高中物理課堂教學中培養學生科學思維能力的策略

楊 軍

（遼寧省農村實驗中學）

物理學科核心素養指的是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的、帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的重要組成部分。而科學思維能力是構成物理核心素養的四個要素之一，科學思維能力包括分析、綜合、抽象、概括、推理（演繹、歸納、類比）、論證等能力，而我們常用到的等效、外推、控制變量、比值定義等，屬于上述科學思維能力在物理教學中的具體體現。物理作為一門重視實驗及邏輯推理的自然科學類基礎學科，其教學目的不僅僅是為學生科普物理方面的知識，更重要的是培養學生科學思維能力。高中階段正是學生思維能力和邏輯能力發展的高峰期，把握這個時期學生在思維意識上的敏捷性并加以提高，能夠有效培養學生的物理核心素養。在高中物理教學中，要將科學思維能力的培養貫穿在其每個環節中，可從培養學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新四個能力入手。

一、引領學生體驗理想模型的建構過程

建構理想化模型在物理教學中也稱為理想模型法，即通過建立模型把復雜的問題簡單化，摒棄次要因素，抓住主要因素，對實際問題進行理想化處理，從而發現和表達物理規律。有時，為了更加形象地描述所要研究的物理現象和規律，需要在物理課堂教學中引入一些模型。在高中物理課程中，建構理想化物理模型的方式包括理想研究對象模型（質點、點電荷），理想條件模型（光滑斜面、理想氣體、勻強電磁場），理想裝置模型（理想變壓器、單擺、彈簧振子）、理想運動模型（勻速直線運動、勻變速直線運動，自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程等）。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對學生的模型建構能力要求分為5個層次：一是能說出簡單物理模型；二是能在熟悉的情境中應用常見物理模型；三是能在熟悉的情境中選用恰當模型解決簡單問題；四是能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型；五是能將較復雜實際問題的對象和過程轉換成物理模型。

在針對各種模型的教學中，教師不能只是直接給出物理概念，讓學生死記硬背，而是要事先精心設計好建模的過程，逐步引導學生將生活中的復雜問題提煉成引領建模步驟的簡單問題。讓學生在建模的過程中，了解物理基本規律在建模中的運用，感悟模型建構的各種科學思維方法，這樣的教學才能逐步提升學生的科學思維能力。以“平拋物體豎直方向運動規律”一課為例，在教學中培養學生的科學思維能力應包含三個過程：經歷建模過程，透過現象看本質，領悟思維方法。

（一）經歷建模過程，產生直觀模型影像

教師可以從任意角度向空中拋出一個粉筆頭，引導學生通過觀察，確定粉筆頭做的是曲線運動，運動中受到重力和空氣阻力的作用。教師提出問題：生活中有哪些運動與粉筆頭的運動相類似？這時學生可聯想到許多場景：被運動員投擲的鉛球，飛機在空中投下的炸彈等。教師要再引導學生對所舉實例進行分析歸類，并指出：有水平速度、只受重力的曲線運動才是平拋運動。生活中平拋的物體，只有在忽略空氣阻力時，才可以看成是平拋運動。學生經歷這種模型建構過程，就會在頭腦中形成平拋運動模型清晰的直觀感受，為學習新知識奠定牢固的基礎。

（二）透過現象看本質，提煉正確的觀點

教師可用實驗儀器演示平拋運動，如圖1所示，教師用小錘敲擊金屬片，提示學生觀察兩球的運動狀態，注意聽兩球落地的聲音。學生通過觀察和聽可以初步確定：A球做曲線運動，B球做落體運動，球落地聲音只有一個，兩球同時落地。

圖1 平拋運動軌跡

師：忽略空氣阻力的影響，A球B球分別做什么運動？

生：A球在金屬片的打擊下獲得水平初速度后只在重力作用下運動，是平拋運動。B球被松開后沒有任何初速度，且只受到重力的作用，是自由落體運動。

師：兩球同時落地能說明什么？

生：A球雖然有水平速度，但豎直方向的初速度是零，而且只受重力作用，說明A球豎直方向與B球運動性質完全一樣，即平拋運動豎直方向的分運動是自由落體運動。

從上述課例中可以看出，學生依據兩個小球產生的直觀現象，結合兩球各自的運動規律，經過縝密的思考，探究出兩球之間的相互聯系，并得出正確的結論。這樣的教學使學生的科學思維能力得到了有效提升。

