批判性思維：通向物理科學思維的必然路徑

張飛

（江蘇省木瀆高級中學，江蘇 蘇州 215101）

科學思維是物理學科核心素養的核心，其內涵與表現是從物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、抽象概括、比較分類、推理論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質。［1］在科學思維形成的過程中，批判性思維具有引領性作用。

在批判思維中，思考者可以系統、習慣性地使用思維上的持之以恒、謙遜、換位思考和思維公正性等各種思維特質來控制思維結構，使用清晰性、準確性、精確性、相關性、深度、廣度、邏輯性和公正性等思維標準來檢驗包括問題、信息、概念、推論、假設、意義和觀念等思維的成分，促進提升思維品質；讓思維方式更加清晰、準確、精確，更有深刻性、廣泛性、邏輯性、相關性、重要性和公正性。本文從“批判性思維”的視角來闡釋物理學科核心素養之核心內容“科學思維”的培養路徑。

一、基于批判性思維判斷讓科學模型合理建構

物理模型是人們對物理研究對象及其過程的抽象概括，是人們認識物理問題所形成的心理圖式的外在表征，是科學思維的核心要素。高中階段科學思維核心要素的物理模型建構是物理學習的一種認識手段和思維方式，是學生根據研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程。［1］

模型選擇、建立、驗證、分析和應用（Halloun 基于Hestenes 創建的科學建模教學理論中的模型建立、模型分析、模型驗證三維度發展提出的，目前被模型建構教學廣泛采用，行之有效的［2］）5 個維度是模型建構的有效教學路徑。在模型建構的過程中，學生必須學會運用觀察、演繹、推理、假設、近似、實驗、概括、數學抽象等思維方法，對物理問題的各種要素進行分析、比較、判斷后，形成對研究問題（或情景）的某些屬性進行抽象和簡化，從而形成具有解釋和預測功能的近似表征（思維成果）。在這過程中，需要學生進行基于論據的具有邏輯性的、不偏頗的思考，并能有意識地琢磨、反思性（批判性思維就是一種反思）地審思自身的思維過程，以達成更好地適應目標與情境的目標指向性思考。針對模型建構維度和批判性思維標準分析（如表1 所示），通過批判性思維實施判斷可讓科學模型合理建構。

表1 模型維度與批判性思維判斷標準

【教學片段】電場線、勻強電場模型建構

問題：我們知道，電場最基本的特性是對放入其中的電荷有力的作用。為了描述這一力的特性，我們曾經運用比值定義法建立電場強度的概念，可以精確地描述電場，但是它卻不夠形象也不夠直觀。有沒有什么方法可以更加形象直觀地來描述電場呢？（引領學生反思，為電場線模型建構引發思考）

演示實驗：電場中的“怒發沖冠”實驗（如圖1）。讓學生站在絕緣體上，用靜電起電機使人帶靜電而產生頭發排斥豎起現象。（為了根據建模的目的及所需模型的適用范圍，為了激發個人經驗）

圖1

問題：觀察實驗，能給你帶來什么啟示嗎？（引導學生從熟悉模型中選擇合適的模型開始建模過程，批判性思考，從模型描述相關性、邏輯性處作出判斷）

學生：以前在描述磁場時，我們引入過磁感應線來形象描述過磁場。能不能用類似方法也來引入一種什么線來形象描述。（萌生構建模型想法，試圖用該模型做出有效的描述與解釋，并對模型有初步表征印象）

問題：這是一個好想法，大家要深入思考一下，在你看來，這種線應該具備哪些特征？（讓學生批判性思考，確認所選模型相關成分與結構，批判性思考，盡可能使模型更有邏輯、更加清晰）

學生：最起碼應該能反映大小和方向。（面對問題情境，明確建模的目的）

問題：回想一下磁感應線是如何描述的，能否找到建構依據？（引領批判性思考，從清晰性、準確性、精確性視角來重構模型，使其更加普適，讓學生更有效地描述與解釋，并對模型實施校正表征）

邏輯建構：依次讓學生思考解決如下問題。思考I：如何在正的點電荷電場中選擇幾個不同場強點，定性作圖來描述電場？（如圖2-1 所示，讓學生自主畫下圖示，批判性思考，要求能關聯邏輯清晰地反映電場大小和方向）.思考II：如何用畫圖方法來描述電場中場強大小相同點電場及不同點的場強？（如圖2-2 所示，讓學生自主拓展畫圖示，批判性思考，要求能關聯邏輯清晰精準，有廣度地反映電場大小和方向）；思考III：如何用畫圖方法來描述電場中所有點電場？如何簡化來表征電場？（如圖2-3 所示，讓學生自主構建，批判性深度思考，并能夠形象、直觀描述、解釋電場強弱問題，生成電場線概念，完善建模）

