創設真實情境 顯性化科學思維

劉書云 彭朝陽

摘? ?要：科學思維伴隨著知識的學習而發生，但培養往往是隱性的。建構主義認為，學生應該在真實或接近真實的情境中完成對知識的建構。以“自由落體運動”為例，創設真實情境，按照情境教學的一般步驟，引導學生進行分析、推理，基于證據表達觀點，提出質疑和抽象模型，顯性化科學思維。

關鍵詞：科學思維;情境教學;顯性化

教育部制定的《普通高中物理課程標準（2017年版）》[ 1 ]（簡稱《標準》）中基本理念提到注重體現物理學科本質，培養學生物理學科核心素養，而科學思維是物理學科核心素養的重要組成部分，主要包括模型建構、科學論證、科學推理和質疑創新等要素。

《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，所以科學思維是思維的一種特殊形式[ 2 ]。思維在學生建構知識體系的過程中起著不可忽視的作用，有大量的研究事實說明思維是可教的。但是，思維在形成過程中呈隱形，根據《標準》中對科學思維水平的劃分，科學思維不是學會了某種知識，而是培養了學生能力。

教學情境就是以直觀的方式再現書本知識所表征的實際事務或者實際事務的相關背景[ 3 ]。建構主義認為，學習者應該在真實或接近于真實的情境中，用探究或自主發現的方法完成對知識的建構，真實情境指真實世界的物理問題，而不是已經被抽象好的物理模型[ 4 ]。情境教學是物理教學中常用的教學方法，而常見的情境類型包括生活化情境、科學史情境和實驗演示情境[ 3 ][ 5 ]。生活化情境的呈現形式有口頭表達、音頻視頻和圖像等，科學史情境的呈現方式有文字材料、口頭表達和珍貴圖像等，實驗演示情境的呈現方式包括視頻動畫、演示實驗和學生實驗等，是很好的教學載體。情境呈現的方式多樣，但教學效果各有不同，很多教師理解運用淺顯，且注重物理知識的教學，伴隨著物理知識學習而發生的科學思維往往被忽略。因此，本文提出創設真實情境，挖掘情境內在，顯性化科學思維培養過程。

筆者嘗試創設真實情境聯系科學思維，為保證情境的真實性，創設的情境類型有生活情境和科學史情境，為展現顯性化科學思維過程，以“自由落體運動”為例，本節內容學生擁有大量生活經驗，便于創設生活化情境，教材科學史料豐富，具有創設科學史情境的基礎，兩種情境增強教學的趣味性，更容易激發學生學習興趣，顯性化科學思維，培養核心素養。

1? 生活情境

生活情境是物理教學中常用的一種教學情境，是基于學生生活實際創設的真實情境，學生具有一定的感性認知，由此激發學生學習興趣，積極主動探究學習，有利于培養學生科學思維。生活情境是物理教學中最常見的一種教學情境，一般遵循著創設生活情境、暴露前概念、糾正錯誤前概念和形成正確觀念的步驟，如圖1所示。

顯性化科學思維的生活情境依然遵循生活情境教學的一般步驟，情境教學中需要突出科學思維，創設生活情境引入教學，幫助學生表達出自己的觀點、基于現象推理論證和抽象出自由落體運動模型。以《標準》對科學思維發展水平的劃分為評價標準，顯性化科學思維培養過程，如表1所示，具體教學過程如下。

1.1? 創設生活情境

生活情境：秋天是豐收的季節，果實熟透后就會自然下落，樹葉也會飄落，但是自然下落的果實容易摔壞（如圖2），而樹葉飄落卻安然無恙（如圖3），同時熟透的果實保存時間短，因此通常提前采摘。

