指向批判性思維能力培養的高中物理教學策略
——以“粒子的波動性”為例

祁紅菊

《中國高考評價體系》指出，我國的高考評價體系主要由“一核”“四層”“四翼”三部分內容組成。“四層”中的“關鍵能力”包含知識獲取能力、實踐操作能力和思維認知能力，而思維認知能力主要包括形象思維能力、抽象思維能力、歸納概括能力、演繹推理能力、辯證思維能力和批判性思維能力等六個方面。清華大學錢穎一教授認為，批判性思維是人的思維發展的高級階段。如果按照層次或深度來劃分，可將科學思維分為淺層思維和深層思維，批判性思維是深層思維中的高階形式，也是創新思維的重要特征之一。

批判性思維主要包含以下三個特征：一是批判質疑，即“會在深入思考的前提下提出質疑”，這是批判性思維的起點；二是論證判斷，即“會通過證據推理作出有說服力的判斷”；三是實踐評價，即“會在實際應用的過程中反饋和評價”。這里的“批判性”并不是否定意義上的“批判”，而是審辯和思辨式的、多具有建設性和創新性的評判。為此，在高中物理課堂教學中可依據“感知—質疑—假設—推理—判斷”的模型來進行設計，如圖1所示。

圖1 批判性思維教學模型

本文以人教版高中物理選修3-5第17章第3 節“粒子的波動性”為例，結合上述模型談談在高中物理課堂教學中培養學生批判性思維能力的策略。

一、主要教學過程

1.情境感知，提升學生學習的內驅力。

活動1：“光的雙縫干涉實驗”被評為“十大最美麗的物理實驗”之一，也被稱為是歷史上最“詭異”的物理實驗。請同學們觀看視頻“雙縫干涉實驗：一個顛覆人類世界觀的物理實驗”，然后小組討論，并提出自己的觀點、想法或疑問。

【設計意圖】在此前的學習中，學生已經觀察過光的干涉現象，對光的粒子性也有一定的了解，該視頻不僅重溫了經典的“光的雙縫干涉實驗”，而且指出了一個一個光子經過雙縫前、后的“詭異”之處。學生觀看以后，很受震撼，討論非常熱烈，提出了很多在高中物理階段無法解決的想法、觀點和問題，教師順勢推薦《上帝擲骰子嗎？——量子物理史話》等課外科普書籍，建議有興趣的學生課后閱讀。創設與學習主題相關的真實情境，能夠促進學生內化知識，能夠以直觀的矛盾沖突激發學生的學習興趣和激情，從而有效地提升學生學習的心向和內驅力。

2.重溫史實，培養學生反思質疑能力。

活動2：有記者曾問物理學家布拉格：“光是波還是粒子？”布拉格幽默地回答道：“周一、三、五它是波，周二、四、六是粒子，周日物理學家休息。”那么光到底是什么？請同學們根據課前布置的任務，按時間的順序，遵循科學家的思維足跡，重溫人們對光本性認識的發展歷史。

活動3：請根據你在課前查閱的資料說明，“光”這種“粒子”跟牛頓“粒子說”中的“粒子”，“光”這種“波”跟惠更斯“波動說”中的“波”有什么不同？

活動4：在現實生活中，我們很難想象一個物體既具有粒子性又具有波動性，也很難將看似矛盾的粒子性和波動性糅合在一個物體身上。請你根據所學過的知識，尋找將光的粒子性和波動性完美結合在一起的“橋梁”。

【設計意圖】依據“學習即研究”的觀點，學生學習的過程就是研究的過程。通過物理學發展史，學生既要學習和掌握科學家在千萬次嘗試中得到的正確的科學論斷，也要借鑒科學家從失敗中汲取經驗和教訓的思維過程。在人們對光的認識的發展歷程中，充滿了質疑后提出新觀點、搜集證據推理論證、作出判斷得出新結論，然后在實踐中評判和反思的批判性思維過程。借助物理學史組織教學，既可以有效地培養學生不盲從文本、不迷信權威的質疑和批判能力，還可以被科學家執著的科學精神和毅力所感染，樹立正確的價值觀和世界觀。

3.引導探究，培養學生提出新主張的能力。

活動5：在奧斯特發現電流磁效應之前，很多科學家都認為電與磁是沒有任何聯系的，庫侖就曾斷言：電與磁完全不同，它們不可能相互作用或轉化。同樣的道理，在20 世紀之前，人們也都不會想到，波和粒子之間會有聯系。根據此前所學內容我們已經知道，光這種波也是具有粒子性的。受此啟發，請同學們發揮想象、大膽猜想，能否提出新的問題或觀點？小組討論，提出觀點，分享結論。

【設計意圖】在該部分教學中，教師先通過人們對電與磁關系認識的發展過程啟發學生，讓學生將光的波動性與粒子性之間的關系與之類比，然后引導學生發揮想象，類比分析，學生經過討論以后，很容易就會提出新的觀點——電子等實物粒子也是具有波動性的，教師此時一定要大聲告訴學生：偉大的物理學家德布羅意也是這樣思考并提出著名的物質波理論的。培養學生批判性思維能力的目的之一，是以反思和質疑為起點，引導學生最終能提出新的觀點和主張。通過引導，設置探究，培養學生批判性思維能力也是培養學生創新精神和創新能力的重要手段。

