教學生“像科學家一樣思考”*
——以“追尋守恒量”教學為例

汪 明

2020 年1 月，教育部著眼于國家對人才的戰略需要，為培養拔尖創新人才而實施“強基計劃”。國際上，美國已經把其21 世紀學習框架中人才培養的18 個要素聚焦為“4C 核心素養”，再聚焦“核心素養的心臟”謂為“反思”（the heart of key competencies）。反思的本質就是對思維不斷批判、不斷重新認知的過程，因此，課堂教學應該提供給學生真實的問題場景，讓學生在與情境的持續互動過程中開展觀察、實踐、評價與反思，從而發展學生分析、評估和創造等高階思維能力，努力讓學生學會“像科學家一樣思考”。

一、教學模型

物理學的研究范式離不開思維與實踐。課堂上理應重視批判性思維的運用，踐行深度學習理論，教會學生像科學家一樣思考。具體到物理學科教學，教師需要對學生進行批判性思維訓練，培育學生的理性精神和實踐能力，引導學生尊重事實和證據，有實證精神，有科學態度，邏輯清晰，求真務實，會應用科學的思維方式認識事物和解決問題，并能規范自己的行為。其研究范式一般可總結為：提出命題→理論解釋→理論預言→實驗驗證→反思評價→完善理論→再次提出命題……可以看出，物理學的理論構建最終都要以觀測或實驗事實為準則，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或者被推翻，進而提出新的命題，進入下一個循環周期。

在此基礎上建構出“像科學家一樣思考”的課堂教學模型，是基于批判性思維的深度學習模型，其教學模型如圖1所示：

圖1 展示了本研究所構建的“基于批判性思維的深度學習模型”。左側框圖呈現了深度學習的一般過程，右側框圖呈現的是相關的批判性思維能力諸要素，兩框之間的箭頭體現了批判性思維對深度學習活動的整合功能。

在學習伊始階段，通過“識別問題”和“明確目標”，學習者將知識與其產生的問題背景相聯系，明晰知識產生的目標價值取向。通過深度剖析知識產生的來龍去脈，有效避免了知識的孤立學習，為知識的抽象提煉提供更為豐富、深刻的經驗背景。

在“回憶已知”（即激活原有知識）和“選擇性知覺”（即聯系新知）階段，學生通過批判性思維，感知、搜集與整理與當前所學內容相關的有用信息，在“信息整合與知識建構”階段，學習者通過評估、整合信息，在新舊知識間尋找相關聯因素，做出相關假設，形成合理判斷，即建立有關概念、原理、策略的理性認識。

“問題解決”與“遷移運用”最能體現深度學習的基本特征。這兩類活動促使學生突破知識的簡單記憶，達成知識的深刻理解與靈活運用。遷移運用和問題解決均要求學生在新的問題情境中運用所學知識界定問題、分析問題、提出假設、行動反思，在這一階段，學生有可能并不是一次性地完成概念建構，而是需要經過反復實踐檢驗后多次建構，這一過程恰恰蘊含著批判性思維能力的形成。正是經歷這樣的理解、應用和反思，學生才得以從多角度、深層次理解知識，實現知識的多維建構。

鑒于批判性思維在深度學習能力結構中的特殊地位，筆者以人教版高中物理必修2 中“追尋守恒量”這節教學內容為例，將該模型與具體學科教學相結合，以實驗研究驗證其學習效果，意圖通過思維課堂與深度學習相整合，提升學生的知識建構、遷移與運用的水平，建構學生的運用批判性思維和高階思維的能力與品質。

二、教學實施

“追尋守恒量”這一章節，是物理新課程改革的新增內容，文字內容雖少，但地位極其重要。這節課的教學需要教師根據學情和自身研究特長進行有目的的擴展，具體說來有三方面：一是從生活現象中感悟守恒的思想種子，知道自然界中存在著多種守恒，守恒是自然界的重要規律，體會尋找守恒量是科學研究重要的思路，也是解決問題的途徑；二是從物理學角度挖掘相關物理量守恒的實驗，運用實驗觀察分析與數學推理分析，讓學生經歷類似于科學家的研究過程，從實際情景中抽象概括出某種關鍵因素，運用已有的知識和方法，迸發靈感，升華出新概念或新觀念；三是從物理學史角度介紹能量守恒的發現歷程，了解人類追尋“能量”這一守恒量的探究過程，體驗守恒思想的重要意義，增強學生的科學意識，提升科學探究能力并促進其科學思維的形成。

