高中物理科學思維素養的文本分析與提升策略

周婷 尹文佳 李蘭

摘 要：科學思維是物理學科核心素養的要素之一，同時也是物理教學的核心。將高中物理教材作為研究對象，從科學思維的四要素——模型建構、科學推理、科學論證及質疑創新入手，以小節為單位，對教材中科學思維的呈現情況進行統計分析，并探討了目前高中物理教學的現狀及普遍不足之處，最后結合各維度要素相關的教材內容和教學實例片段，對提升科學思維素養的方式進行探索，分別從“創設情境進行模型建構、開闊思維優化論證過程、啟發思考增強推理意識、改進教法培養質疑創新能力”四個角度，提出了可行的策略以供參考。

關鍵詞：高中物理；學科核心素養；科學思維素養；模型建構；科學推理；科學論證；質疑創新

中圖分類號：G442;G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1673-5072（2023）03-0326-07

在《普通高中物理課程標準（2017年版）》中，“科學思維”這一概念正式亮相，強調從科學的角度出發，聯結相關的科學觀念，構建適當的科學模型，使用正確的科學方法，進行科學推理論證，從而解決實際問題；并能對該過程進行反思、分析總結、檢驗修正、大膽質疑和積極創新，進而取得一定的成果［1］。這個過程不是教師在講臺上解釋理論、展示模型就能完成的，必須要學生親身參與其中，動手動腦，去感受、體驗，將科學的推理歸納、論證綜合等方法內化于心，根據事實依據，結合科學推理，對結論提出質疑，在不斷試錯中革新修正，以接近事實真相。

1 高中物理教材中的科學思維要素分析

“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新四大要素［1］。在中學物理教學中，體現四大科學思維要素的物理知識數不勝數，筆者對人民教育出版社出版的2019年6月第一版《普通高中教科書 物理 必修 第一冊》（以下簡稱《必修一》）和《普通高中教科書 物理 必修 第二冊》（以下簡稱《必修二》）進行了文本分析，并將體現各要素的知識點數量和占比進行了統計，具體如表1所示。統計結果顯示，教材中體現科學思維四大要素的物理知識點數量有所差異，其中科學推理的培養占比最高，而質疑創新方面則略顯薄弱。

1.1 模型建構

模型建構就是利用近似的方法建立真實世界情境的簡化的、理想化的模型，從復雜的現象中抽取能描述該現象的元素，并找到元素間的正確關系［2］。在中學物理知識體系中，理想化模型是簡單且常見的科學研究方法，著眼于所需研究的主要問題，忽略不影響結論的次要條件。理想化模型又可分為以下三類：（1）理想對象模型，如質點、點電荷等；（2）理想條件模型，如光滑平面、理想氣體等；（3）理想過程模型，如勻速直線運動、勻速圓周運動、平拋運動等［3］。在《必修一》和《必修二》中，理想模型建構的呈現情況如表2所示。

例如，質點是一種理想對象模型，當研究對象的形狀和大小不影響或不顯著影響物理問題的解決時，可以把物體當作質點——一個有質量但不存在體積或形狀的點，這樣能夠使注意力集中在問題本質上，提高解決問題的效率。再如，通常情況下隨著自由落體運動速度增加，空氣阻力也逐漸增加，在“自由落體運動”一節中，忽略空氣阻力的細微影響，只考慮主要的重力作用，簡化受力情況，推導出自由落體運動的加速度為重力加速度，這就是一個理想條件模型。

1.2 科學推理

科學推理是由個別已知結論推出新結論的思維方式和科學研究方法［4］，在物理學中常見的推理方式有歸納推理、演繹推理和類比推理等。其中，歸納推理是從特殊到一般的推理，需要依據大量對特殊事物的觀察和實驗數據，發現其共同點，歸納得出一般性結論；演繹推理是從一般到特殊的推理，基于已知的普遍規律，明確演繹對象，進行數學和邏輯推理，演繹得出特殊性結論；類比推理也叫做“類推”，是從特殊到特殊的推理，通過尋找研究對象在某些方面相似或相同的特性，用比較推斷的方法得出它們在別的特性上也具有相似或相同之處［5］。在《必修一》和《必修二》中，科學推理要素的呈現情況如表3所示。

