注重科學思維發展的啟發探究式教學設計

［摘 要］科學思維是對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的一種認識方式，是學生終身發展的必備品格和關鍵能力，因此，關注學生科學思維素養的發展在高中物理課堂教學中就顯得尤為重要。文章通過巧用生活情境、鋪設實驗路徑和激發批判性思維等方式，啟發學生通過比較與分類、抽象與概括、分析與綜合和邏輯推理等活動，在形成概念或得出規律的同時，提高學生的模型建構、科學推理和論證以及質疑創新等能力，這樣的教學有效促進了學生科學思維素養的發展。

［關鍵詞］科學思維；啟發探究式教學；簡諧運動

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0038-04

在物理學科核心素養中科學思維是關鍵能力，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個方面，發展科學思維對人的終身發展有著至關重要的作用。啟發探究式教學一方面強調引導學生積極主動思考，強調教師主動而科學地引導，體現教師的主導地位；另一方面強調學生積極思考，主動參與教學活動，體現學生的主體地位。啟發探究式教學需要更多的教學時間，而且挑戰很大，假如在探究過程中教師不能適當啟發，就不能有效調動學生的學習積極性，甚至還有可能挫傷學生的學習積極性與主動性。為此，在設計教學方案時，教師要注意創設恰當的情境，讓學生有效融入課堂，并以適宜的情境為載體，以問題為導向，通過師生、生生、生本等多元化的互動啟發，有效開展物理實驗探究，讓學生在實驗探究的過程中學習相應的物理知識，提升科學思維素養。

下面以人教版高中物理選擇性必修第一冊第二章第一節“簡諧運動”為例，探討在啟發探究式教學中培養學生的科學思維。

一、巧用生活情境，培養模型建構能力

模型建構是一種認識手段和思維方式。高中物理教學中要培養學生的科學思維，就要注意關注并提升學生的模型建構能力，具體應注意引導學生體驗“基于經驗事實建構研究模型的過程”，讓學生感悟思維方法，提升學生遷移運用物理知識、思維方法解決實際問題的能力。在“簡諧運動”教學過程中，教師可以先從生活實例入手，在增加學生感性認識的基礎上進行適當的啟發引導，讓學生抓住運動的主要因素，忽略次要因素，最后形成一個能進行實驗探究的理想化模型。在具體教學過程中，讓學生在觀察、實驗的過程中學習建模、學習思維、學習論證，在交流、討論、展示與評價中學習思維、論證、質疑、創新，從而有效培養學生的科學思維素養。

［生活情境展示1］展示鐘擺的擺動、水面上隨水浪上下浮動的物體、樹枝在風中來回擺動和人們擔物行走時扁擔下物體上下顫動四張動態圖。

問題1.這四個運動有什么共同點？

交流討論：上述物體都在某個位置附近往復運動，跟以往學習的單向直線運動和平拋運動等運動不同。物理學中將物體在某一平衡位置附近的往復運動稱為機械振動。

問題2.像這樣的機械振動，生活中常見的還有哪些？

交流討論：蕩秋千，飛行的鳥兒的翅膀擺動，活塞的運動……

問題3.上面展示的四個運動有什么不同點？

交流討論：鐘擺擺錘的運動是曲線的，水面上上下浮動的物體和扁擔下上下顫動的物體的運動是直線的，風中擺動的樹枝上各個點都在振動。

［生活情境展示2］播放振動篩工作時的視頻（如圖1所示），振動篩下面連接著多組彈簧，振動篩工作時隨彈簧上下振動。

交流討論：在學習物理的過程中，為了研究某種問題，往往選擇一個較為簡單的模型進行研究。比如，在學習拋體運動時，在忽略物體自身的大小和一切阻力等次要因素后，研究水平拋出物體的平拋運動。

問題4.在上面提到的各種振動中，為了便于研究，選哪種振動進行研究比較合適？

交流討論：第一，直線運動比曲線運動更簡單，所以排除鐘擺的擺動；第二，要有能突出的研究對象，即運動中的次要因素可忽略，像樹枝和鳥兒翅膀在振動時各點都在振動，不能突出研究對象，所以也應排除。而水面上上下浮動的物體、扁擔下上下顫動的物體、活塞和振動篩的振動相對便于研究，且受力也較為簡單。

因此，在研究機械振動時，可以建構這樣的運動模型（如圖2所示），將輕質彈簧的一端固定，另一端跟一個小球相連，將小球穿在水平直桿上，忽略小球的大小、彈簧的質量和小球與桿之間的摩擦，向右拉動小球到某個位置釋放后，可以對小球在平衡位置附近做的往復運動進行研究。

