基于科學思維培育的物理抽象概念及規律的教學策略

賴佳穎

摘? ?要：科學思維是物理學科核心素養的核心內容，它是人腦對科學事物的相互關聯和關系的間接與概括的反映。《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提及科學思維由模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新四個主要內容構成。在物理教學中，抽象概念和規律的學習需要經歷更深刻的思維加工過程，是物理思維培育的重要途徑。文章通過介紹掌握學生最近發展區、構建結構不良模型等多種策略，提升科學思維培育的有效性，以期解決教學難點。

關鍵詞：科學素養;科學思維;抽象概念和規律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0007-4

在物理學科核心素養的四個方面中，科學思維很早便受到教育者的重視。1932年全國教育聯合會頒布了《初級中學自然課程綱要》，提及教師在教學中應多采用歸納、演繹的方法;1978年的《全日制十年制學校中學物理教學大綱（試行草案）》中則要求教學“培養思維能力和自學能力”。如今，作為學科核心素養中的重要部分，科學思維由模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新等要素構成，其在《普通高中物理課程標準（2017年版）》（下文簡稱《標準》）中有詳細界定，此處不再贅述。彭前程先生把科學思維簡述為大腦對于科學信息的加工活動，他認為各種現代教育理論中都應給予思維教學充分的重視，這表明科學思維的教育在物理教學中占有極為重要的地位[1]。

在物理教學中，對于某些概念、規律，學生缺少感性的認識基礎，甚至很難通過實驗進行探究學習，如電學中的電源電動勢、電勢、電勢能等。對于這些概念和規律的認識，學生必將經歷更深刻的思維加工過程，將概念和規律進行改造，借助邏輯推理、綜合分析等能力，逐步形成對事物的立體的、完整的認識，而這一過程正是物理學科核心素養中科學思維提升的關鍵期，而要抓住這些關鍵期，需要有更多的教學策略。本文以“電勢能、電勢”為課例，來談談筆者通過抽象概念、規律教學來培育學生科學思維的教學策略。

1? ? 分析學情和教材，掌握學生最近發展區

學生情況和教材分析可以讓教師更有目的性地開展教學活動，尤其是對于抽象概念和規律的教學。維果斯基的最近發展區理論告訴我們，有效教學應該開展在學生已有的認知水平上，并指向學生可能的發展水平，這一過程需要教師和學生間的共同參與。對于學生學習情況的分析，既要包含學生的心理活動特征，也要包含學生的已有知識，這有助于確定學生的現有認知水平;對于教材的分析，除了要確定教學內容在章節中的地位和作用外，還需要分析、掌握這些內容的必備知識和心理特征，從而教師才能確定課堂教學的重點和難點，規劃出學生的最近發展區。

對“電勢能、電勢”一課的學情、教材分析簡述如下：

學情分析：高中生思維能力更加成熟，抽象邏輯明顯占優，并逐步向理論型抽象邏輯思維發展;從知識上看，學生已經掌握了做功與能量轉換間的基本關系（重力與重力勢能），了解了電場力的性質等內容。

教材分析：《電場》這章內容，可總結為“一條主線”“兩大板塊”。“一條主線”是指章節中所有的內容，都是圍繞著電場的認識而展開的;“兩大板塊”則是指電場較為重要的兩大特性，即力的性質與能的性質，這兩部分知識相互關聯，呈現螺旋上升式認知。電勢、電勢能、等勢面等概念非常抽象，學習這些概念需要掌握做功與能量轉化、電場力、電場線的特征等，其中電場力做功與電勢能的概念形成可以通過調動學生的主觀能動性，運用類比、遷移等思維方式，突出教學重點，見表1（具體教學可參見下文）;而電勢能的特性則可以通過構建基于真實情境的問題逐步深入，結合科學思維方法的點撥，突破難點。

