基于發展科學思維的高中物理課堂教學

文驊

【摘要】科學思維是高中物理核心素養之一，作為本輪教育改革的重點，核心素養的培養為高中物理教學指明了方向，近兩年廣西高考中也體現出對學生科學思維能力的高要求.本文結合教學實際，對科學思維的內涵以及如何培養學生科學思維的教學策略進行探討.

【關鍵詞】高中物理；核心素養；課堂教學

1 理解科學思維的內涵

關于科學思維，課程標準中提到：模型建構的思想，科學推理、科學論證等方法，以及質疑、批判、創新等內容.怎么理解課標中關于科學思維的具體內涵呢？

物理課程標準中所指的科學思維應該是所有符合科學的思維的總稱，重點指物理學科中常用到的思維方式，如抽象、概括、推理、歸納等，另外我們經常用到的如類比、極限、控制變量、比值定義等學科方法，應該也屬于科學思維的具體表現.

在教學參考用書中可以看到，對科學思維的要求較以往更高，例如“能用公式、圖象等方法描述勻變速直線運動，體會科學思維中的抽象方法和物理問題研究中的極限方法”等.對于思維教學的重要性，如華東師大郅庭瑾教授提到的：人之所以為人，在于人有思維，為思維而教是當前教育的重要要求.

2 教學中培養學生科學思維的途徑

心理學家赤瑞特拉（Treicher）曾做過兩個有名的心理實驗：一是人們可以通過何種渠道來獲取信息如圖1.另一個則是關于人類知識持久性的實驗.實驗結果如圖2所示.

根據實驗結論得出：利用各種感官的影響獲得的信息量，比單純聽課強得多，并且如果既能聽也能觀察，并利用探究、互動等手段，知識的保持效果會遠遠高于常規課程.

建構主義認為教師應該給孩子提供良好的學習氛圍與平臺，創設合理的問題情境，引發他們的認知沖突，啟迪他們的積極思考，如此才有利于他們對知識的主動建構.

可以這樣講，更符合學生的認知規律的，也更能突出核心素養教育所要求的課堂應該是“思維型課堂”，思維型課堂的一般流程是：創設情境——提出問題——自主探究——交流反思——遷移應用.下面談談如何在這些流程中更有效地發展學生的科學思維.

2.1 圍繞問題創設好物理情境

“從生活走向物理，從物理走向社會”是響應核心素養培養目標的重要教學理念之一，直觀體現在物理考查從簡單的理想模型更多地面向生活實際，強調對生活中的物理現象、對創新科技前沿涉及的物理情境問題的解決能力，這需要較高的科學思維能力.

例如 如圖3是2021、2022年廣西高考物理的部分題圖.

其中“旋轉鈕扣”“下坡過減速帶”“中子－質子圖象”“高臺滑雪”無不來自真實的物理情境，因此在日常教學中要重視圍繞問題設計好情境.常見的“問題情境”就是教師在教學目標的指引下，圍繞問題而設置的學習情境，能夠引導學生通過分析、概括、假設、歸納等方法去發現問題、解決問題、啟發思維.

例如 在學習“重力勢能”這部分內容時，學生第一次接觸“勢能”的概念，對于為什么要利用重力做功來學習重力勢能的認識是模糊的，出現這個現象很大程度上是因為在課堂上輕視了物理情境的引入，沒有設計有層次的問題，過早地過渡到重力做功和重力勢能的表達式，學生囫圇吞棗，給后面的學習帶來概念理解不清的隱患.

解決辦法是需要厘清功與能的關系，筆者是這么做的：

第一步，通過多媒體展示高處落下的物體可以做功的例子（利用圖片或GIF動畫），如打樁機、水庫泄洪、流星劃過天際、高樓墜物砸壞東西等.

師 各個物體在下落的過程可以做功嗎？怎么證明做了功？

生 可以，如樁柱被打進地里面去了……

第二步，通過現場演示實驗水力發電機的模型（將水瓶舉高，水順著管道流下，沖擊下方的水力發電機模型，點亮LED燈），強化物體被舉高后在釋放時可以做功.

第三步，將水瓶的開關閉合，水不再流動.

師 現在的水有沒有做功？它“能不能”做功？

生 沒有做功，但它“能夠”做功.

至此，學生已經建立起功和能的關系，教師在黑板上板書如圖4，強調有能就“能夠（can）”做功，而做了功就“展示（show）”出物體具有能，從而引導學生分析得到為什么要通過計算重力做功的辦法來理解重力勢能.

需要指出的是，創設情境是圍繞問題而展開，情境的創設是為問題而準備的，而絕不能為了情境而情境，引入一大堆沒有邏輯關系的、喧賓奪主的素材，除了熱鬧百無一益，反而讓學生思維處于低水平重復，無法發展科學思維.