1.生活情境，體驗科學建模。

先引導學生精讀文本，接著筆者設計一個小實驗，故意讓玩具“魔方”掉落在地上，散落在講臺前各處，然后讓學生尋找遺失的部分，結果發現缺少了一塊。提問：

師：在確保剛剛魔方是完整的情況下，如果給你足夠的時間，我們能不能找到？

生：能。

師：是什么堅定你可以找到的信念？

生：魔方塊是不可能無辜消失的，其總量是保持不變的。

調動出學生的興趣之后，接著筆者又給學生講了一個小故事，增加生活中案例的復雜性，聯系數學公式進行邏輯推理同時抽象出守恒的概念，讓學生體味生活中的守恒思想。

【小故事】淘氣的丹尼斯（Dennis）

有一個孩子叫丹尼斯（Dennis）孩子，他有一堆積木，這些積木是絕對不會損壞的，也不能分成更小的東西。每一塊都和其余的相同。讓我們假定他共有28 塊積木。每天早上他的母親把他連同28 塊積木一起留在一個房間里。到了晚上，母親出于好奇心很仔細地點了積木的數目，于是發現了一條關于現象的規律——無論丹尼斯怎樣玩積木，積木數日仍舊是28塊！這種情況繼續了好幾天。

直到有一次，她清點時發現只有25 塊積木。然而，在房間里有一個玩具箱，母親走過去打開這個箱子，但是孩子大聲叫喊道：“不，別打開我的箱子。”這時母親十分好奇，也比較機靈，她想出了一種辦法，她知道—塊積木重3 英兩，有一次當她看到積木有28 塊時曾經稱過箱子的重量為16 英兩，這一次她想核對一下，就重新稱一下箱子的重量，然后減去16 英兩，再除以3，于是就發現了以下的式子：

接著，又好像出現了某種新的偏差，但是仔細的研究又指出，浴缸里的臟水的高度發生了變化，孩子正在把積木扔到水里去，只是她看不見這些積木，因為水很混濁。不過，在她的公式里再添上一項，她就可以查明在水中有幾塊積木。由于水的高度原來是6 英寸，每一塊積木會使水升高1/4英寸，因而這個新的公式將是：

師：支撐母親積木數目28 塊不變的信念是什么？

生：物質不滅，積木數目總量守恒。

2.實驗探究，領悟科學方法。

物理離不開實驗，實踐是檢驗真理的唯一標準。為了使學生對守恒思想有所感悟，教學中設計了各類不同實驗，采用類似于科學家的研究范式，運用“實驗—歸納”思維，讓學生對科學研究過程有所體驗，從實際情景中抽象出能量、動能、勢能等概念，提升學生的認知能力。

【實驗1】“小球碰鼻子”：一位“勇敢”的學生將鐵球拉到鼻子位置從靜止釋放，觀察小球的運動情況以及在球再次擺回來時學生的反應。

【實驗2】“彈簧振子”：彈簧振子是一個不考慮摩擦阻力，不考慮彈簧的質量，不考慮振子的大小和形狀的理想化的物理模型。教學時可用氣墊式彈簧振子，把振子拉出平衡位置后，觀察其在振動時位置坐標變化的特征。

【實驗3】麥克斯韋滾擺：當捻動滾擺的軸，使滾擺上升到頂點時，貯存勢能，然后松開滾擺，開始旋轉下降，觀察實驗現象。會發現滾擺下降時速度變大，到最低點后，它又開始纏繞懸線使滾擺上升。如果沒有任何阻力，滾擺每次上升的高度都相同，上下滾動中最大高度幾乎不變，好像它“記得”原來上升的位置。

【實驗4】彈性碰撞球：拉起一個小球，讓其碰撞其他靜止的小球，結果原先被拉起的小球會突然靜止，而原先靜止的最后一個小球會接過第一個球的速度，運動到第一個小球被拉起的高度，而且好像“記得”原來的高度。然后落下，如此來回往復。實驗中還可以拉起兩個小球、三個小球……讓學生觀察現象，同時老師不斷強化“小球‘記得’原來的位置”這一認識。