4.搜集證據，培養學生的推理求證能力。

活動6：1924年，法國物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者德布羅意用類比的方法來分析問題，他跟剛才同學們的思路相同，非常大膽地把光的“波粒二象性”推廣到電子、質子、中子等實物粒子，并提出假設：實物粒子也具有波動性，這種波稱為“物質波”。若已知某一實物粒子的動量為p、能量為ε，請根據德布羅意的思路，推導出實物粒子物質波的波長和頻率的表達式。小組討論，提出觀點，分享結論。

活動7：17 世紀以來，牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”一直爭論不休，但誰也說服不了誰，直到19 世紀初期托馬斯·楊完成了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，光的微粒說才暫時偃旗息鼓。請你設計一個實驗，來證明德布羅意“實物粒子也具有波動性”假說是否正確。小組討論，提出觀點，分享結論。

【設計意圖】提出新的觀點“實物粒子也具有波動性”以后，學生很自然地就想知道，這種物質波的波長和頻率由哪些因素決定。此時，教師不是將結論直接告知學生，而是引導學生將類比進行到底：再將實物粒子的波動性與光的波動性相類比，讓學生通過自己的分析和研究推理出物質波波長和頻率的表達式。假說是否成立，需要通過實驗的檢驗，教師再次啟發學生，讓學生類比楊氏雙縫干涉實驗設計驗證實物粒子也具有波動性的實驗。搜集證據，然后類比推理，最后實驗求證，是非常重要的物理學科研究思路，在高中物理教學中應用也非常廣泛。通過此種方法，可以快速理解新知識，掌握新規律。利用類比思想進行分析和研究，然后通過推理得出結論，是批判性思維的能力要求之一。

5.實踐應用，提升學生的評判反饋能力。

活動8：除了電子以外，后來科學家還陸續通過實驗證實了質子、中子以及原子、分子等實物粒子的波動性。由此可以得出結論：一切微觀實物粒子都具有波動性。據此你能否可推理得出：一切宏觀物體也具有波粒二象性？如果能，請說明理由。小組討論，提出觀點，分享結論。

活動9：宏觀物體是具有波動性的，但在宏觀物體運動時，我們為什么觀察不到它們的波動性呢？請你設計一道實際問題，并通過數據計算，說明原因。

學生設計了不少情境并進行了計算，典型案例如下：

活動10：已知電子的質量m=9.1×10-31kg、電荷量e=1.6×10-19C，則電子從靜止開始經過192V 電壓的加速后，其德布羅意波的波長多大？

針對此例，教師要向學生強調：在電磁波譜中，γ射線的波長最短，最小達10-5nm 的數量級。上例中電子德布羅意波的波長大小處于電磁波家族中的x射線波段，故該電子的波動性較為明顯，可以被觀察到。但在學生設計的實例中，子彈和乒乓球的德布羅意波波長即便是跟γ射線相比，也小得太多。因此，對宏觀物體而言，其波動性可以忽略，只考慮其粒子性即可。

【設計意圖】從電子等微觀粒子具有波動性，推廣到一切宏觀物體都具有波動性，還是有一定的思維障礙的，所以教師在此處設計了問題，并讓小組討論。同時，電子等微觀實物粒子因摸不著看不見，距學生的生活實際比較遙遠，但宏觀物體則不然。學生心里肯定會有這樣的疑問：在現實生活中，一般的宏觀物體運動時對應的物質波波長有多大？我們能直接觀察到嗎？所以教師讓學生根據日常生活實際，設計計算宏觀物體德布羅意波波長大小的試題，并進行數據計算，然后再根據計算結果，進行分析、比較和評判。教師在課堂上教授的知識，只有跟工農業生產或生活實際相結合，才能解答學生的疑惑，加深對概念或規律內涵及外延的深刻理解。在應用中評判所學知識，再從評判中得到反饋，這也是培養學生批判性思維能力的重要目的之一——學會正確應用新知，并反思驗證。

二、教學總結及反思

批判性思維是基于邏輯推理的合理的反思性思維，是一種從事思維活動的傾向或技能，是一種用懷疑的態度去關注決定相信什么或做什么的心智活動，是在查驗問題與證據基礎上對結論進行評價并提出初步解決方案的能力，故批判性思維是一種高階思維，其思維的起點在于質疑與批判。因此，提升學生批判性思維能力的前提和首要任務，是要培養學生的質疑和批判精神。那么，如何才能有效地培養學生的質疑和批判精神呢？一是在介紹物理學史時，一定要將科學家在質疑后嘗試、在失敗中奮起、在曲折中前進的過程重現給學生，讓學生從他們成功的經驗中學到正確的質疑和批判方式。二是有意識地去培養學生不迷信文本、質疑文本的習慣。比如在學習“機械運動”概念時，問學生有沒有“非機械運動”；學習“靜電場”時，問學生有沒有“非靜電場”；學習“機械波”時，問學生有沒有“非機械波”；等等。三是通過“示錯”的方式培養學生質疑習題的習慣，比如質疑習題的題設條件是否充分、能否自洽、有無歧義、習題答案是否全面、是否準確、結論是否合理等。總之，只有教師自身具有質疑和批判精神，并能在教學中采取有效措施，才可以培養出符合時代要求的、具有良好科學素養和批判性思維的創新人才，從而服務于社會的發展與進步。