物理教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)

黃基森

摘 ? 要：科學(xué)思維模式主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。就科學(xué)思維特點(diǎn)而言，它又可以劃分為抽象思維、聯(lián)動(dòng)思維、化歸思維、數(shù)理思維等。物理教學(xué)中學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)的途徑為：突出概念本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生的抽象思維;引導(dǎo)延伸追問(wèn)，促進(jìn)學(xué)生的聯(lián)動(dòng)思維;通過(guò)問(wèn)題演變，促進(jìn)學(xué)生的化歸思維;借助數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)學(xué)生的數(shù)理思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;抽象思維;聯(lián)動(dòng)思維;化歸思維;數(shù)理思維

科學(xué)思維，指人們正確認(rèn)識(shí)客觀事物和解決實(shí)際問(wèn)題的思辨方式或思維模式。如分析、比較、歸納、綜合、抽象、概括、質(zhì)疑、推理、論證等，均是科學(xué)思維的不同思辨方式或思維模式[ 1 ]。 從物理學(xué)的研究角度來(lái)說(shuō)，科學(xué)思維模式主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。就科學(xué)思維特點(diǎn)而言，它又可以劃分為抽象思維、聯(lián)動(dòng)思維、化歸思維、數(shù)理思維等[ 2 ] 。 筆者就初中物理教學(xué)對(duì)這四種科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，談?wù)剛€(gè)人的認(rèn)識(shí)。

1 ?突出概念本質(zhì) ?促進(jìn)學(xué)生的抽象思維

物理概念是物理現(xiàn)象或物理過(guò)程在本質(zhì)或特征方面的概括性反映，其中抽象性的科學(xué)思維是建立概念的重要方式。所謂抽象思維，指運(yùn)用分析與綜合、抽象與概括的方法來(lái)揭示事物本質(zhì)屬性或特征的思維過(guò)程[ 1 ]。如“力是物體對(duì)物體的作用”概念，它就是在對(duì)諸多力現(xiàn)象進(jìn)行分析和比較基礎(chǔ)上進(jìn)行抽象概括而獲得的認(rèn)識(shí)。其中“每個(gè)物體既是受力物體又是施力物體”的性質(zhì)就是力現(xiàn)象的共同特征，至于“兩物體是否接觸”的作用位置、“推、拉、壓、擠”的作用方式、“形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變”的作用效果，這些均不是力現(xiàn)象的本質(zhì)性內(nèi)涵。依據(jù)力的作用位置、作用方式與作用效果特點(diǎn)，由力作用的內(nèi)涵又可以構(gòu)建“力的三要素圖示模型”。這就是力概念建立的抽象思維過(guò)程。可見(jiàn)，抽象思維是概念模型建構(gòu)的基礎(chǔ)。

概念的建立，為描述物理規(guī)律提供了可能，同時(shí)也奠定了物理學(xué)理論的基礎(chǔ)。這足以體現(xiàn)抽象思維的價(jià)值。

在概念建構(gòu)中要促進(jìn)學(xué)生的抽象思維，關(guān)鍵在于突出概念的本質(zhì)，從而奠定抽象與概括的思維基礎(chǔ)。如“壓強(qiáng)”概念的構(gòu)建，教學(xué)中可以設(shè)置以下教學(xué)活動(dòng)：

（1）演示“壓力的作用效果”實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生知道“壓力”與“受力面積”是決定“壓力作用效果”的兩個(gè)要素;

（2）提出問(wèn)題讓學(xué)生思考：

①在水平桌面上，一塊磚平放和兩塊磚疊置平放，哪種壓力的作用效果大？

②在水平桌面上，同一塊磚平放和側(cè)放，哪種壓力的作用效果大？

由上面兩個(gè)問(wèn)題來(lái)啟發(fā)學(xué)生“同中辨異”的比較思維，因?yàn)楸容^是抽象的基礎(chǔ)。

（3）啟迪學(xué)生的抽象思維：

提出問(wèn)題1：在水平桌面上，放置一盒粉筆和一杯水，哪種壓力的作用效果大？對(duì)此問(wèn)題，壓力和受力面積均不同，難于比較，學(xué)生會(huì)感到困惑。

提出問(wèn)題2：能否轉(zhuǎn)化為“同中辨異”的問(wèn)題？這個(gè)“同”是什么呢？速度概念是怎么建立的？

在問(wèn)題2中，學(xué)生自然會(huì)聯(lián)想速度概念的構(gòu)建過(guò)程，借助類(lèi)比，一般學(xué)生就能想到用“壓力/受力面積”來(lái)描述壓力效果，所謂“同”，這里指“單位面積所受的壓力大小”。這就是“壓強(qiáng)”概念教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生抽象思維的過(guò)程。