【實驗5】伽利略理想斜面實驗：讓小球從左邊某一高度靜止滑下（如圖2所示），最終它能滾到右邊相同的高度，而且還能回到初始位置；若將右邊的斜面變得平緩些，會發現小球運動的路程更長了，但還是“記得”原來的高度……

師：如果將右邊的斜面變成水平，那么小球的運動又將如何呢？

生：小球將一直運動下去。

師：為什么會出現這種情況，你的理由呢？

生：因為小球“記得”原來的高度，但又達不到原來的高度，所以要一直“追尋”下去。（運動過程中能量守恒）

總結：以上實驗有一個共同的特點，就是“記得”某種東西，經過長期的研究，科學家把記得的這個東西叫作“能量”。展示教學PPT，說明：①“能量”是一個高度抽象和概括的概念。②“能量”是牛頓留給我們的少數沒有研究的力學概念之一。

進一步分析“伽利略理想斜面實驗”，被抬高的小球釋放后能夠向下運動，我們說小球有能量。教師闡述“勢能”的定義，并強調小球的這種能量叫作“重力勢能”，列舉生活中其他情況下的重力勢能，如生活中的打夯、雪崩，水力發電站高處的水等。

師：小球向下運動的過程中，重力勢能逐漸減小，能不能說小球的能量消失了呢？

生：不能。

師：為什么？

生：小球的重力勢能轉變成了小球的動能。（能的轉化與守恒）

總結：教師闡述“動能”的定義，列舉生活中其他現象中的動能，如飛奔的運動員、踢出去的足球等。

3.邏輯論證，體現科學思維。

邏輯論證過程重視的是演繹推理，即從一般性的前提出發，通過周密推導即“演繹”，得出具體結論的過程。演繹推理的邏輯形式對于理性的重要意義在于，它對學生葆有科學思維的嚴密性、一貫性有著不可替代的校正作用。教學再次突出物理建模思想（如圖3 示），對“伽利略理想斜面實驗”進行邏輯論證。

師：小球從A-B，B-C 階段如何運動？這兩段運動過程又有何聯系？

生：A-B 小球做勻加速；B-C 小球做勻減速，且B點處的速度承上啟下。

師：可否證明小球到達另一斜面的最大高度h0=h1？

生：運用牛頓第二定律與勻變速直線運動規律進行推導證明（略），結論：h0=h1。

師：如果β 角發生變化能證明上升的高度依舊等于h0嗎？

生：可以，證明方法同前一致。

總結：小球仿佛有靈氣，能“記住”初始高度。小球每次都能到達另一斜面的相同高度處，那“記住”究竟蘊含了什么物理原理呢？

教師引導學生進行深度思考，“記住”這一說法只是關注小球在整個運動過程中的初、末兩個狀態，事物變化的規律應該是由過程決定結果。由此猜想：小球在運動中的各個位置是否存在“守恒量”？

生：猜想1，h 和v 之和守恒。猜想2，h 和v以一定的形式守恒。

師：請同學們思考第一個猜想，這里有量綱上的差別，即需要體會數學量和物理學量的區別。思考第二個猜想，你能不能給出一個定量的表達式呢？

學生繼續探究。

教師此時要視學生的研究進展情況，適時給出指導或設置引導性問題。提醒學生運用所學知識處理如下問題：“如果一個小球由靜止開始沿光滑斜面運動，怎樣建構出小球在不同位置的高度與速度相關聯的表達式呢？”如果學生學情不夠理想，還可以進一步搭建學習臺階，降低學習坡度，可設置三個臺階。

提示1：對于整個運動過程，可以選取小球下降階段作為研究對象，建立物理模型。

提示2：這個物理量雖是我們未知的，但不要隨意猜想，可以從學過的“力與運動”的知識體系中出發進行探尋。

提示3：在我們所學的知識當中，有沒有處理“一個小球由靜止開始沿光滑斜面運動，將不同位置的高度與速度聯系起來的表達式？”

