧。

這個例題，實際上就是人教版高中物理必修1上的“問題與練習”，是一個值得討論的好問題。從上述教學過程可以看出：在教師的指導下，學生進行分析推理、質疑檢驗、修正，展現了一個較好的物理思維過程。這樣的教學方式對以后的問題解決會具有良好的示范作用，對學生的能力提升也具有促進作用。