例如，在《必修一》“共點力的平衡”一節中，多個共點力作用在同一研究物體上，通過在兩個相反方向上分別進行力的合成，最后可以將多個共點力的作用等效為兩個力的共同作用，利用二力平衡的概念，通過歸納推理的方式，得出在共點力作用下物體平衡條件是合力為0的一般性結論。在《必修二》“宇宙航行”一節中，從運動和受力分析入手，用萬有引力定律和牛頓第二定律，將在地球附近物體繞地球運行的特殊運動簡化為一般的勻速圓周運動，只考慮地心的引力作用，通過數學計算和演繹推理得出第一宇宙速度。

1.3 科學論證

科學論證是指引用各類數據資料，比較與他人論點的不同之處，提出主張并進行推理，質疑反駁他人論點并為自己觀點辯護的過程［6］。在教材中多出現于“思考與討論”和“說一說”欄目。在《必修一》和《必修二》中，科學論證要素的呈現情況如表4所示。

例如，在《必修二》“萬有引力定律”一節中，牛頓在推出了“平方反比”的規律之后，繼續思考使月球繞地球運動的力和使蘋果落地的力是否為同種性質，通過計算證明了其猜想的合理性，從而將引力關系推廣至整個宇宙，于是有了萬有引力定律，經典力學理論體系得以創立。

1.4 質疑創新

質疑創新是科學思維的重要組成部分，是發展學生物理學科核心素養不可或缺的一環［7］。一般而言，質疑創新就是敢于懷疑權威、批判權威，具有獨立思考能力，并能通過猜想、分析研究、設計等過程創造有價值的新內容。物理學的發展歷程充滿了對前人觀念的不斷質疑與顛覆，沒有質疑和創新能力，任何學科都會如同一潭死水，無法發展。在《必修一》和《必修二》中，質疑創新要素的呈現情況如表5所示。

例如，在《必修二》“行星的運動”的“科學漫步”欄目中，教材介紹了日心說的發展史。托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等大科學家都對前人的觀點提出了質疑，通過實驗論證和數學推導，承受著各界的壓力提出了新理論，一場聲勢浩大的科學革命帷幕由此拉開，使人們的世界觀產生重大變革。

2 中學物理科學思維素養的提升策略

2.1 結合教材情境，建構實際問題的物理模型

在高中物理教學中，教師要創設真實情境，引導學生建構模型并加強學以致用，提高學生的科學思維素養［8］。也就是說，在實際教學過程中，教師需要有意為學生創設情境，讓學生明確觀察點，并提示學生針對觀察點細心觀察，增強其感性認識。就學生科學思維素養的提升而言，是否具有抽象思維能力是帶動學生從低階思維躍進到高階思維的關鍵，這就要求師生在分析物理問題時，能將其中的主要因素抽離出來，簡化問題的條件因素，將原本復雜的多維條件問題轉化為抽象的物理模型，進而促使學生解決問題。因此，在整個中學階段，教師都應貫穿建模意識和抽象思維的培養。下面以《必修一》“自由落體運動”一節為例，說明如何在物理教學中創設情境，根據實際問題建構理想過程模型。

在“自由落體運動”的情境引入部分，教材中創設了物理學史情境：讓同學思考高層建筑物上，輕重不同的兩個物體哪個下落更快？當中就暗含了著名的比薩斜塔實驗的猜想過程。這一問題馬上能激起同學們的討論，而且答案不一，有人說同樣快，也有人說重的更快。這時將問題類比為“紙團和紙同樣高度落下，哪一個更快？”這是一個非常貼近生活的思考題，同時也是一個簡單的小實驗，學生在好奇心的驅使下，馬上會利用手頭的材料進行驗證。在進行教材中所演示的情景后，模擬比薩斜塔實驗的操作過程也不失為一個好的教學活動，且能更好地將物理學史情境融入課堂；或問學生為什么在生活中有時重物下降速度快，有時輕物下降速度快。教師通過創設生活情境，引導學生思考：當考慮空氣阻力這一因素后，物體的下落速度會發生什么變化？以此為建立自由落體運動的理想模型作好鋪墊。

