在科學方法運用過程中發展學生的物理科學思維

張航宇

(江蘇省沛縣歌風中學,江蘇 徐州 221600)

在高中物理教學研究的視野當中,有兩個關鍵詞常常被人們所提及:一是物理思想方法,二是思維.對于前者而言,隨著課程改革的深度推進,人們越來越發現思想方法的重要性,在第八輪課程改革當中所提到的過程與方法,正是對思想方法重視的體現.從概念的角度來看,物理思想方法是科學方法的下位概念,站在科學方法的角度認識物理思想方法,可以讓高中物理教師有高屋建瓴之感.科學方法是從何而來的?這是一個近乎原始問題,實際上當人們認為科學方法有著至高無上的重要性的時候,很少有人意識到人們對科學方法的認知,本質上來自于科學研究者的思維,可以說整個科學發展的歷史就是一個思維發展史,在科學發展的過程當中,科學研究者借助于對科學現象的觀察、對物理表象的研究,以及對科學概念與規律的梳理和建構,不斷地運用自身的形象思維與抽象思維,完善著科學知識體系,構建著物理學科的大廈.

在這樣的歷史背景之下認識高中物理教學,自然就能體會到思維在物理學習中的重要性.事實上也正是因為如此,在高中物理學科核心素養當中,才將科學思維作為單獨的一個要素進行闡述.無論是從高中物理教學的傳統來看,還是從課程改革以及核心素養的角度來看,思維在物理學習中的重要地位都能夠得到凸顯.那么在具體的教學過程中,必須清晰地認識到一點,那就是要發展學生的思維,必須依靠具體的載體,如果沒有具體的物理知識的建構過程,那么思維的發展是沒有依靠的.考慮到無論是物理概念還是規律,其建構過程都必然伴隨著科學方法的應用,通過對科學方法及其在教學中的定位進行分析,可以發現科學方法的內涵在發展學生思維的過程中有著重要的價值[1].因此可以說,科學方法的運用過程就是學生的思維發展過程,兩者之間的對應關系,可以為高中物理教學研究開辟一個新的空間.

1 科學方法促進學生思維發展的可能性

在科學方法運用的過程中促進學生的思維發展,應當說是一個相對新穎的研究視角,而科學方法之所以能夠促進學生的思維發展,要對其可能性以及可行性進行研究.一般認為,物理知識和物理科學思維方法是密不可分的有機體[2].在這個有機體當中,物理知識的學習、物理思想方法的領悟、物理學科核心素養的發展,以及學生思維的發展,都是同步進行的.應試形態下的高中物理教學,在確定教學重心的時候,往往將重點放在物理知識的學習與運用上,其目的是為了培養學生的應試能力.在新時代的背景之下,核心素養引領著物理學科的發展,物理學科核心素養引領著物理教學的發展,當前的新高考對純粹的應試也有著相應的矯正作用,這就意味著當下的高中物理教學重心應當由應試向思維發展轉型,高中物理學科核心素養的落地,應當成為教學的主要任務.

在完成這一任務的過程中,思維發展起著核心作用,借助于科學方法的運用來促進學生的思維發展,本質上是一個形與神的關系.學生建構物理知識的過程必然會運用到科學方法,科學方法的運用以及具體知識形成的過程中,學生必然會有所感悟,將形象的知識學習過程進行抽象,就可以讓學生對科學方法形成準確的認識.這顯然也是一個思維發展的過程,思維的發展主要體現在學生運用符合科學的邏輯,去對實際現象進行觀察與思考,并且在通過適度的抽象之后,獲得相應的物理模型,而且能夠運用物理學科知識來解釋這一模型.應當說當學生所運用的邏輯超越生活認知(其中有豐富的前概念,有許多樸素甚至是錯誤的邏輯),逐步走向科學邏輯的時候,當學生大腦中的物理形象從生活表象轉為物理模型的時候,當學生能夠自發的運用物理學知識去解釋相關現象的時候,就是科學思維得以發展的時候.

因此有這樣的分析可以發現,在高中物理教學當中緊扣科學方法的運用過程,不僅可以讓學生獲得物理知識的過程變得更加高效,而且確實能夠對學生的科學思維發展起到助力作用.認同這一觀點,不僅可以明確科學方法運用以及科學思維發展在物理教學中的地位,而且能夠讓教師在日常的教學中,真正形成以知識教學為基礎、核心素養發展為目標、科學思想方法運用為保障、科學思維發展為核心的教學思路.這一教學思路的形成,也就可以夯實核心素養背景下高中物理教學的新途徑.