（三）領悟思維方法，達到舉一反三

教學中構建理想模型，需要教師對學生進行相關物理知識的引導，也需要學生領悟解決復雜問題的科學思維方法。在得出實驗結論后，教師要繼續引導，使學生能夠舉一反三，促使科學思維能力得到進一步提升。

師：構建理想化模型是進行物理科學研究的常用方法，在前面的學習中，有哪些類似的建模？

生：質點、勻變速直線運動、自由落體運動等。

師：本節課突出了哪些物理科學的一般思想方法？

生：實驗裝置中斜槽末端應保持水平、小球每次都從斜槽同一高度處由靜止開始釋放，這是“控制變量”的思想方法。前面學習的如何探究“加速度與合外力、質量的關系”實驗就是采用這種方法。

師：還有嗎？將復雜的曲線運動轉化成已知的直線運動的規律來研究，這是“化曲為直”“化繁為簡”的方法；將平拋運動分解為水平勻速直線運動和豎直方向自由落體運動，是“等效代換”“正交分解”的思想方法。

這樣的教學能使學生對物理知識的理解產生質的飛躍，使學生的思維方式更加科學、合理，使其科學思維能力得到有效提升。

二、引導學生進行類比推理

科學推理指的是由一個或幾個已知結論推出另一個新結論的思維方式。科學推理的方式很多，高中物理使用較多的是歸納推理、演繹推理和類比推理等。以類比推理為例，類比推理基本過程為：明確類比的對象；理清各自屬性；對比分析，得出結論。在教學中讓學生經歷這三個過程，能夠使他們感悟科學思維方法，形成科學思維能力。

以“電壓的作用”一課為例，教學中運用類比推理發展學生的科學思維能力應包含三個過程：明確類比的對象，形成感性具象思維；理清各自屬性，形成抽象邏輯思維；通過對比分析，形成理性具象思維。

（一）明確類比的對象，形成感性具象思維

這里的感性具象思維指的是學生在接觸外界事物時感官直接感覺到的具體表象。在物理教學中可通過讓學生動手操作實驗和教師演示實驗兩種方式來使學生明確類比的對象，用感官直接感覺到具體實驗現象，形成感性具象思維。

教師可組織學生進行小組合作實驗，讓學生觀察小燈泡通電、斷電時亮度的變化。學生通過實際操作，依據實驗現象，得出結論：電壓使電路中形成電流，電源是提供電壓的裝置。教師提出類比對象：電壓能使電路形成電流，水壓能使管道有水流，它們有哪些相同之處呢？下面我們通過實驗再來觀察一下水流的產生。教師演示抽水機抽水實驗，學生觀察水流形成的現象。這樣，通過教師的引導，學生充分觀察，明確了類比的對象，形成了感性具象思維。

（二）理清各自屬性，形成抽象邏輯思維

這里的抽象邏輯思維指的是以抽象的概念、判斷、推理為形式的思維，是人類最基本也是運用最廣泛的思維方式。在物理教學中用類比推理，可通過讓學生在充分經歷觀察的基礎上，去理清觀察到的物理現象背后的各自屬性，形成概念、合理判斷、正確推理，最終形成抽象邏輯思維。

在學生小組合作動手實驗和教師演示實驗的過程中，學生要仔細觀察這兩種實驗所產生的現象，并依據觀察到的電流產生和水流產生現象進行分析類比，教師要使學生理清這兩種現象的各自屬性：抽水機—水壓—水流；電源—電壓—電流。這樣，學生在頭腦中就會形象地形成抽水機、水壓、水流、電源、電壓、電流這六個核心概念。同時，在理清這兩種現象各自屬性的過程中，學生也需要去合理判斷其中的核心概念是如何關聯的，最終通過推理，得到實驗原理，形成抽象邏輯思維。

（三）通過對比分析，形成理性具象思維

這里的理性具象思維指的是在感性具體觀察基礎上經過思維的分析和綜合，達到對事物多方面屬性或本質的把握。由抽象上升到具體的方法，就是由抽象的邏輯起點經過一系列發展和擴散，達到思維具體的過程。在物理教學中用類比推理，可通過讓學生在充分經歷觀察、理清觀察到現象背后各自屬性的基礎上，經過思維的分析和綜合，實現對實驗現象和概念本質的掌握，形成理性具象思維。

在本課教學的最后，教師可以引導學生仔細對比分析，得到結論：水流的形成與電流的形成很相似，因此電壓等同于水壓，抽水機等同于電源。這樣的類比教學，意圖很明顯：把電壓形成電流這一抽象的現象變成了學生熟悉的、直觀的水壓形成水流現象，學生通過對比和分析，形成了理性具象思維。