2 ?引導(dǎo)延伸追問(wèn) ?促進(jìn)學(xué)生的聯(lián)動(dòng)思維

聯(lián)動(dòng)思維，指由此及彼的連貫性思維。其形式可以是刨根問(wèn)底的遞進(jìn)思維，也可以是不同方向的發(fā)散思維，還可以是“由因索果”到“由果究因”的逆向思維，其中的流暢性、靈活性與變通性是其主要特征[ 1 ]。聯(lián)動(dòng)思維是一種創(chuàng)造思維，它是促使物理科學(xué)發(fā)展的重要思維品質(zhì)。牛頓由伽利略“運(yùn)動(dòng)物體不受力作用會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去”的觀點(diǎn)提出了牛頓第一定律，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)而提出牛頓第二定律，這就是思維遞進(jìn)的結(jié)果。奧斯特發(fā)現(xiàn)“電能生磁”，法拉第則猜想“磁也能生電”并歸納出“電磁感應(yīng)定律”，這就是“由果究因”的逆向思維。

初中物理僅是介紹簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象與知識(shí)，而且多數(shù)屬于定性描述，更復(fù)雜更深?yuàn)W的東西以及定量描述都屬于高中或大學(xué)內(nèi)容，因此在延伸拓展教學(xué)方面，初中物理有著廣闊的空間，延伸提問(wèn)的目的就是誘發(fā)學(xué)生的聯(lián)動(dòng)思維。

引導(dǎo)延伸提問(wèn)，就是要求學(xué)生在教材知識(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上適當(dāng)深入或擴(kuò)展性地提出一些新問(wèn)題，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是學(xué)會(huì)聯(lián)動(dòng)質(zhì)疑。就質(zhì)疑思維而言，它可以分為以下三種方式：①由現(xiàn)象究原理。如對(duì)于“冷水澆鐵皮罐”實(shí)驗(yàn)，在認(rèn)知“氣體的壓強(qiáng)隨溫度降低而減小”的基礎(chǔ)上，如果學(xué)生能提出“為什么溫度越高氣體的壓強(qiáng)越大？”“氣體壓強(qiáng)變化與溫度變化具有怎樣的數(shù)量關(guān)系？”等問(wèn)題，那么這何嘗不是科學(xué)探究的起步？②由原理究方法。如針對(duì)“在岸邊看水中的‘魚(yú)變淺了” 的折射問(wèn)題，學(xué)生如果能提出“從水中看岸上的人是變高了還是變矮了？”，那么這就是一種逆向的聯(lián)動(dòng)思維，如果學(xué)生進(jìn)而能提出“用什么方法來(lái)驗(yàn)證像的大小”問(wèn)題，這何嘗不是科學(xué)方法層面的思維。③由方法促創(chuàng)造。如對(duì)于“伏安法測(cè)電阻”，不論安培表外接還是內(nèi)接，都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，多數(shù)學(xué)生都能分析出哪一種接法測(cè)量值是偏大還是偏小的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上，如果學(xué)生能進(jìn)一步提出“哪一種接法誤差較小”“誤差大小與哪些因素有關(guān)”“怎樣的測(cè)量電路方可消除誤差”等問(wèn)題，那么這就是逐步推進(jìn)的創(chuàng)造思維。

對(duì)于上述問(wèn)題，雖然初中學(xué)生難于做到獨(dú)立性解決，但就培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維而言，卻有著積極的意義。

3 ?通過(guò)問(wèn)題演變 ?促進(jìn)學(xué)生的化歸思維

“以舊探新”的認(rèn)知方法是人們獲取新知識(shí)或形成新技能的基本方法。所謂化歸思維，指把問(wèn)題由難化易，由繁化簡(jiǎn)，由復(fù)雜化簡(jiǎn)單、由未知到已知而認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的思維方式，其中“難化易”或“繁化簡(jiǎn)”的“轉(zhuǎn)化”是其思維靈魂[ 1 ]。“以舊探新”的認(rèn)知方法，實(shí)質(zhì)就是化歸思維的具體運(yùn)用。如“聲音的傳播”，學(xué)生難于理解其傳播原理，如果教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生借助己熟悉的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題模型來(lái)認(rèn)識(shí)“物體振動(dòng)（發(fā)聲）→空氣振動(dòng)→耳膜振動(dòng)（聲覺(jué)）”，那么學(xué)生對(duì)“聲音的傳播”就能形成直觀形象化的理解，進(jìn)而也會(huì)運(yùn)用“速度公式”來(lái)定量分析聲音的傳播問(wèn)題。這就是認(rèn)識(shí)或解決新問(wèn)題中的化歸思維。

在物理學(xué)中，化歸思維主要體現(xiàn)在“問(wèn)題模型化歸”和“思想方法化歸”兩方面。如上面把“聲音的傳播”轉(zhuǎn)化為“勻速運(yùn)動(dòng)模型”就屬于問(wèn)題模型的化歸，而用“累計(jì)法”測(cè)定紙張厚度就是“放大思想”的化歸，其中化歸的具體過(guò)程與方法就是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行演變而類(lèi)化。