生：v2－0＝2ax ①，x=（h0-h1）/sinα ②，a=g·sinα ③

由①②③得：v2+2gh1＝2gh0。

4.評價反思，感悟科學本質。

教學中既要讓學生體會能量守恒在整個自然科學中的普遍性，也需要讓學生認識到，任何一種科學探索都不是一蹴而就的，它需要漫長的時間積累。筆者設計兩個案例供學生來探究學習。

一是從物理學史的角度，回顧能量守恒思想的發展歷程，“能量轉化和守恒定律”的提出必須建立在三個基礎之上：①對熱的本質的正確認識；②對物質運動的各種形式之間的轉化的發現；③相應的科學思想。到了19 世紀，這三個條件都已經完全具備。因此，能量守恒定律的發現是人類對自然科學規律認識逐步積累到一定程度的必然結果，向學生說明，它誕生的過程和今天課堂高度濃縮地探索的過程并不一致，其實它肇始于熱機效率的探索，是聯系于機械能和熱能的定律。讓學生查詢資料學習“能量守恒定律”的發現簡史。

1842年，邁爾發表了論文《論無機界的力》，提出機械能和熱量的相互轉換原理。

1843 年，焦耳在《哲學雜志》上發表了他測量熱功當量的實驗報告。

1847 年，亥姆霍茲出版了《論力的守恒》一書。全面論述了機械運動、熱運動以及電磁運動的“力”互相轉換和守恒的規律等等。

其他科學家也作出不同程度上的貢獻，都曾獨立地發表過有關能量守恒方面的論文，如法國的卡諾于1824 年，德國的莫爾于1837 年，法國鐵道工程師塞甘于1839 年，瑞士化學家赫斯于1840 年，德國物理學家霍耳茲曼于1845年，等等。

二是向學生介紹學習能量守恒定律成功應用的最典型事例，那就是基本粒子“中微子”的發現旅程。20 世紀20 年代末30 年代初，對原子核β 衰變能譜的研究發現衰變后發射出的電子（即β 射線）帶走的能量比它按能量守恒定律所應帶走的能量要小（似乎丟失了部分能量），為了解釋這種現象，挽救能量守恒定律，物理學家泡利提出了一個著名的猜想，認為是“中微子”這種不可探測的中性粒子“偷走”了部分能量。“兩彈一星”元勛中國科學家王淦昌在他的論文《關于探測中微子的一個建議》中提出了“中微子捕獲方案”。經過科學的探索，美國萊因斯在1956 年終于觀測到“中微子”，再次說明“能量守恒定律”的普適性和重要性。

1930年，科學家泡利預言了中微子的存在。

1956 年，萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，美國萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962 年，美國萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格發現第二種中微子——繆中微子，獲1988 年諾貝爾獎。

1968 年，美國戴維斯發現太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。

1985 年，日本神崗實驗和美國IMB 實驗發現大氣中微子反常現象。

1987 年，日本神崗實驗和美國IMB 實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002 年諾貝爾獎。

2015 年，諾貝爾物理學獎授予梶田隆章和阿瑟·麥克唐納，以表彰他們在發現中微子振蕩即是中微子有質量上所做出的貢獻。

由上可知，學會“像科學家一樣的思考”的課堂，不是讓學生胡亂思維，是要遵循一定教學規律和結構范式的。教學是一個簡約化的科學研究過程，教師先通過研究學情和文本，認真“識別問題”和“明確目標”，將學生的學習心理傾向與生產實踐中問題背景相聯系，明確課堂教學目標的價值取向。課堂不是學習的孤島，教師應該精心設計學習案例，為學生能從紛繁復雜的生活世界提取和生成科學概念體系提供幫助。

在“回憶已知”“選擇性知覺”和“信息整合與知識建構”階段，先是激活學生的原有質量守恒的前概念，讓學生運用批判性思維，通過大量實驗，來感知和內化守恒思想，通過信息評估與認知推理，做出科學判斷，抽象和概括出能量守恒的概念，形成科學觀念。

“遷移運用”與“問題解決”是學生進入深度學習最重要的階段，他要求學生能在新的問題情境中建構概念，識別規律，從而順利實現問題解決。