2 在科學方法運用過程中發展學生的思維

那么在科學方法運用的過程當中,如何有效發展學生的思維呢?這需要教師在實際教學的時候,運用具體的教學案例來進行研究.這里值得一提的是,思維有低階與高階之分,高階思維能力是一個人生命發展的重要能力,也直接關系到了一個人創造力的高低,有效的物理教學自然追求高階思維的發展.有研究表明,科學探究是培養高階思維能力的一個重要途徑[3].當然必須指出的是,追求高階思維的發展并不意味著忽視低階思維的價值,實際上低階思維往往是高階思維發展的基礎,學生只有踩在低階思維的階梯之上,才能走向高階思維.下面就以“帶電粒子在電場中的運動”這一內容為例,探究如何在科學方法運用的過程當中發展學生的思維.

在創設情境的時候,筆者借助于電子加速器這樣一個素材,通過生活中的醫用電子直線加速器,來讓學生認識到電子被加速器加速之后,在轟擊金屬靶的時候會產生射線,進而提出的問題是:電子在加速器中受到什么力的作用而加速?

回答這個問題需要學生對加速器有一個準確的理解,即利用電場使帶電粒子加速,而帶電粒子的速度方向與電場強度的方向要么相同,要么相反.相應地在具體分析的時候,通常也就有兩種思路:一是借助于經典力學,也就是利用牛頓第二定律,并結合變速直線運動的公式來分析;二是利用靜電力做功并結合動能定理來分析.

在形成這兩種思路的時候,就意味著運用不同的科學方法:前者是動力學的知識,是經典力學的思路;后者是靜電力學的知識,是靜電學與力學相結合的產物.那么具體選用哪種思路呢?回答這個問題涉及到進一步的科學方法理解,即如果解決的問題屬于勻強電場,且涉及到具體的運動時間,那么就用前一思路和方法;如果所涉及到的問題只與位移、速率相關,或者涉及的電場是非勻強電場,那么就用后一種思路和方法.

有了這一認識之后,就可以讓學生去具體研究帶電粒子在磁場中的加速和偏轉情況——這屬于傳統物理教學中的知識重點,考慮到本文闡述的重點是科學方法的運用以及科學思維的發展,因此這一內容不再贅述.

上述問題解決思路與方法的提供和選擇,原本就是一個科學方法運用的過程.從科學思維發展的角度看這一過程,可以發現學生最初接觸到電子加速器的時候,能夠在大腦當中初步建構起帶電粒子在電場中運動的表象,這是低階思維的表現;其后,具體分析帶電粒子在電場中運動的問題,由于涉及到已知物理量的定性,涉及到電場是勻強電場,還是非勻強電場,因此學生的思維必然會走向高階.從具體問題解決方法的選擇,到問題得到解決,即學生理解帶電粒子在電場中加速和偏轉,都對應著思維的發展.因此,從這個案例可以看出,科學方法的運用過程確實對應著思維發展的過程.

3 對運用科學方法發展學生思維的再思考

從經驗的角度看高中物理教學,當很多時候物理教師感嘆學生的思維不夠靈活時,實際上就是在期待物理學科的教學,能夠促進學生思維的發展.但也正如同本文開始所強調的,思維的發展需要基于具體物理知識教學的過程,考慮到科學方法的價值,在物理知識建構的過程當中,必然要重視科學方法的運用;如果說科學方法的運用為學生的學習提供的是“力”的話,那思維的發展就可以比作是“加速度”.借助于這個比喻就可以發現科學方法運用得越充分,那么學生的學習所獲得的合力也就越大,產生的加速度也就越大——也就是說思維發展就越充分,當然高階思維的發展也就有了更加有力的保障.

因此,在當前的高中物理教學中,教師必須高度重視科學方法的運用,必須在科學方法運用的過程當中注重學生的思維發展.由于物理學科是一個基本概念很強的學科,同時也是一個高度注重規律的學科,在具體的教學過程中重視科學方法的價值,能夠有效培養學生邏輯思維和分析推理能力.這是作為自然科學的物理最大特點之一[4].而站在教師教學的角度,很重要的一個任務,就是去開發課程資源,要創設有利于學生主動運用科學方法的情境,以讓學生在情境當中自主運用科學方法,自發實現思維的發展.如果能夠做到這一點,那么高中物理教學的前景必將無限光明.