怎樣培養(yǎng)學生的科學抽象能力

收稿日期：2023-10-15

作者簡介：汪延茂（1944-），男，中學物理特級教師，主要從事中學物理教學研究。

摘" "要：培養(yǎng)學生科學抽象能力是各門學科教學的共同任務，通過史實和事例來說明在物理教學中“創(chuàng)設物理情境，學好語文和數(shù)學，培養(yǎng)學生的鑒別與概括能力”十分重要，進而闡明培養(yǎng)和訓練學生科學抽象能力的三條途徑，分別為“創(chuàng)設物理情境”“學好語文和數(shù)學”以及“培養(yǎng)鑒別與概括能力”。

關鍵詞：物理情境；語言與詞匯；鑒別與概括

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）3-0011-3

“科學抽象”既是人類智慧的表現(xiàn)，也是核心素養(yǎng)中創(chuàng)造能力的顯示，同時還是獲取知識的重要方法，幾乎所有的概念都是從科學抽象中來的。

因此，培養(yǎng)學生科學抽象能力是各門學科教學的共同任務，物理學科自然也不例外。在《義務教育物理課程標準（2022年版）》中也明確提出建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，即科學抽象能力是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分［１］。

那么，在物理學科的教學中，怎樣培養(yǎng)學生的科學抽象能力呢？本文從多年的教學經(jīng)驗和編寫物理教材的體悟中，總結(jié)出了以下三點教學建議。

1" " 創(chuàng)設物理情境，重視學生實驗和演示實驗

物理概念、物理規(guī)律以及物理理論，都是從物理情境、物理實驗以及各種與物理相關的實踐活動中來的［２］。

例如，科學家法拉第出生在一個貧苦的鐵匠家庭，僅上過小學二年級，但從小動手能力極強。他就是通過無數(shù)次的實驗總結(jié)與反思，在1831年10月17日發(fā)現(xiàn)了奠定電磁學基礎的“電磁感應現(xiàn)象”，并獲得“產(chǎn)生交流電的方法”，進而在1831年10月28日發(fā)明了圓盤發(fā)電機，這是人類創(chuàng)造出的第一臺發(fā)電機，改變了人類文明的發(fā)展方向。

但是，法拉第并不滿足于現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和成果的推出，而是力求探索現(xiàn)象背后隱藏著的本質(zhì)。1837年他發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)對靜電過程的影響，提出了以近距離“鄰接”作用為基礎的靜電感應理論。不久后，法拉第又通過實驗探究發(fā)現(xiàn)了抗磁性，在這些實驗探究的基礎上，形成了“電和磁作用通過中間介質(zhì)，從一個物體傳到另一個物體”的思想。當“介質(zhì)”去掉之后電和磁之間仍然有作用存在，于是看不見的“場”便替代了“介質(zhì)”。

這就是法拉第提出“場”這個概念的大致過程。正如愛因斯坦所說，引入場的概念是法拉第最富有獨創(chuàng)性的思想，是牛頓以來最重要的發(fā)現(xiàn)。法拉第通過實驗探究與反思總結(jié)，從現(xiàn)象中抽象總結(jié)出了“場”的概念，充分體現(xiàn)了科學抽象能力的重要性。通過法拉第的案例，可以使學生明白科學抽象能力的重要性，同時為學生樹立名人榜樣，引導學生向法拉第學習，在日常生活與學習中運用抽象思維。

又例如，早先，機械師們在比較機械工作效率的過程中發(fā)現(xiàn)了一個重要規(guī)律——“機械功原理”，后人稱作“金科玉律”。

在圖1所示的動滑輪提重物的實驗中，當重物M上升“h”時，F(xiàn)力的大小雖然減了一半，但其作用點移動的距離卻增加了一倍，即圖中起始點在滑輪上的向上的箭頭上升了“2h”。

實驗表明，“任何機械工作時所用的力，跟這個力的方向上移動距離的乘積”是一個恒定不變的量值。這就是機械功原理。

這個規(guī)律告訴我們，無論使用什么機械，要想省力就得費距離，而要想省距離就得費力。就如同“魚和熊掌不可兼而得之”的社會哲理一樣。可見，自然的規(guī)律與社會哲理是相通的。

于是，機械師們用“力跟力的方向上移動距離的乘積”來作為量度機械工作能力的“標尺”。

因此，在物理學中，把力跟力的方向上移動距離的乘積稱作機械功，簡稱功，這就是“機械功”這個概念的由來。

可見，我們在教學中創(chuàng)設物理情境，重視學生實驗、演示實驗和各種科學實踐活動是物理教學中不可或缺的一部分，也是落實立德樹人、增強學生能力、培養(yǎng)學生科學抽象能力的重要方式。