2.2 設計有層次的探究活動

合理的探究過程也是思維的發展過程，教師引導學生通過自主學習、討論探究、團隊協作等不同的方式來達成知識構建的目標，進而在這些過程中發展科學思維.

例如 以必修二第六章第4節“生活中的圓周運動”為例，本節課引導學生從生活中的實例中抽象出圓周運動的模型，進而分析其受力特征和運動規律，解釋了火車轉彎、車輛過拱橋、航空器中的失重、離心運動等現象，其難點在于模型的抽象.對于汽車過拱橋這個典型的教學片段，我們可以設計這樣有層次的探究活動：

第一步，多媒體展示汽車過“搓板路”

師 作為乘客，在坡頂和坡底會有什么感覺？

學生講自己的主觀體驗.

第二步，實驗，利用如圖5所示的儀器演示小球在坡底和坡頂時臺秤示數的變化（實驗1）.

師 哪個點受力最大？哪個點受力最小？

第三步，學生自主分析最低/高點時小球的受力情況.

生 受力分析，列出向心力表達式（模型建構、自主探究）.

第四步，重復試驗，小球從不同高度靜止開始下滑，觀察示數變化（實驗2）.

師 請同學們說說原因.

生 高度不同，導致速度大小不同（推理應用，強化第三步的結論）.

第五步，多媒體展示游樂場某S型滑梯，游客滑下來的過程中，在中間的高點有脫離滑梯的情況（主觀體驗）.

師 如何整改以確保游客不會脫離軌道？

生 降低高度、減小弧度（小組合作，深化探討）.

第六步，將地球看成是一個大拱橋，給出數據計算第一宇宙速度.

生 受力分析，求出第一宇宙速度（模型建構，拓展應用）.

類似這樣的一個有層次的探究過程，不是簡單問題的堆砌和重復，學生通過觀察、分析、綜合、探討、合作等方式參與學習過程，教學過程有思維梯度，這將引導學生深入思考，充分發展學生的科學思維.促進科學思維的發展.教師應重視并利用“問題”，設置一系列由淺入深、由表及里、層次遞進的問題，讓問題作為學生思維發展的指路人和臺階，形成有層次的探究活動，幫助他們進一步地感受、思考、發展思維.

2.3 增加學生體驗和動手創造的機會

各個學科專業都有其自洽的邏輯結構和專業特點，筆者認為物理學科最明顯的特質便是實驗、動手創造.物理學科將理論知識與實踐緊密結合，這雖然是教學中的難點，也能被充分利用而成為教師教學的有力助手，讓學生在交流反思和遷移應用的過程中，發展科學思維.

例如 學生在學習選擇性必修二第一章的“磁場對通電導線的作用力”時，會學習安培力等概念，教師通過在課堂上演示通電導線在磁場中受到的力的影響因素，讓學生學習安培力的性質特點.由于停留在“看”的階段，學生對于安培力的了解是比較概念化的、不生動的，那是一種在課堂上學習“別人的知識和經驗”的感覺.在這里，我設計了一個學生動手小實驗，讓學生利用一節干電池、一段銅線、一個金屬紐扣強磁體，利用安培力制作一個最簡單的小電動機（如圖6）.

原理非常簡單，就是利用線圈的短路電流在磁場中受到的安培力，讓線圈旋轉起來.通過這樣一個教學設計，真正讓學生切實去思考一系列問題：如磁場的方向？怎樣更有效地利用磁場？導線的形狀或方向？如何讓安培力更大？摩擦力更小？……學生在不斷地嘗試中，內化了知識，強化了能力.

可以這樣認為，倘若每節物理課都有一個小實驗、小演示，物理課堂所展現的面貌會大不相同.有更多體驗和動手的機會，讓他們有更多的時間去反思和探究，雖然看上去效率較低，但其實這樣的課堂教學是有深度的，它切實突出了過程性知識的學習，培育了學生的創新精神和實踐能力，這當然也有效發展了學生的科學思維.

3 結語

總之，物理教師心系學生的終身發展，充分發揮物理學科優勢，讓學生多體驗、多創造，盡量通過良好的教學設計，創設合理情境，讓學生的思維能力得到全面發展，這樣的課堂才是真實有效的、有深度的、發展科學思維的課堂.

參考文獻：

[1]《普通高中物理課程標準（2017年版）》[M].北京：人民教育出版社.2017：23-28.

[2]王建華.試論物理學科的科學素養[J].2018（10）：191.

[3]劉曉彤.基于物理核心素養的高中物理教學設計研究[D].遼寧師范大學，2018.

[4]李琬瑩.高中物理學科核心素養及培養初探[D].華中師范大學，2017.

[5]嚴汝新.基于發展科學思維的高中物理學習指導[J].中學物理教學參考，2020，49（27）：24.