課題知識(shí)難點(diǎn)的教學(xué)突破是啟迪學(xué)生化歸思維的良好契機(jī)。如對(duì)于“凸透鏡會(huì)聚平行光”的性質(zhì)，學(xué)生難于理解，為突破這個(gè)難點(diǎn)，教學(xué)中就可以引導(dǎo)學(xué)生把這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為下面四個(gè)已知的問(wèn)題：①平行三棱鏡底邊的光通過(guò)三棱鏡后會(huì)向底邊偏折;②凸透鏡可以粗略看成是底邊重合的兩個(gè)三棱鏡的組合;③由于對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，關(guān)于底邊對(duì)稱(chēng)的平行光經(jīng)三棱鏡折射后必定在底邊的延長(zhǎng)線上相交;④實(shí)際的凸透鏡可以分解為無(wú)數(shù)個(gè)頂角不同的三棱鏡截出底邊部分的組合，越靠近邊緣，三棱鏡的頂角越大，光線偏折越大。明確了上面四個(gè)問(wèn)題，學(xué)生不僅能較好地理解“凸透鏡會(huì)聚平行光”的性質(zhì)，而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的化歸思維，也有著很好的啟迪作用。

解題思維的形成教學(xué)是訓(xùn)練學(xué)生化歸思維的良好途徑。如“鉛筆斜插入裝有水的玻璃杯中，從側(cè)面觀察，就是“水中鉛筆為什么變粗”的問(wèn)題，如果教師啟發(fā)學(xué)生把玻璃杯和水看做是凸透鏡，那么這種化歸思維則會(huì)使得學(xué)生豁然開(kāi)朗，這就是化歸思維的魅力。

4 ?借助數(shù)學(xué)模型 ?促進(jìn)學(xué)生的數(shù)理思維

數(shù)學(xué)作為一種語(yǔ)言或工具，對(duì)物理學(xué)的建立與發(fā)展有著重要價(jià)值和作用。首先是數(shù)學(xué)對(duì)物理概念與規(guī)律的定量描述提供了簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言，使得物理理論體系得以建立;其次是數(shù)學(xué)為物理科學(xué)的抽象思維與邏輯推理提供了便捷的工具，使得理論與實(shí)際應(yīng)用對(duì)接[ 2 ]。作為數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理學(xué)科的數(shù)理思維，即用數(shù)學(xué)思想和方法來(lái)描述物理世界思維方式，它是物理科學(xué)思維的重要思維品質(zhì)，而教學(xué)中借助對(duì)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和認(rèn)識(shí)是促進(jìn)學(xué)生數(shù)理思維的主要途徑。

首先要重視概念與規(guī)律的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)。物理概念與規(guī)律是構(gòu)成物理學(xué)理論的基本元素，其數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程，正是人們對(duì)物理世界的研究和認(rèn)識(shí)過(guò)程，重視這個(gè)過(guò)程的教學(xué)，既是教學(xué)的返璞歸真，更是促使學(xué)生形成數(shù)理思維的有效過(guò)程。引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念與規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述物理現(xiàn)象或過(guò)程的本質(zhì)或特征。如“密度”概念，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：對(duì)同一種物質(zhì)，雖然質(zhì)量和體積均不相等，但兩者的比值都相等;對(duì)于不同的物質(zhì)，其比值都有特定的值。如何用數(shù)學(xué)形式來(lái)描述物質(zhì)的這種特征呢？教學(xué)中要讓學(xué)生去思考或討論，讓學(xué)生自己嘗試建立ρ=■的數(shù)學(xué)模型，切忌教師包辦代替。只有通過(guò)學(xué)生個(gè)體的“悟”，數(shù)理思維才能得以發(fā)展。

其次是重視數(shù)學(xué)模型中物理意義的認(rèn)知教學(xué)。數(shù)理思維，既要從數(shù)學(xué)的角度來(lái)理解物理事件實(shí)質(zhì)，又要從物理的角度來(lái)認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)模型的內(nèi)涵。如液體壓強(qiáng)公式P=ρhg，從數(shù)學(xué)的角度可理解為：公式是依據(jù)固體的壓強(qiáng)概念而得到的，其適用情形為靜止的液體。物理意義為：在同一地點(diǎn)和針對(duì)同一種液體，其內(nèi)部壓強(qiáng)大小與深度成正比，方向?yàn)楦鱾€(gè)方向，這種特點(diǎn)是由液體流動(dòng)性特點(diǎn)所決定。從物理的角度又可理解為：公式是表示液體內(nèi)部壓強(qiáng)隨深度的變化關(guān)系，如果用P—h圖象來(lái)描述，它是通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，其斜率表示物質(zhì)密度ρ與重力加速度g的乘積，對(duì)不同的液體其圖象斜率不同，對(duì)同一種液體，所處的地理位置不同，這個(gè)斜率值也不同。顯然，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)和物理這兩個(gè)角度來(lái)認(rèn)識(shí)物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，既有利于促進(jìn)學(xué)生的數(shù)理思維，又可以促使學(xué)生更好地運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)分析與解決實(shí)際的物理問(wèn)題。

科學(xué)思維素養(yǎng)是物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。從育人目標(biāo)層面而言，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，就是教會(huì)學(xué)生如何思考問(wèn)題，即如何分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。科學(xué)思維素養(yǎng)，既是學(xué)生當(dāng)前學(xué)好各種課程的基本素養(yǎng)，又是學(xué)生未來(lái)從事社會(huì)實(shí)踐工作的必備素養(yǎng)，更是學(xué)生能獲得終生發(fā)展的重要素養(yǎng)。

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