本節教材編排了一個演示實驗和學生分組實驗，為學生創設了實驗情境。根據教材中的演示實驗，教師可以依次向學生演示充滿空氣玻璃管內和真空玻璃管內羽毛、鐵片等的下落情況，使學生產生認知沖突，進而啟發學生得出結論：生活中的物體下落速度不同，是由于受到空氣阻力；如果沒有空氣阻力，所有物體下落的快慢都一樣。在學生分組實驗中，一方面，學生可以通過使用打點計時器復習對小車運動的研究，另一方面，通過喚醒已有的認知，將自由落體運動與其他形式的運動進行類比，從而發現其特殊之處，更深刻地理解理想過程模型當中的主要因素和次要因素。在“科學漫步”欄目中，教材介紹了伽利略研究自由落體運動的科學探究過程，使得學生們能夠更加了解“簡化復雜問題，突出運動本質特征”的科學研究思路。

2.2 基于教材案例，優化物理結論的推理過程

新時代對育人提出了新的挑戰，為了使科學思維素養的培養落實到課堂教學中，需要廣大教育人士扛起重擔。一方面，教師需要更新教學理念，在課堂上以學生為中心、關注過程性評價；另一方面，教師需要充分挖掘理論知識背后所蘊含的核心素養，教學規律背后所蘊含的科學思維，實驗操作背后所蘊含的科學道理。

科學推理是指能夠靈活地運用歸納、類比以及演繹三種推理方法，根據物理實驗現象以及現實數據對物理概念、規律以及應用方法進行推理分析，是一種十分重要的物理思維能力［9］。在高中物理教材中，很多內容并不是單一的物理問題，而是如動能定理、共點力平衡條件、圓周運動等綜合性問題，與之相關的有多個概念，概念層次和概念間的邏輯關系也相對復雜，教師應更加重視其結論的推理過程，客觀對待學生處理具體問題時的表現，不以簡單的正確與否進行評判。下面以《必修一》“圓周運動”一節的教學實例為例，說明如何具體化思維的發散過程，從而優化物理結論的推理過程。

演示實驗：將粉筆用線系住一頭，另一頭固定在黑板一點上，拉直細線讓粉筆在黑板平面上做圓周運動，得到運動軌跡，引入課題“圓周運動”。

列舉實例：鐘表是生活中常見的物品，表盤三根指針長短不一，思考時針、分針、秒針無時無刻不在做圓周運動，那么圓周運動的快慢應如何表述？

思考討論：將自行車后輪架起，如圖1所示，轉動踏板，觀察A、B、C三點，可以用哪些方案來判斷三點運動快慢。學生分組討論，教師總結方案：

方案一：比較三點轉完一圈所需時間長短。

方案二：比較三點在同一段時間中所轉的周數。

方案三：比較三點在同一段時間內所經過的圓弧長度。

方案四：比較在同一段時間內三點所在半徑轉過的角度大小。

在此教學實例中，首先在情境引入部分，就創設了學生們熟悉的、與生活經驗掛鉤的圓周運動問題，學生對于這類話題更熟悉，有過相關的思考，愿意發表自己的看法。在思考討論環節，分別使用四種方案來表達、證明觀點，充分開闊學生思維，不拘泥于單一的物理問題解決方法，并充分利用類比、演繹和等效替代的思想，將圓上各點運動的快慢化為更加直觀、簡單可比的物理量，增強了科學推理的多樣性。