圖2-1

圖2-2

圖2-3

初步概念：根據電場特征，法拉第采用了一個簡潔的方法來描述電場，那就是畫電場線。（引導了解學史，讓學生批判性思考，物理模型概念構建是通過很長時間深化的）正點電荷的電場線從正電荷出發，終止于無限遠，箭頭表示方向，疏密反映電場強弱。（學生自行建構，反思重構定義，要求概念建構盡量有相關性、邏輯性、清晰性、準確性、精確性表征）

模擬實驗：把頭發碎屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，碎屑就按有序排列起來，能顯示出電場線的分布情況。（利用實驗方法檢驗模型的內在一致性，如圖3 是模擬正電荷電場的照片）

圖3

拓展推理：前面構建的是點電荷電場線模型，是否適應所有電場？如等量異號點電荷空間電場線如何分布？（引領學生反思）思考I：如何在電場取一點來畫一下電場（圖4-1）？（引導學生批判性思考，利用電場疊加原理來描畫）思考II：如何在電場取一些點來畫一下電場（圖4-2）？（引導學生批判性思考，利用歸納推理描畫不同點電場大小及方向）思考III：如何來描畫電場中所有點電場？如何簡化來表征電場？（如圖4-3 所示，讓學生自主構建，批判性深度思考，并能夠形象、直觀描述、解釋電場強弱問題，反駁修正電場線概念，完善建模。）

圖4-1

圖4-2

圖4-3

模擬實驗：把頭發碎屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，碎屑就按有序排列起來，能顯示出電場線的分布情況（圖5 是模擬異號點電荷空間電場的照片）。

圖5

修正概念：電場線是畫在電場中的一條條有方向的曲線，曲線上每點的切線方向表示該點的電場強度方向。在同一幅圖中，電場強度較大的地方電場線較密，電場強度較小的地方電場線較疏，因此在同一幅圖中可以用電場線的疏密來比較各點電場強度的大小。（綜合正點電荷電場和等量異號點電荷形成的電場空間電場線，抽象共性，在評價方法檢驗模型的內在一致性基礎上，對原有模型進行修正，得出科學模型）

勻強電場建模：請畫一畫無限大均勻帶正電平板周圍電場的電場線。（圖6 所示，推論到新情境，評價模型的適用廣度，引導學生利用上述的建模方法，先將無限大均勻帶電平板分成無限多個點電荷，再根據對稱性畫出電場中P 點疊加場，再推廣到無限多個點電荷，構建無限大均勻帶電平板電場線，得出勻強電場概念）再請畫一畫無限大均勻帶負電平板周圍電場的電場線。（如圖7 所示，學生遷移應用，自主建構，鞏固勻強電場概念）第三次請畫一畫對稱放置，無限大均勻帶等量正，負電平板周圍電場的電場線。（如圖8所示，學生遷移應用，理解勻強電場區域，回歸現實，批判性思考得出，相距很近的一對帶等量異種電荷的平行金屬板，它們之間的電場除邊緣外，可以看作勻強電場，完善建模）

圖6

圖7

圖8

模擬實驗：把頭發碎屑懸浮在蓖麻油里，加上平行金屬板，其間可以模擬勻電場線的分布圖。（如圖9所示，利用實驗判斷、檢驗模型的內在一致性，對原有模型進行修正，來解決問題，并對問題進行解釋）

圖9

反思：概括《普通高中物理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》所涉及的需要建構的模型有對象模型（如質點、點電荷、點光源、單擺、理想電表、理想氣體等）、條件模型（輕彈簧、輕繩、輕桿、光滑、水平、豎直、勻強電場等）、過程模型（勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧運動、等溫過程、絕熱變化等）和理論模型（光的波動說、光的波粒二象性、氫原子模型等）四類。模型建構主要表現在能夠分析模型所涉及的各個要素及其結構，使用模型解釋物理現象和過程，闡明物理概念和原理，在真實的情境中具有構建模型的意識和能力等，通過模型構建有助于學生抓住事物（問題）的關鍵要素，加深對概念、過程和系統的理解，形成系統思維。［1］《電場線、勻強電場模型建構》教學片段所揭示的是基于批判性思維判斷，合理建構科學模型有路徑、方法，可為如何更多具體物理模型建構提供樣例。

