科學探究: 思維不能缺席
——對“牛頓第一定律”教學的深度思考

王 高

(江蘇第二師范學院，江蘇 南京 210013)

科學探究是人們發現規律、獲取知識的主要過程和重要方法,是物理教學的重要目標、內容和手段．科學探究是物理學科核心素養重要內容之一,也是物理觀念、科學思維、科學態度與責任素養培育的基礎．然而,中學物理實際教學中大部分老師搞的是“速成探究”而不是科學探究,即老師帶著學生快速地完成探究程序,有“形式”卻鮮見效果,欲速而不達．究其原因主要是在科學探究中讓“思維”缺席了,學生不能形成自己的思考,被動地跟著老師“探究”,這種狀況急需變革．本文以“牛頓第一定律”的教學為例做一深度探究．

1 格物致理: 物理的本質特征

物理學是基于觀察、實驗來建構物理模型,通過科學推理、論證來揭示自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律,即:格物致理,格物——探究自然界的萬事萬物,致理——搞清其中的道理(客觀規律、客觀方法、客觀理性)并加以運用,可見,科學探究是物理學的本質特征．

物理教育應該尊重物理學發展的歷程,引領學生體驗物理學發現、發展的探究過程．人類很早以前就對力和運動的關系進行了研究,基于不同的研究方法,產生了不同的認識,其中以亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓的觀點最具代表性,見表1．師生通過查閱物理學史資料、辯論、實驗探究等方式了解他們的觀點、研究方法以及認識發展變化,體驗到物理學是以真實證據為基礎,通過歸納與演繹推理、理想實驗等科學方法來建立合理性關系的過程．物理學總是在探究中不斷發展、完善的,進一步理解牛頓“是站在巨人的肩膀上”的意義．

表1

科學探究充分體現了物理本質與教育本質的結合．物理本質的探究是不斷追求真理和修正錯誤、不斷地創新,學習物理如果忽視了對科學探究過程的理解和體驗, 就難以理解物理的本質;教育本質的探究是促進人的發展, 即通過探究具體情境,獲得知識、方法、技能以及客觀理性,促進人的科學素養的全面提升．所以,核心素養背景下的物理教學更應重視科學探究!

2 理性思維:科學探究的靈魂

物理的發展是以實驗為基礎、以思維為中心的,兩者在探究過程中是互為融通的,伽利略的“理想斜面實驗”正是實驗和思維有機結合的事例．

科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素,它有兩種形式:實驗探究和理論探究．實驗探究不僅是觀察、操作、記錄和處理信息, 其中,提出問題、形成猜想和假設、設計實驗和制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思等更是一種自覺的創造性活動, 自始至終閃耀著理性思維的光輝,所以,理性思維是物理實驗的生命,它始終貫穿在基于實驗的物理概念的形成、理論的建立過程中, 離開了理性思維, 物理實驗就會因為盲目而喪失力量．

在牛頓第一定律教學中,基于真實的情境,抓住問題、證據、解釋、交流等要素,展開探究教學,具體設計為.

(1) 情境.

情境包括生活實際情境和學習探索情境．情境必須是真實的并且與研究的內容相關．例如:推箱子、敲鐵釘、踢足球、火車進站等都是與力有關的學生生活的真實情境．對于這些生活情境,教師首先需要“翻譯”成物理語言來表述,比如:“汽車從剎車到停下來”表述為汽車剎車時速度減小到0．然后發現這些情境中的共同特征:運動物體的速度都減小為0．再從共同特征中發現問題、提出問題．即真實情境—物理語言表達—歸納出共同特征—發現問題、提出問題．

(2) 問題.

基于情境或實驗現象分析提出科學問題,這些問題大體分為3個層次．同樣,根據已有的經驗和知識對問題解決形成猜想與假設,也可以分為3個層次(見表2)．

表2

教學中根據學生的情況循序漸進,逐步提高．

(3) 證據.

為驗證假設選擇實驗器材、設計實驗,操作實驗,并能從實驗中全面、客觀地獲取信息,分為3個層次進行(見表3)．

表3

續表

表4 滑塊在不同表面上運動的距離

證據不僅是為歸納特征、獲得結論提供必要的信息,還是通過實驗等途徑獲得證據進行證明的過程,讓學生獲得物理知識的同時能夠經歷推理等思維過程體驗,發展高階思維能力,提高科學思維品質,這是實驗探究中應該高度重視的內容．

(4) 解釋.

科學地處理證據,能客觀、直觀地呈現信息,運用科學的思維進行概括、推理,進而得出結論(見表5)．

表5

(5) 交流.

讓學生準確地表達出自己的觀點,并認真傾聽別人的觀點,對結論、過程、方法以及結論進行反思(見表6)．

表6

交流中問題的提出、方案的設計、信息收集和處理、結論的得出及解釋、反思等,以及文字、表格、圖像、公式等都需要準確和富有邏輯性．

本課題探究中我們清楚地看到:“實驗”幫助我們收集一些證據,包括:現象發生的條件、現象的重要特征、現象變化的量值、影響現象變化量值的關鍵因素．但是,這些證據并不能揭示出事物的本質規律．而“理性思維”幫助我們分析、歸納、概括,得出了合理的推論．“理性思維”是指把收集到的證據,通過大腦“加工處理,去粗取精,去偽存真”的過程,即發現事物中最本質的東西．

可見,牛頓第一定律是在理想條件下,借助理想實驗,通過邏輯推理的方法得到的．理性思維在揭示事物本質過程中起到關鍵性、決定性的作用,所以說,思維是科學探究的靈魂．

3 實驗探究:思維生長的沃土

德波諾說過: 思維就是為了某一目的的探究.實驗操作不僅是在思維控制下的一種思維的“外現”,更重要的是在實驗操作過程中,對思維相關因素的活躍以及品質產生一種刺激的作用．

從實驗探究目的看,檢驗物理理論、發現物理規律或物理特征、測定物理量等,都需要巧妙構思、精心設計出科學的探究方案,以求對探究的問題做出客觀真實的回答,這實際上是一個縝密的思維過程;從實驗的操作看,測量什么、如何測量及保證實驗的精度?以及如何控制變量、獲得信息等,理性思維仍需占據主導地位;從實驗數據的分析處理看,更是顯示了理性思維的突出地位,且對實驗結果作恰當正確的理論解釋和概括,無疑是更高層次理性思維的產物,往往由此導致新的科學發現,所以說實驗探究是思維生長的沃土．

在牛頓第一定律教學中,實驗中活化思維,通過實驗進一步優化思維,處處促進學生思維的生長．思維生長的主要著力點見表7．

表7 牛頓第一定律教學中思維訓練著力點

續表

科學家的探究總是從問題開始,又以問題結束．教學中的科學探究既能讓物理魅力增加,課堂更精彩,更能讓學生的思維得到發展、生長,科學開展探究教學正是物理核心素養落地的重要抓手,值得我們深度思考、有效實施．