2? ? 設計基于真實情境的結構不良問題，提升建模與科學論證的能力

美國科學教育界以培養學生科學思維為目的，將理科問題進行了劃分，除了常見的結構良好問題，還非常關注結構不良問題，這類問題可能具有目標不明確性、解決問題的途徑不唯一性、結果多樣性等特征。由于結構不良問題往往需要復雜的分析過程，并調用多種概念和規律進行科學論證，因此可以鍛煉學生的科學思維能力。對于真實情境的問題則包含多種干擾因素，需要學生從豐富的情境中以物理的視角提煉問題，建立模型，形成概念和規律間的關聯，這也是鍛煉科學思維能力的良好機會。綜上所述，即便是在抽象的概念、規律課中，教師也應該盡力去設計具有真實情境的結構不良問題。在“電勢能、電勢”一課中，筆者設計的問題如下：

情境：（觀察，不闡述）將一個小球與頭發摩擦后，用絕緣細繩懸掛在鐵架臺下方，將兩個金屬網平行放置，連接并搖動手搖感應起電機，如圖1所示。更換接線柱，再次實驗。

問題：請觀察小球的運動情況，分析產生這一現象的原因;你是否能從能量的角度重新審視這一現象？作出哪些猜測？得到哪些結論？

解答：實驗可觀察到小球在電場力的作用下運動起來。從能量角度看，小球在電場力的作用下，速度從無到有，動能增加，根據能量轉化與守恒可知，有其他形式的能量轉化為動能，這一過程中電場力做正功。

設計思想：設計該基于真實情境的結構不良問題的目的有三個。首先，該問題基于一個實驗演示，教師言語不多，學生需要自行從物理視角觀察現象，通過分析、綜合、類比等科學思維的方法，建立模型，提出問題;其次，學生看待現實的思考角度各不同，絕大多數學生會從力與運動的角度分析、解釋，但是方法、依據也各不相同，這一過程可以提升學生科學論證和質疑創新的能力;再者，在教師的引導下，學生最終將關注點轉移至能量，建立起力、運動與能量間的聯系，并運用曾經在《機械能》一章中掌握的分析方法，重新經歷思維認知的過程，建立電場力做功與電勢能變化間的關系;最后，對該問題的最終解答可放在課堂的最后，是學生在整堂課的學習中逐步建立的知識框架，既貫穿了課堂的學習，也可以讓學生在掌握規律之后再次分析和評價這一現象。

3? ? 運用“比較—歸納—綜合”，實現科學思維的方法點撥

《標準》[2]中指出：“教師引導學生經歷物理概念的構建過程和物理規律的形成過程，是發展科學思維的重要途徑。例如電場強度的教學，應創設不同試探電荷位于電場中不同位置的情境……學生在處理以上信息的過程中，經歷了‘比較—概括—抽象的過程，發展了科學思維。”比較、概括、抽象等是自然科學在長期發展過程中形成的一系列基本思想方法，也是科學推理中重要的組成部分，《標準》解讀中也明確提出高中生應該從定性和定量的兩個方面正確理解和應用上述科學思維方法。

筆者認為，掌握這些方法不能光靠學生自己體會、總結，更應該創設條件，在課堂中進行思維方法的點撥。在“電勢能、電勢”一課中，筆者分別設置了“比較—歸納—綜合”方法的教學環節。

（1）比較方法的教學設計

在一個豎直向下的勻強電場中，將一個帶正電的小球（不計重力）由A點沿著三條路徑運動到B點（AB、ACB、其中AC與電場線垂直，BC平行于電場線），如圖2所示，引導學生發現電場力做功與路徑無關，從而與重力做功進行類比，得到表1。

設計思想：比較是指確定事物之間的差異點和共同點的思維方式，可分為類似比較、差異比較和系統比較。此環節以豎直向下的電場力為切入口，喚起學生對于重力做功、重力勢能特點等概念、規律形成的記憶，類比電場力做功與重力做功間的相似點，推導出電場力與電勢能的關系。

（2）歸納方法的教學設計

根據公式，在圖2中假設以B點為電勢能零點，則將3個電荷依次放置在A點，分別計算各個電荷在A點時具有的電勢能，并引導學生歸納影響電勢能的因素，以及是否可以類似電場強度E得到一個反映電場能的性質的物理量？