二、基于批判性思維分析讓推理論證邏輯嚴謹

科學思維建立離不開科學推理和科學論證，物理教學中的科學推理包含有歸納推理和演繹推理，它既包含對自然現象和實驗現象進行歸納形成模型、概念、規律、概括、理論等的歸納過程，又包含通過使用這些基本的模型、概念、規律、概括或理論對物理現象作出假設的演繹過程，通常呈現為歸納思維（概念獲得、概念形成、概念圖式）和演繹思維（基于創造力、觀察、模型建構以及根據經驗證據的評價），科學推理是最基礎的科學思維形式這一；物理教學中的科學論證是批判性論證思維在物理學習領域的運用，是以物理知識為中介，積極直面物理問題，對所獲取的物理現象、實驗數據和資料進行解釋說明，提出自己的論點，反思自己和別人論點的不足并提出反論點，同時能反駁他人的質疑和批判的高階思維能力，［1］是開展物理學習探究活動的重要思維實踐。

物理教學中，推理與論證過程就是科學思維的建構過程。在對物理概念與規律學習的過程中，可以說每一個結論的獲得都離不開推理與論證，科學推理與科學論證處在科學思維的核心地位，在教學中不可割裂，不可孤立實施，總是互相滲透、相伴而行。論證是思考、信念、決定和行動的合理性的起點，沒有論證就不能進行理性的推理與分析，而論證過程更是在推理的基礎上才得以實施和完成的。物理學科的學習強調利用科學論證的方式進行科學推理，從而形成對自然現象的科學解釋，科學推理和科學論證是詮釋科學思維的核心要素，是以批判性思維為基礎。物理教學中，批判性思維是將思維的衡量標準（清晰性、精準性、相關性、正確性、深度、廣度、邏輯性、公正性）運用于學生推理論證所組成的各元素（目的、懸而未決的問題、信息、解釋和推理、概念、假設、結果和意義、觀點）中去，以形成優異的思維特性（態度謙遜、意志自由、理智健全、勇敢無畏、堅持不懈、篤信推理、設身處地、公正無私［3］），優化學生的思維方式，讓推理論證邏輯科學嚴謹。

【教學片段】曲線運動速度方向

（一）明確目標激發問題

游戲引入：今天想跟大家一起來玩個游戲，這里有一個幸運大轉盤，介紹裝置圖10 所示。（演示幸運大轉盤，活動中用細線一端固定在轉臺中心，另一端系光滑小球，當轉臺轉動時，小球隨著轉臺一起做圓周運動，在恰當位置有剪刀剪斷細線，小球運動可進入幸運門）有沒有哪位同學想試下今天的運氣？（學生參與游戲體驗）

圖10

問題：讓小球進入指定的幸運門，有無規律可循呢？（引出需要探究的事物，確定批判性思維的邏輯起點，引出探究目的明確目標）

問題：從軌跡上看，小球先后做了哪些運動？。（讓學生用批判性思維標準綜合思考問題）

學生：先做曲線（圓周）運動，再做直線運動。（讓學生清晰、精準、正確地描述相關現象）

（二）分析綜合建立概念

問題：除了這個小球在做曲線運動之外，你見過或經歷過其他曲線運動嗎？（引導學生思維批判性地向思維深度、廣度發展）

學生回憶并回答：砂輪濺出的火星、運動鏈球的飛出、投籃拋出的籃球等等。（讓學生清晰、精準、相關思考后得出）

問題：前述實驗和大家列舉事例中運動物體的運動有何共同特點。（引領學生批判性進行邏輯歸納，明確探究事物的動機，通過舉例總結共性，形成曲線運動概念）

建立概念：通過剛才大家的舉例，我們發現做曲線運動的物體有個共同特點，即軌跡都是曲線，因此我們把軌跡是曲線的運動叫曲線運動。

形成觀念：其實大到天體，小到微觀粒子，無論是生產生活還是科技發展，似乎曲線運動比直線運動更普遍的存在，看來非常有必要來研究一下曲線運動。（明確探究曲線運動的目的）