設計意圖：通過對不同實例進行比較分類，可以使學生在表象認識的基礎上對簡諧運動的本質有初步的探究，有了初步探究后，就需要教師適當的啟發，借助振動篩引導學生進行抽象和概括，把振動這個運動的共同的、本質的屬性聯合起來，從而構建出能反映振動本質的且易于研究的彈簧振子運動模型。這樣的設計，使學生的形象思維得到了發展，抽象概括和建模能力得到了提升。在后面的學習中，彈簧振子還可以在不同的環境中創設，學生就需要通過知識遷移和創新思維解決不同環境下的振動問題。

二、鋪設實驗路徑，培養推理論證能力

蘊含在物理知識背后的規律與方法對學生來說需要一個領悟的過程，假如教師在傳授知識時只是照本宣科，就會導致學生不能把握知識間的內在聯系，而是簡單記憶事實和概念。學生對事物本質沒有深入的認識，就會影響他們應用物理知識解決實際問題的能力的提升，這對學生的繼續學習和發展是不利的。因此，就需要教師在實際教學中創設問題情境，并圍繞問題鋪設實驗路徑，讓學生親身實踐并收集證據，引導他們將收集到的證據進行分析和評價，從而達到使學生在認識事物本質的同時，推理論證能力也得到提升的目的。

簡諧運動的本質是物體在大小跟位移成正比，方向跟位移方向相反的回復力作用下的運動，位移是研究物體運動的一個重要物理量，在機械振動中，又因為物體一直在往復運動，所以研究振動的位移更加重要。那么，如何研究振動的位移？振動的位移跟之前學過的運動的位移有什么不同？這是教學過程中要重點關注的。

問題1.通過對彈簧振子的觀察，發現振子的位置在不斷變化，圖2中的[A]、[O]、[B]三個位置中，選擇哪個位置作為位移的起點最合理？

交流討論：做機械振動的物體都是在平衡位置附近做往復運動，在研究機械振動的位置變化時，對相對平衡位置的位移進行研究更有價值，又因為機械振動具有對稱性，所以以[O]點作為位移的起始位置最為恰當。

問題2.因為振子會在不同時刻經過同一位置，所以經過的位置有重疊，為了清楚地描述這個運動，可以采取什么方法？

交流討論：在研究單向直線運動時，為了反映位置隨時間的變化，經常采用作位移—時間圖像（[x-t]圖像）的方法，通過描出不同時刻的位置，再連成平滑的曲線，以此反映位置隨時間的變化關系。

演示實驗1：如圖3所示，將重物下拉一段距離后放手，讓豎直彈簧振子振動起來。

問題3：猜想一下，假如以平衡位置（重物靜止時的位置）為坐標原點，以向上為正方向，以下拉到的某個位置為起始時刻的位置作出的[x-t]圖像大概是怎樣的圖像？

學生在之前的學習中雖然對位移—時間圖像已經有所認識，但因為對振動物體的具體運動情況還不了解，所以很容易作出如圖4所示的鋸齒形的位移—時間圖像。

拍攝一段豎直彈簧振子運動的視頻，然后采用Potplayer軟件將視頻連續截圖，再將圖片錯開疊加（如圖5所示），發現模擬得到的[x-t]圖像并不是直線的，而是有點像正弦或余弦曲線。

交流討論：在研究單向直線運動時，假如是勻速直線運動，[x-t]圖線是直線，假如是變速直線運動，[x-t]圖線則是曲線。

播放豎直彈簧振子運動視頻的慢鏡頭，讓學生觀察振子運動的情況。通過觀察，發現重物的運動是變速的，在經過平衡位置時速度最大，在上下兩個端點的速度為零。為了更加清楚地反映彈簧振子的運動情況，可對實驗進行改進。

演示實驗2：如圖6所示，彈簧一端固定，另一端連著一個滑塊，滑塊放在氣墊導軌上，氣源對氣墊導軌充氣后，就構成了水平彈簧振子。兩個位移傳感器，一個固定在導軌上靜止不動，另一個安裝在滑塊上。滑塊在導軌上振動時，位移傳感器通過數據采集器把各個時刻滑塊的位置輸入計算機。

用計算機處理數據后，在屏幕上顯示出各個時刻滑塊位置的連線（如圖7所示），發現其類似正弦曲線。

設計意圖：通過先讓學生猜想豎直彈簧振子的[x-t]圖像，再用信息技術手段將實際的圖線展示出來，使學生發現實際的跟猜想的并不相同，產生了認知沖突，對繼續深入研究產生了興趣。學生通過觀察豎直彈簧振子運動視頻的慢鏡頭，找到[x-t]圖像不是直線的原因是振動物體的速度在不斷變化，然后，師生一起改進實驗方案，繼續尋找證據。這樣的教學設計，可以引導學生不斷地進行分析、推理和評價，使學生的論證能力得到提升，同時，學生對振動的認識也有了從現象到本質的轉變。