三、培養學生的證據意識

在物理教學中，證據意識是學生學習探究物理規律必不可少的素養，實驗數據的收集和處理，物理結論、規律的獲取都必須依賴于證據?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》中關于培養學生證據意識的要求分五個層次：一是能區別觀點和證據；二是能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點；三是能恰當使用證據表達自己的觀點；四是能恰當使用證據證明物理結論；五是能考慮證據的可靠性，合理使用證據。教師在課堂教學中培養學生的證據意識，可以從以下兩個方面入手。

（一）提高學生對證據重要性的認識

證據是物理科學發展的重要支撐，也是科學思維的重要支點。在物理課堂教學中，教師可通過講述物理史中一些典型事例來提高學生對證據重要性的認識。例如，可講述著名的“泊松亮斑”的故事。法國物理學家菲涅爾還是學生的時候，寫了一篇關于波動說中衍射方面的論文。時任評委的泊松對菲涅爾的理論嗤之以鼻，并通過數學推導，指出其衍射理論的漏洞：按照你的說法，圓形擋板后面陰影的圓心處應該有一個亮斑。在那個時代，從來沒有人見過陰影中心有亮斑的現象。因此，菲涅爾對自己的理論也產生了懷疑。在朋友的鼓勵下，菲涅爾開始認真做實驗，結果真的證實了陰影中心有亮斑的現象。在證據面前，泊松無可辯駁?？梢?，尋找證據對于科學研究來說是多么重要。這樣，學生就能夠認識到證據在物理科學研究中的重要性，也能夠在后續的物理學習中提高證據意識。

（二）提高學生對證據說理的認識

證據說理是科學思維的重要組成部分，也是物理發現的重要表達方式之一。在物理課堂教學中，教師要創造證據說理的機會，提高學生證據說理的意識。例如，在教學“失重、超重”時，我和學生做了一個小互動：我將兩本書分頁插在一起，問學生能否將兩本書拉開。有幾名男生上來反復嘗試都失敗了，最后有一名學生上來，只見他兩手平拉著書，迅速下蹲，書立刻被他輕松地拉開了。該學生解釋其中的原理：當物體處于完全失重狀態時，物體間的壓力為零，所以書頁之間的摩擦力為零。其他學生聽了半信半疑，不少人上來嘗試，結果并沒有順利拉開?？吹綄W生陷入困惑之中，我及時進行點撥：剛才這名學生敘述的原理是對的，只是缺少讓人足夠信服的證據。我帶領學生做另一個小實驗來證明：我取出一個飲料瓶，在瓶下端四周扎幾個眼，然后裝滿水站在凳子上并將瓶子高高舉起，水從瓶眼四處噴射。我提醒學生注意觀察后，一松手，瓶子自由落下。學生驚奇地發現：瓶子自由落下的過程中，水竟然不往瓶外流出了。這時，所有的學生都明白了那名學生講的原理。但我還是糾正了他的說法：他的迅速下蹲還不能達到完全失重，只是失重使書頁間壓力減小，最大靜摩擦減小。所以，有時迅速下蹲也無法保證一定會把書分開。

在物理課堂教學中，教師要善于培養學生的科學證據意識，引導學生深入思考，展開深度探究，使證據意識與物理教學有效融合，這樣的教學有助于學生科學思維的發展與探究能力的提升。

此外，科學探究起于質疑，我們還應該通過引導學生不斷質疑，培養科學思維能力。質疑的行為大致可以分為兩個層次：一是對知識了解不夠，沒有弄懂，無法解決具體問題，提出疑問，這是低層次的；二是發現所觀察到的現象與已有認知不吻合，或者發現已有認知之間不能相融合，從而對現有認知的科學性和合理性提出疑問，以至于萌發出新的猜想，這是高層次的。教學中，我們應倡導高層次的質疑行為，因為歷史上物理學的重大發現都是由高層次的質疑行為引發的。例如，伽利略質疑亞里士多德“重的物體下落得快”的論斷。他先通過邏輯推理，指出亞里士多德對落體認識的問題，然后得出重物與輕物應該下落得同樣快的結論，最后用著名的“比薩斜塔實驗”證實了自己的結論。

總之，物理課堂教學中學生科學思維能力的培養是十分重要的，教師要轉變教學觀念，不斷創新課堂教學方式，采用多種教學方法對學生進行科學思維的訓練，不斷促進學生科學思維能力的提升。