問題：研究離不開好奇，好奇必然產生問題，關于曲線運動你想研究它哪些方面的問題？（讓學生批判性地提出與曲線運動相關性問題）

學生：……

動畫模擬：看來大家的困惑還挺多的我們來看，動畫模擬小球運動。（讓學生批判性思維，引領學生切題、有廣度和深度思考問題）

問題：小球開始隨轉盤做曲線運動，為什么后來做直線運動？（引領思維分析，學生因對事物最初的感覺，形成觀點）

學生：慣性，小球要保持原來的運動狀態。

問題：這個原來的運動狀態是指什么狀態？（引領清晰準確的描述觀點）

學生：繩子剪斷一瞬間的狀態。

演示實驗：為了更清楚地看到曲線運動各個不同位置的運動狀態，請大家觀察旋轉陀螺灑墨水實驗，向旋轉陀螺頂上滴紅墨水（如圖11-1），觀察墨水飛出方向并描畫墨水飛出軌跡。（引導探究的方向，確定批判性思維的邏輯起點和體會探究意義）

圖11-1

問題：我們知道速度可以反應物體的運動狀態，你能紅墨水滴曲線運動各點的速度方向嗎？（引導有深度有邏輯的清楚思考搜集信息）

學生：液滴直線飛出的方向可以反映墨水曲線各點的速度。（通過描跡描畫墨水飛出軌跡，如圖11-2，為思維推理提供證據）

圖11-2

問題：這里留下很多液滴飛出的方向，我們發現曲線各點位置不同，飛出的方向就不同，說明曲線運動各點速度方向時刻發生？你覺得這個方向是什么方向？（引領思維方向，讓學生堅持不懈思考。）

學生：變化，切線方向。（基于現象，批判性思考后，做出邏輯推理，做出假設猜想）

問題：我們用一個已經做好的圓和切線來看看，是不是跟大家猜想的一樣是切線方向。我們已經看到，被甩出去的水都沿圓周的切線方向飛出，說明這個圓周運動中某點的速度方向是切線方向，那么如果半徑跟這個圓不同，速度大小也不同的圓周是不是也是切線方向呢？（科學尋證，引領批判性思維，向深度思維發展，為思維清晰性、精準性、相關性、正確性、有深度、有廣度、公正性表達，提供邏輯嚴謹的推理思維素材）

介紹裝置并提問：實驗裝置如圖12 所示，器材有小鐵球，磁性小黑板，紅黃藍為圓弧形拼接軌道，如何做到速度不同？（釋放高度不同）

圖12

分組實驗：紅黃藍拼接軌道任意組合，讓小球沿著圓弧的拼接軌道做曲線運動，觀察小球脫離軌道后的速度方向，改變拼接圓弧軌道個數，重復實驗。（因學生已有的概念是圓弧曲線某點運動方向為切線方向，通過實驗來驗證猜想，教師指導學生操作實驗，并觀察實驗現象，為培養學生篤信推理，勇敢無畏思維品性，提供依據）

匯報交流：分析在磁性小黑板上留下運動小鋼球的軌跡，找出不同段圓弧軌道小球沿直線運動出速度方向與圓弧半徑關系，得出實驗結果：做圓弧曲線運動的速度方向是圓弧切線方向。（針對該事實得出的結論的過程，為邏輯推理提供依據。如圖13 所示）

圖13

問題：除了剛才兩個實驗現象外，細心的同學會發現，生活中還有大量的事實和實驗表明：質點圓周運動的速度方向為軌跡上某點的切線方向。（動圖展示砂輪切割鋼筋時熾熱的鐵屑飛出的方向、雨天旋轉傘柄從傘邊緣飛出的水滴等等，通過事實佐證，為推理增加信心）

問題：我們已經驗證了圓周運動的某點速度方向是切線方向，那么一般曲線速度方向是否也是切線方向呢？（引領深度思維，明確推理方向）

問題：其實我們可以把一般曲線分割成無限小段，而每一小段都可以看成是一個與這一小段曲線相切的速度大小不同半徑不同的圓的一部分。當小球在做一般曲線運動時，就等同于經歷了無數個圓弧的一部分。既然圓周運動的瞬時速度是切線方向，那么一般曲線的瞬時速度方向必然也是切線方向。

這里我們利用了微元的思想，用特殊到一般的研究方法得到了一般曲線運動的瞬時速度方向也是切線方向。你能否再通過理論來證明曲線運動的方向是某點的切線方向？（有意識地琢磨、反思性地審思自身的思維過程）