情境來源于生活，學生熟悉生活中的場景甚至親身經歷過，但是不知道該如何分析這一實際問題，但是學生擁有不同的前概念，這就是教學的切入點。

1.2? 具體教學過程

情境問題：由圖2與圖3可知蘋果與樹葉下落，試問兩者誰先落地？

生：蘋果

師：得出什么結論？

生：質量越大物體下落越快。

師：我們用物理量描述物體下落快慢嗎？

生：速度。

師：總結一下，可以得到什么結論？

生：因為蘋果質量大所以蘋果的速度大，即質量越大的物體下落的速度越大。

師：現實生活中都是這樣嗎？

生：不是。

師：能舉出例子嗎？

生：兩張相同的紙，揉成一團比展開的紙下落更快。

師：很好，什么造成這一現象呢？

生：可能與其他物理因素有關，比如形狀。

師：可以作出哪些猜想？

生2：物體下落速度可能與物體的體積有關。

生3：物體下落速度可能與物體的種類有關。

師：很好，通過剛剛的問答，同學們知道物體下落速度可能與質量、形狀、體積有關，接下來我們探究影響物體下落的因素。

設計意圖：科學思維包括科學推理與科學論證，在具體教學中，教師通過引導學生進行觀察情境，回答情境問題，學生由觀察、分析得出結論物體越重下落速度越快，即質量越大的物體下落速度越大;又有理有據地對“物體質量越大的物體下落速度越大”這一結論質疑，舉例說明，培養學生科學思維。

2? 科學史情境

物理學史是科學史的分支，是物理學科的重要組成部分，從物理學科的發展來看，物理學包含兩類重要的知識體系，一類是物理學的研究成果，另一類是物理學的研究。教學中構建科學史情境，呈現科學家的研究歷程包括科學家發現問題、構建模型、提出假設、驗證假設和得出結論，顯性化科學家的思維方式，有利于科學思維教學。科學史情境也是物理學科教學中常用的一種教學情境，有重歷科學家思維歷程、提出假設、模仿假設驗證途徑和得出結論的一般教學步驟，如圖4所示。

顯性化科學思維遵循科學史情境教學的一般步驟，創設科學史情境進行教學，幫助學生基于證據表達出自己的觀點、質疑已有觀點、重歷科學家的研究途徑推理論證和建立自由落體運動模型。以《標準》對科學思維發展水平的劃分為標準，顯性化科學思維，如表2所示，具體教學過程如下。

2.1? 創設科學史情境

科學史情境：亞里士多德通過觀察、歸納和總結等步驟得出結論，物體越重下落越快，伽利略經由發現問題、提出假說、驗證假設和得出結論四個步驟得出結論，總結得出所有物體下落的一樣快，以及自由落體運動規律。

科學史情境來源于歷史，學生并沒有經歷過，在教師的引導下，學生通過情境了解，判斷歷史觀點的正誤、陳述觀點、作出假設和驗證假設，從而學習歷史上科學家的思維方式和研究方法，顯性化科學思維。

2.2? 具體教學過程

2.2.1? 重歷科學家思維歷程

情境問題：同學們已經了解亞里斯多德與伽利略如何做研究，請同學們總結一下兩者所用的方法？

生：亞里士多德通過觀察、歸納和總結的方法做研究，伽利略的方法有發現問題、提出假設、驗證假設和得出結論四個步驟。

師：兩種方法怎么用？

生：觀察、歸納和總結通過觀察將事物的共性歸納在一起，用凝練的語言陳述，伽利略的方法不太懂。

師：很好，看來同學們對亞里士多德的方法已經比較熟悉，伽利略的方法不熟悉也沒關系，后面我們一起學習。請問同學們支持兩者誰的觀點？

生1：我支持亞里士多德的觀點，亞里士多德的方法，總結我們生活中的物理現象得出結論越重的物體下落越快。

生2：我支持伽利略的觀點，當我們將兩張重量相同的紙從同一高度釋放，揉成一團比展開的紙下落更快，說明越重下落的越快是錯誤的。

師：很好，同學們的觀點有理有據，但兩個不同的結論說明存在物理因素影響物體下落，歷史上伽利略通過邏輯推導否定亞里士多德的觀點，同學們能用邏輯去論證嗎？

提示：重物與輕物對比，若兩者連接在一起呢？

生：我知道，物體重的下落的快，輕物下落的慢，當兩者相連，兩個物體相連質量疊加，下落的比單個重物快，又從速度的角度看，速度為重物與輕物速度的平均值下落比單個重物慢，兩個結論矛盾。

師：很好，看來同學們是真的明白了，接下來請大家根據已知作出猜想，究竟是什么因素影響物體下落？

......