在方案一中，運用的是“周期”的概念，即在勻速圓周運動中，研究對象旋轉一周所需的時間長短。在方案二中，運用到了“轉速”的概念，生活中常用轉速來描述物體運動快慢，即物體轉動圈數和所用時間之比。在方案三中，運用了“弧長”的概念，與前面直線運動中所學習過的“路程”概念相似，都是物體在一段時間內運動的路徑長度，由此能更深一步對應“線速度”的概念。在方案四中，對應了“角速度”的概念，由于大小齒輪邊緣一段時間內所轉過的弧長相等，即線速度相等，但由于半徑不同，同一段時間內轉過的角度必然不同，即用來描述在圓周運動中物體繞圓心轉動的快慢。在該教學過程中，教師通過讓學生觀察不同大小半徑的齒輪上各點的運動情況，提出可行的比較方案，四種方案的證據來源都相對直接，是可以通過學生獨立或小組合作得出的結論，加深了學生們對于本節內容各概念的理解。

2.3 緊扣學生思維，培養科學論證的證據意識

科學論證是科學思維的要素之一，基于科學論證為基礎進行的教學為論證式教學，其對于培養學生的科學思維、邏輯表達能力和交流能力都有很好的促進作用［10］。科學論證的科學思維要求學生有意識地使用科學推理證據，并能夠判斷證據的可行性和適用性，合理使用物理公式、定理、規律和研究方法進行數學推演和邏輯推理。證據是科學論證的基礎，科學論證的關鍵在于證據的掌握和使用，本節以《必修一》“牛頓第二定律”一節教學實例為例，分析如何在教學中啟發學生思考，從而培養學生科學推理的證據意識。

演示實驗：將細繩或紙帶與一重物相連，向上勻速提起重物，這時細繩沒有斷裂；向下勻速放下重物，細繩也未受到影響；接著用手牽著繩子突然向上加速運動，可以看到細繩斷裂，重物落地。

提問：細繩為什么有的情況下沒斷，有的情況下卻會斷裂呢？

學生對現象進行科學推理，小組討論得出結論。

實驗：利用如圖2所示的實驗裝置，兩個質量相同的小車，一個和三個鉤碼分別系在繩子的一端，在同一起點處擺放小車，放手一段時間后使兩小車同時停止，記錄位移距離。提問：松手前、小車運動時、停止后的加速度，與小車受到的力有何關系？

課標對本節科學推理方面的要求是“能分析和推理動力學問題并獲得結論，用牛頓第二定律相關論據表達自己的看法”。在演示實驗提問環節中，通過實驗和生活常識，學生很快能夠理解“是物體突然的加速運動使紙帶破裂”。結合生活經驗，類比繩子、頭發絲會斷的原因，便能找出證據證明“細繩受到的力大于可以承受的范圍，于是細繩發生斷裂”。由此將問題定性為“沿某方向突然加速運動”，利用二力平衡和牛頓第二定律進行演繹推理，可以知道重力存在。學生在研究過程中，緊扣“力太大導致細繩斷裂”這一原因，結合“加速”這個物理特征，為學習運動與力的關系打下基礎，培養了科學推理過程中的證據意識。

實驗當中，測定加速度的方式很多，如打點計時器，但相對復雜費時，于是需要尋找一個更適合課堂演示的方法。根據位移與加速度的關系，教師將加速度大小用位移大小來代替，于是加速度和力的關系可替換為更直觀的相同時間內的位移來體現。教師通過對小車的三種狀態下加速度的提問，使學生受到啟發，既能思考整個牛頓第二定律的推理過程，是從“對于一個不受力的物體加速度為零”到“受力后加速度不為零”再到“速度越大則表明物體所受合力越大”，又能理解“多個變量出現在問題中時，研究其中一個變量則要控制其余變量不變”的控制變量物理思想。在樹立了科學推理的證據意識后，考慮成立的條件和適用的情境，利用實驗對所持證據進行反復驗證，回答運動物體加速度和所受外力及自身質量的關系，得出牛頓第二定律的具體內容表述和數學表達式。