邏輯推理：如圖14 所示，質點沿曲線運動，某段時間從A 運動到B，過A、B 兩點作直線，這條直線叫作曲線的割線。從A 到B 就是質點位移的方向，也就是這段時間內的平均速度方向。設想研究的時間段逐漸縮短，則B 點逐漸向A 點靠近，這條割線的位置將不斷變化。當時間段變得非常非常小的時候，B 點非常非常接近A 點，這條割線就將與過A 點的切線重合。因此，可以認為質點在A 點的瞬時速度方向沿曲線在A 點的切線方向。（幾何畫板展示，引導學生論證，理論邏輯推理，體驗科學推理邏輯嚴謹性）

圖14

實驗驗證：探究物體曲線運動方向。再自制實驗探究：設計可以任意改變長度的磁性塑條，實驗時可不斷改變磁性塑條的長短，來改變沿磁性塑條做曲線運動的鼠標滾球出口位置，確保磁性塑條的位置不動，每次在鼠標滾球上涂上紅墨水來記錄紅墨水運動徑跡和速度方向（如圖15）。（旨在更好地適應目標與情境的目標指向性思考，基于論據的邏輯性的、不偏頗的思考）

圖15

反思：在物理學科科學思維建構時，由于學生存在大量前概念，在沒有經歷從日常概念的批判性反思到科學概念建構的認知發展進階過程，在遇到問題時，經常用日常概念代替科學概念，缺乏對物理概念意義和含義的深層理解。如在曲線運動速度的方向學習時，學生通常根據生活經驗建立起的前認知，認為速度方向是“沿著”曲線，或認為速度是如軌跡之“曲”，或認為是沿著切線方向。若教學忽略批判性思維分析，直接通過幾個實驗（或生活）現象觀察進而得出結論，有時看起來似乎順理成章；但是如何從現象得到結論，中間有著一段極具教育價值科學思維建構的過程，跳過這一過程的教學顯然將其輕易地“短路”了，將會導致推理論證缺乏嚴謹邏輯。若采用生活現象（或興趣實驗）引發思考、激發問題，通過設計揭示本質的實驗（如觀察旋轉陀螺灑墨水實驗，向旋轉陀螺頂上滴紅墨水）或生活現實（如砂輪濺出的火星）搜集有效信息（如墨水飛出方向并描畫墨水飛出軌跡）、建立概念（曲線運動）、提出解釋主張、做出推理假設（墨水飛出方向是切線方向）、進一步設計探究方案，進行科學尋證，構建含有明確物理意義推斷和并形成物理觀念（運動觀），構建清晰的曲線運動速度沿切線方向的結論。這將彰顯基于批判性思維綜合，讓科學推理邏輯嚴謹的魅力。

三、基于批判性思維評價讓質疑創新科學合理

物理科學思維的模型建構、科學推理、科學論證都是因質疑而產生的，思維的過程是一種事件的序列鏈。這一發展過程從質疑開始移動到探究，再到批判性思維，最后得到比個人信仰和想象更為具體的“可以證實的結論”。思維不是自然發生的，但是它一定是由“難題和疑問”或“一些困惑、混淆或懷疑”引發的。觀察者“手頭的數據不會提供解決方案，它們僅僅能夠給人啟示”；而正是對“解決方案的需要”，維持和引導著批判性思維的整個過程，在直面問題時對所獲得的數據資料進行解釋闡明，提出自己的論點，反思自己和別人論點的不足并提出反論點。［4］重構原有思維序列鏈，形成新的分析、綜合、判斷和評價的思維過程就是創新，創新是批判性思維的動力和目標。批判性思維并不能保證我們對事物的認識完全正確，但是它提供了這樣一個機會，使我們最大可能地去正確認識。批判性思維是質疑創新思維的前提和基礎，質疑和創新來自批判性思維，質疑創新的過程需要的具有清晰性、邏輯性、客觀性、目的性和反思性的批判性思維的評估標準來衡量。只有基于批判性思維評價指導下的質疑創新，物理科學思維的模型建構、科學推理、科學論證才能正確形成，學生學習才可以形成一種精神（物質觀念、科學態度和責任）信仰，才可以使人們趨向于客觀、公正、理性，減少錯誤的行為，追求合理科學的思維方式，建立高階思維能力。