三、激發批判性思維，培養質疑創新能力

要將實驗現象物化為實驗結論，還需要通過解釋和交流。解釋交流的過程是培養學生質疑創新能力的最佳階段，這時就需要教師設置一些能激起學生批判性思維的問題情境，啟發學生對得到的實驗現象提出合理的質疑，然后師生一起通過尋找更加優化的實驗方案繼續進行探究，使得所研究的對象得到充分的解釋，最終得出實驗結論。在得出實驗結論后，學生再通過合作與交流，準確表述實驗結論。這樣，學生學習能力得到發展的同時，思維能力、創新能力也得到了發展。

問題1.如圖7所示，計算機得出的位移隨時間變化的圖像是一條類似正弦曲線的圖線，能不能直接確定它就是正弦曲線？

交流討論：在探究物體的質量一定，加速度和受力的關系時，得到的是一條直線，就能說明加速度和力是成正比的，但是，在探究物體受力一定，加速度和質量的關系時，得到的是一條曲線，就不能直接得出反比關系。同樣，這里得出的位移隨時間變化的圖像是一條類似正弦曲線的圖線，要確定是不是真正的正弦關系，還要進一步論證。

問題2：怎樣確定圖7中位移和時間的具體關系？

交流討論：采用假設法，假設這條圖線是正弦曲線，然后根據實驗獲得的數據，利用數學知識來分析論證。首先從圖像上讀出周期T和振幅A，圖像對應的正弦函數表達式就是[x=Asin2πTt]；然后將不同的時刻代入表達式，算出相應的位移，比較計算出來的位移與實驗得到的位移是否一致，假如一致，則假設成立。

通過正弦函數表達式計算出的位移與實際位移近似相等，說明彈簧振子的位移—時間圖像確實是一條正弦曲線。

學生實驗：如圖8所示，一位同學勻速拉動紙帶，另一位同學拿筆在紙帶的中心線附近在垂直中心線的方向上來回擺動，兩人合作繪制振動圖像。

兩位同學合作繪制振動圖像的過程，既是對位移—時間圖像的一次實踐，更是一起交流的一個過程。拿筆的同學的手來回擺動的形式會影響所畫的圖線，有的小組畫出的圖像接近正弦曲線，有的小組畫出的圖像呈現鋸齒形。

交流討論：畫出接近正弦曲線的小組，拿筆的同學的手來回擺動速度時刻在變化，而畫出呈現鋸齒形圖像的小組，拿筆的同學的手來回擺動的速度幾乎不變。

最后概括總結，形成概念，物理學中把振動圖像是正弦曲線的振動稱為簡諧運動。

設計意圖：通過教師的啟發，學生對計算機得出的曲線是否就是正弦曲線提出疑問，學生的思維得到了啟發，在師生、生生的互動啟發下，最終找到運用數學加以驗證的方法，再通過分組實驗進行振動圖像的繪制，使學生對振動的位移進行了充分的交流討論和反思，從而達到了培養學生質疑創新能力的目的。假如教師在授課時一直注重這樣的思維鍛煉，就能夠使學生逐步進行思維建構，形成穩定的認知結構。當學生對物理概念、規律認識理解達到一定程度后，這種認知結構會使學生對物理規律有很深的認識度，并能產生遷移，學生就懂得應用概念、規律解決實際的問題。

啟發探究式教學是希望物理教學始終植根于問題情境，教學過程始終處于師生之間、生生之間的啟發與探究之中。從生活現象中發現問題，鋪設實驗路徑收集證據，改進實驗方案進行充分論證，最后通過生生之間的合作交流將探究結果進行表述和反思，通過這樣的教學設計，讓學習在活動、實踐、操作中有效進行，學習活動處在分析、推理、論證、質疑中，這樣才能使學生勇于提出自己的觀點，最終將創意“物化”，使學生獲得“真知識”，使學生的創造性思維得到了培養，科學思維和“自我能力”也得到了發展。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：（2017版）［S］.北京：人民教育出版社， 2018.

［2］? 馬華峰.運用探究性演示實驗培養學科關鍵能力：以“牛頓第三定律”教學為例［J］物理教學，2020（10）：30-33，13.

［3］? 江山.基于物理學科關鍵能力培養的“啟發+探究”式教學：以“磁感應強度”教學為例”［J］.物理教師，2020（7）：24-27，30.

（責任編輯 易志毅）

［基金項目］本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度立項課題“指向學科思維能力發展的教學設計與實施策略的研究”（項目編號：D/2021/02/765）階段性研究成果。