設計思想：歸納推理指由一些個別的、特殊的判斷推出一般性判斷的思維方式。在本環節中，學生通過計算可以獲得3個電荷在A點具有的電勢能分別為Eqlcosθ、2Eqlcosθ、-Eqlcosθ，教師可以鼓勵學生根據3個電荷在同一點電勢能的表達形式，歸納推理出電勢能與哪些因素有關，并尋找出反映電場能的性質的物理量，即電勢。

（3）綜合方法的教學設計

在掌握電場力做功、電勢能、電勢等概念和規律后，給出情境1：如圖3（a）所示，將一個正電荷沿著電場線方向運動，分析電場力做功情況及電勢能、電勢將如何變化;情境2：如圖3（b）所示，將一個負電荷沿著電場線方向運動，分析電場力做功情況及電勢能、電勢將如何變化。兩種情境的對比，引導學生綜合運用所學知識，了解電勢、電勢能等變化的本質和規律，最終得出電勢能與電荷位置、電性、電量等有關，但是電勢卻反映電場本身的性質，即該問題可以印證正負電荷的電場力做功及電勢能變化各不同，但在沿電場線方向電勢始終降低。

設計思想：綜合是指在分析的基礎上，把研究對象的各個組成部分或者要素在思維中重新結合成一個整體，從而在整體上把握事物的本質和規律。該環節中，學生不僅可以通過“電場力做功—電勢能變化—電勢變化”得出結論，也可以反過來，方法各不相同，但是卻能綜合運用多方面的知識，而學生正是要在不同方法的應用中，體悟不變的本質和特征。

4? ? 建立多樣性的信息流向，形成對科學事物立體的、完整的認識

科學思維的對象是一個多層次、多結構、多序列的完整網絡，而人們對科學事物的反映和認識，即形成科學思維，總是從一個點、一個方面、一個角度累積地進行。因此，在學生進行科學思維訓練時必須從不同的方面、不同的角度獲得關于科學本質屬性的外部表現信息，并加工改造。而所謂的多元信息流向是指在課堂中不全以教師為中心，信息交互的路線是多邊的、全面聯系的，存在于教師與每個學生以及學生與學生間[3]。因此，通過多階段的信息交流方式，可以讓學生全面地、多角度地、多方式地認識事物，有利于抽象概念、規律的教學。在“電勢能、電勢”（下轉第12頁）（上接第9頁）一課中，筆者特地加入了多階段信息流向的小組學習和課堂交流。

本課的教學設計中共有3個環節的學生互動交流：（1）在引入新課時，鼓勵學生個體對圖1所對應的物理現象進行描述和解釋，同時交流從能量角度如何分析這一現象;（2）在科學思維的方法點撥時（圖2），鼓勵學生分小組解決問題，并交流討論;（3）在應用環節中，給予學生足夠的信息情況，并鼓勵學生討論為何在微電子生產中的技術工們都穿著特殊的防靜電服。

設計思想：引入環節中的討論是希望學生能集思廣益，開拓視野，建立物理模型，有效搭建問題解決的框架。在思維方法點撥時，每組學生綜合運用多個知識解決問題的途徑可以通過交流得以展現，從而使所有參與者都可以從多角度、多方面實現對知識和規律的認知;在應用環節，交流與討論不僅可以應用知識，還可以達到信息互通，增強學生在豐富情境中提取信息的能力。

科學思維是學生問題解決與實現創新的重要能力和品質，郭玉英教授認為，必備品格和關鍵能力的培養，均需以具體的學科課程為載體，通過精心設計的教學來促進學生發展[4]。本文為筆者在解決高中物理教學中關于抽象概念和規律教學的點滴思考，希望與一線教師們共同探討。

參考文獻：

[1]彭前程.談對“學生發展核心素養及物理學科核心素養”的理解[J].中學物理教學參考，2017，46（10）：1-4.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]林崇德.心理學大辭典（上卷）[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]郭玉英，蘇明義.新版課程標準解析與教學指導（高中物理）[M].北京：北京師范大學出版集團，2018.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）