生：物體下落受空氣阻力影響。

師：同學們能抽象出自由落體運動的模型嗎？

生：可以，只受重力作用的物體由靜止開始下落的運動就叫自由落體運動。

設計意圖：科學論證和質疑創新是組成科學思維的要素，在重歷科學家思維歷程的過程中，教師以建立自由落體運動模型為最終目標，引導學生對已知觀點進行判斷，尋求支撐點闡述自我觀點，顯性化科學論證與質疑創新，最終完成對自由落體運動的模型建構。

2.2.2? 提出假設

師：現在我們建立了自由落體運動模型，自由落體運動有什么規律呢？

生：會不會是做勻速直線運動？

師：沒錯，是直線運動，是勻速嗎？

生：不是，物體越落越快。

師：同學們不妨對相關物理量作出假設。

生：速度v隨位移x的增加而增大，隨速度v隨時間t變化。

師：具體是怎樣呢？

生：不知道。

師：沒關系，我們來看一下伽利略作出的假設，伽利略堅信“自然界總是習慣于運用于最簡單和最容易的手段”，于是假設v∝t或v∝x，同學們認為兩個假設哪一個更合理呢？

生：v∝t更加合理，遵從伽利略“自然界總是習慣于運用于最簡單和最容易的手段”的信念，類比勻加速直線運動的速度與位移公式，速度隨時間的變化更加簡單。

師：很好，我們假設v∝t。

設計意圖：科學推理是組成科學思維的要素，在提出假設的過程教師不斷提出問題，引導學生基于已知信息去分析、推理，最終提出假設，顯性化科學推理。

2.2.3? 模仿假設驗證途徑

師：同學們的假設和伽利略相同，伽利略所在年代有沙漏、刻度尺等簡單工具，若我們也只利用一些簡單工具，該怎樣去測量？

生：時間可以用秒表或手機軟件測量，速度是瞬時速度，能不能用平均速度代替？

師：平均速度確實能代替瞬時速度，但是在這里真的可行？

生：可以替代，但是會很麻煩。

師：沒錯，同學們能不能轉換假設v∝t的表達式？

生：能不能類比勻變速直線運動中v∝t，則x∝t2。

師：很棒，伽利略通過數學推導，得出有v∝t，則x∝t2，請同學們觀察演示實驗。

演示實驗：從不同的高度釋放物體，測出下落時間，并記錄數據。

師：同學們觀察到什么現象？

生：物體下落太快，時間太短。

師：會導致什么結果？

生：實驗誤差大。

師：沒錯，實驗誤差太大，而伽利略當時也是如此，但伽利略通過增加運動時間，斜槽實驗，間接證明假設。

設計意圖：模仿假設驗證途徑中，不局限學生表達不同觀點的思維，只是需要教師引導在科學家的研究思路上前行，科學家可能是幾百年前做的實驗，但在有限的條件下，他們的實驗往往是最簡潔，沿著這一途徑不斷激活學生思維，表達他們的觀點，顯性化科學思維。

3? 小結

創設情境落腳于真，情境類型有生活化情境和科學史情境，兩者都是發生在真實世界的物理事件，抽象出兩種情境教學的一般步驟，沿著一般步驟教學，引導學生進行分析、推理，基于證據表達觀點提出質疑和抽象模型，以《標準》對科學思維發展水平為標準進行評價，顯性化科學思維，培養核心素養。

參考文獻：

[1] 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.

[2] 朱智賢，林崇德.思維發展心理學[M].北京：北京師范大學出版社，1986.

[3] 應俊.創設教學情境? 激活課堂思維? 發展核心素養——以高中物理“超重與失重”教學為例[J].物理教學，2020，42（4）：12-14.

[4] 周祎，馬如寶.創設真情境，探究真問題——以phyphox軟件為支架的“牛頓運動定律的應用”教學設計[J].物理教學，2019，41（8）：2-6.

[5] 姬宏斌.創設教學情境，激活課堂思維，發展核心素養——以高中物理“電磁感應現象”教學為例[J].物理教學，2019，41（7）：37-38.