【教學片段】伽利略的理想斜面實驗

（一）批判反駁：引領質疑

伽利略質疑：原來運動的物體之所以停下來，難道真的是因為沒有力的作用嗎？（伽利略針對亞里士多德觀點提出質疑，引發學生批判反駁，體會質疑的力量）

伽利略認為運動的物體之所以停下來，不是因為不受力，正好相反，是因為受到摩擦力或者空氣、水等流體的阻力的影響。

問題：如果沒有摩擦力或者空氣、水等流體的阻力的影響，物體在水平面上會做怎么樣的運動呢？［引領學生體驗伽利略“實驗+推理”的邏輯分析：《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632 年）、《兩門新科學》（1638 年）］

現象1：小球在斜面上釋放后會加速滾下，向下傾斜的斜坡是小球獲得加速的原因（圖16-1 所示）。

圖16-1

現象2：小球沿斜面向上運動時會減速，向上傾斜的斜坡是小球減速的原因（圖16-2 所示）。

圖16-2

推理：如果小球運動到水平面上呢？（引領批判性思考）——既不加速，也不減速，應該一直運動下去（圖16-3 所示）

圖16-3

問題：你認為伽利略的論述有道理嗎？有問題嗎？（引領質疑，分析得出：有道理，是符合邏輯的。也有問題，因為物體在水平面上是不會勻速運動下去的）

問題：那是什么原因呢？（批判反思：是因為還有摩擦的緣故。在伽利略之前，人們都沒有發現摩擦這個因素，伽利略的高明之處就是發現了摩擦，包括空氣的阻礙等）

問題：如何驗證猜想是否正確呢？（引發學生批判性反思，進行物理研究相關性思考，得出探尋路徑：實驗）

問題：但現實中不可能完全沒有空氣阻力、摩擦阻力的影響，況且三百多年前的伽利略時代更無技術實現空氣阻力、摩擦阻力空間，怎么辦？（引發新質疑，為體驗創新奠定基礎）

（二）批判反思：體驗創新

演示一：“伽利略針和單擺”的實驗。（如圖17 所示，原理如圖18 所示，讓學生重演伽利略針和單擺關鍵步子，體驗伽利略針創新思維過程）

圖17

圖18

問題：讓小球從A 點自由釋放，當小球到達右邊時，將會達到怎樣的高度？（批判性引發質疑，調動生活經驗參與批判性思維）

學生：將達到與A 點等高的位置。（通過驗證，增強批判性思維信心）

問題：如果我們在懸點下方插入一個釘子，小球運動的軌道就發生改變，仍讓小球從A 點自由釋放，它還能到達等高位置嗎？（批判性引發質疑，為批判性創新改變實驗過程奠基）

學生：仍然等高！（學生批判性評價并做出判斷）

問題：我們在改變釘子的位置試試！怎么樣？（批判性引發質疑，將批判性引向更深、更廣方向）

學生：還是等高！（好像小球有一種本領，它記住了自己原來的高度，并且在擺動中總能到達原來的高度）

問題：如果我們讓小球一直擺動下去呢？它一直能到達等高位置嗎？（批判性分析推理，調動學生認知經驗，為創新尋找支撐）

學生：不行，小球會越來越低，最終停止運動。

問題：這是什么原因造成的呢？（批判性分析，引向深度和廣度引發思維）

學生：有空氣阻力的影響，使得它每次都比原來低一些。（讓思維走向持之以恒和思維公正性）

演示二：圓弧軌道實驗

問題：剛才實驗擺動一次時空氣阻力的影響非常小，可忽略不計，大家體會發現最終會產生影響，但如體來體現摩擦的影響呢？（通過批判性思維，使思維準確性、精確性、相關性、邏輯性和公正性得到深化）。從這個實驗出發，如果不是擺的運動，而是小球在圓弧軌道上的運動（如圖19 所示，事先在軌道上鋪上粗糙介質，讓學生產生推理上的質疑），會怎么樣呢？（展示伽利略思考和質疑）

圖19

學生：（猜想）應當到達同樣的高度。（批判性思考，讓學生意識短時間觀察與前實驗相似。如圖20 所示，教師演示，仍讓小球從A 點自由釋放）

圖20

問題：小球有沒有到達等高的位置？（問題強調，引發批判性思考，讓思維更加謙遜公正，使批判性思維的問題、信息、概念、推論、假設、意義和觀念表征更加精準科學）

學生：明顯沒有。（引發批判性思考，是偶然現象嗎？再試一次。還是這樣……那我們再換個軌道試試……還是這樣）

問題：這是什么原因造成的呢？（引發深度思維）

學生：不僅有空氣阻力，還有摩擦阻力的影響，看來這個軌道對小球的摩擦阻力比較大。（通過批判性思維后，引發學生潛意識，如果軌道沒有摩擦力時，小球應該能到達同樣的高度）