2.4 改進教學方法，提升學生質疑創新的能力

質疑創新思維是指對物理現象進行觀察、分析，對已有的結論形成有理有據的質疑，并從多個角度進行論證研究，用不同的物理方法來解決問題，并有目的地形成新奇、獨創的解決問題思路和方式。質疑創新與科學論證緊密相連，相輔相成。質疑創新必須基于已有的物理規律和科學論證，而科學論證的過程也需要質疑創新的思維能力作為推動。物理學科在培養學生科學思維尤其是質疑創新思維方面，具有獨特優勢，教師可以通過辨析物理前概念、展示物理學史、拓展科學探究、改進物理實驗等途徑發展學生質疑創新思維［11-12］。下面以《必修一》“相對論時空觀與牛頓力學的局限性”一節為例，說明改進教學方法，以達到培養學生質疑創新思維能力的目的。

本節教材首先介紹高速運動狀態下經典的力學體系不成立，接著介紹了量子化現象和廣義相對論。內容相對較多，屬于重難點后的介紹性內容。教師不能將教學目標局限為對相對論和量子力學體系的理解，應該要讓學生感悟到科學如同滾滾向前的車輪，處于發展進程中，由于觀念和科技的限制，其本身局限性無法避免，一切科學理論都是一部“尚待完善的大部頭”。作為經典力學的第一條定律，牛頓第一定律顛覆了長達兩千年的錯誤觀點，扭轉了人類的世界觀。并不是牛頓力學過時或者錯誤，而是兩種體系的視角和適用的情況不同。讓學生在科學探究過程中，通過相對論和量子論的顛覆性，認識到科學思維的無限魅力，領悟質疑創新的重要意義。

實際教學中，可以通過以下計算思考題引入。

引入：如果河水以v的速度流動，河上的船以相對于河水v的速度行進，則船相對于岸的速度為多少？

舉一反三：如果人類正乘坐以0.1c速度的飛船飛往太空，朝前方一星球射一束光，則該星球上觀測到的光速為多少？

以船相對于岸的速度推及星球上觀測到的光速，讓學生產生認知沖突，意識到兩個看似相同的情景卻隱藏著不同的物理過程。接著創設物理學史情境，演示法和講授法相結合，以生動的多媒體課件展示為主，輔以教師的講授，將相對論時空觀的探索發展過程展現出來。在此情境下，經過了自己的思考和教師的講授，學生能夠充分感受物理發展史中質疑創新思維的魅力。在往后的學習中，敢于質疑，從多樣視角解決物理問題，找到新穎的解決途徑。

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Abstract：Scientific thinking is one of the physics core competencies and the core of physics teaching.Taking the senior high school physics textbook as the research object and the subsection as the unit，this paper makes statistical analysis on the present situation of scientific thinking in the textbook，and analyzes the current situation and general shortcomings of physics teaching in senior high school from the four elements of scientific thinking，including model construction，scientific reasoning，scientific argumentation and questioning innovation. Finally，this paper discusses the ways to improve scientific thinking competency in combination with the relevant textbook contents and teaching example segments of all dimensions，and puts forward feasible effective strategies for reference from four aspects，including creating the situation to construct the model，opening up the process of thinking optimization，inspiring thinking and enhancing reasoning consciousness，and improving teaching methods to cultivate the ability of questioning and innovation.

Keywords：senior high school physics；subject core competencies；scientific thinking competency；model construction；scientific reasoning；scientific demonstration；questioning innovation

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（湘教通〔2022〕323號，22C0397）；四川省教育廳一般項目（CJF18052）；衡陽師范學院2020年校級教改項目（JYKT202017）

作者簡介：周婷（1992—），女，助教，主要從事物理課程與教學論、教師教育方面的研究。

通信作者：李蘭（1981—），女，編輯，主要從事物理課程與教學論、教師教育方面的研究。E-mail：wxylilan@163.com

引文格式：周婷，尹文佳，李蘭.高中物理科學思維素養的文本分析與提升策略［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2023，44（3）：326-332.