問題：小球在空氣中應該也有摩擦，只是摩擦很小，影響小，軌道上的摩擦大。如何證明沒有摩擦就能到達同一高度呢？能否改進來驗證你的猜想？（給學生批判性思維留白，為創新尋找路徑）

學生：改變接觸面的粗糙程度，觀察是不是接觸面越光滑，小球的末位置越能接近等高的位置，那么就能相信如果絕對光滑，最終能到達登高的地方。

學生：盡量減小軌道摩擦。（教師根據學生想法減小軌道摩擦，改進實驗，驗證學生猜想，為批判性思維提供創新依據）

（三）批判性評價：領悟真諦

問題：你能知道伽利略為什么要質疑亞里士多德的觀點嗎？你能理解理想實驗的意義何在？（引領學生通過批判性思維，辯駁伽利略和亞里士多德觀點，評價伽利略質疑的合理性，理解伽利略創新點：伽利略在反思亞里士多德“觀察+思辨”的研究方法創新“實驗+推理”建構“理想實驗”的研究方法，其本質是在真實的科學實驗事實的基礎上，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維來深刻揭示自然規律的科學研究的重要方法）

問題：伽利略同時代的物理學家笛卡爾也對運動和力的關系進行了研究。他進一步指出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續以同一速度沿同一直線運動，既不停下來也不偏離原來的方向。你比較笛卡兒與伽利略的觀點，他又有什么新的突破？（引導學生通過批判性思維評價，領悟科學思維建立是在不斷質疑和創新基礎上的）

學生：笛卡兒明確指出了速度不變，沿直線運動下去，伽利略僅指出是沿水平面運動。（通過比較讓學生體會批判性思維和質疑創新的魅力）

問題：回到現實，你能否用現代方法論證笛卡爾、牛頓觀點的正確，理解理想斜面實驗合理正確？（讓學生批判反駁，領悟質疑，尋找創新得出用打點計時器和紙帶、頻閃照片、視頻等現代創新方法，理解伽利略當時的質疑膽識、創新的偉大）

反思：高中階段牛頓第一定律的教學是基于初中已有牛頓第一定律認知的，［5］傳統的教學通常是通過知識的“回顧+鞏固”，至多是向學生直觀介紹科學史的基礎上完成的。這樣做最多只能是傳授知識和技能，它不是以物理現象與事實為背景，遠離了學生的直接經驗，并且也缺乏認知的挑戰性，不利于物理觀念建立、科學思維的發展。通過基于批判性思維評價來改變教學和學生學習方式，尊重學生思維發展規律，引領學生通過重演科學思維關鍵步驟，激發領悟質疑的邏輯起點，體驗創新重構思維路徑，可幫助學生明辨是非、辨別真偽。案例《伽利略的理想斜面實驗》教學片段是通過課堂提供全面甚至是矛盾的材料和觀點，讓學生討論和辨別，提升批判性思維能力，發展理性思維的示范，通過批判反駁、反思、評價，來引領質疑、體驗創新、領悟真諦，幫助學生構建科學思維。

四、結語

《普通高中物理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》凝練出了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度的物理學科核心素養。無論是基于知識和技能為載體的概念、規律凝煉與深度理解，在新的問題情境中迅速匹配并找到解釋現象、解決問題的概念、規律和有效信息，為論證、推理及推論提供依據，將知識結構化建構物理觀念的形成過程，還是科學探究的問題提出、證據搜集、科學解釋、交流合作等物理核心素養的發展路徑，以及通過物理學科學習而建立起來核心素養的品格（科學態度與責任），無一不是通過科學思維建構來實現的。科學思維是物理核心素養的核心，處在物理教學的中心地位；批判性思維是用于學習或生活中的任何問題的一種有目的的思維方式，更是科學思維要遵循的思維方式。物理問題情境中，通過批判性思維評估思維方式（通過指出他的思維優勢和劣勢、內容的清晰度、準確性、精確性、相關性、深度、廣度、重要性和公正性），關注思維的各個元素（包括目的、懸而未決的問題、信息、解釋和推理、概念、假設、結果和意義、觀點等）來實現模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新，是物理教學新方向、新途徑，是通向物理科學思維的必然路徑。