在實際教學中創(chuàng)設物理情境的手段和途徑很多，如列舉學生身邊的事例和各種自然現(xiàn)象，進行學生實驗和演示實驗，介紹有趣的小實驗、小發(fā)明、小創(chuàng)造，以及向?qū)W生展示人類發(fā)明創(chuàng)造的最新成果和物理學家各種發(fā)明創(chuàng)造的史料等。

通過這些物理情境，學生可以切身體驗物理模型的建構(gòu)過程，學會將所學知識與生活實驗相結(jié)合，從而增強科學抽象能力。

因此，在教學中創(chuàng)設物理情境極為重要。

2" " 學好語文和數(shù)學，積累用于表達事物本質(zhì)的語言和詞匯

“說”與“寫”是語文學習的重要方式，能靈活運用說和寫來表達真實的想法和看法，是學習語文的真正目的。

數(shù)學是一種科學的語言。伽利略曾說過：“大自然這本書是用數(shù)學語言寫成的……除非你首先學懂了它的語言……否則這本書是無法讀懂的。”

數(shù)學這種科學語言具有嚴密的邏輯性，它能精準并定量地描述自然現(xiàn)象中的各種規(guī)律，甚至通過數(shù)學方法嚴密推演出來的結(jié)論，可以先于實驗現(xiàn)象的發(fā)展，并且通過實際實驗也能證明結(jié)論的正確性。這就是數(shù)學這門科學的魅力所在。

正如瑞士語言學大師弗迪南·德·索緒爾所說的那樣，“沒有表達的智慧，算不上真正的智慧”。在物理學中，當我們積累的詞匯和語言的表達方式以及數(shù)學語言的表達方式越多，那么，用于選擇恰當而準確地描述各種物理現(xiàn)象本質(zhì)的余地就越寬。

例如，當我們在拉伸或壓縮彈簧時，觀察到彈簧發(fā)生形變；當我們用磁鐵吸引小鐵球時，發(fā)現(xiàn)小鐵球運動狀態(tài)發(fā)生改變；當在兩個小朋友做面對面推手游戲時，發(fā)現(xiàn)相互推手的兩個小朋友均發(fā)生運動狀態(tài)的改變，兩者均由靜止向各自的后方運動；當我們用手推門或關門的位置不同時，發(fā)現(xiàn)門的轉(zhuǎn)動快慢和方向不同。此時，我們便開始從這些物理情境中進行搜索，到底是什么“東西”引起物體的形變、運動狀態(tài)的改變或門轉(zhuǎn)動快慢和方向不同的呢？又應該用什么樣的語言和詞匯來恰當而準確地表達這些現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)原因呢？

于是，物理學中用“一個物體對另一個物體的作用”或“物體間的相互作用”這兩種語言或文字的表達方式來說明“力”這個概念的內(nèi)涵。

在表達力的概念的語言或文字中，所采用的“作用”一詞內(nèi)涵豐富，它概括了上述的力所產(chǎn)生的“物體形變、運動狀態(tài)的改變和轉(zhuǎn)動效果不同”一系列的物理現(xiàn)象。因此，教師在教學中就必須要把“作用”一詞包含（概括）了哪些內(nèi)容，通過各種手段一一向?qū)W生交代清楚，才能使學生進入力這個概念的理解層次。

又例如，上述的機械功概念的表達，我們可以用“把力跟力的方向上移動距離的乘積稱作機械功”這樣的語言或文字表達，也可以用更簡潔的數(shù)學語言，即物理公式“W=Fs”（式中W表示功，F(xiàn)表示力，s表示力的方向上通過的距離）來表示。同時，還能說明“物理公式”并非是物理學家們的杜撰，而是對自然現(xiàn)象中客觀規(guī)律的寫真。

還例如，對于密度概念的表達，我們可以用“物體的質(zhì)量與其體積之比”這樣的語言或文字表達，也可以用更簡潔的數(shù)學語言，即物理公式“ρ=■”（式中ρ表示密度，m表示質(zhì)量，V表示體積）來呈現(xiàn)，還可以用數(shù)學函數(shù)圖像來表示（圖2）。

■

圖2" 同種物質(zhì)的密度函數(shù)圖像

圖像中斜線的斜率k=■，即表示某物質(zhì)的密度ρ。

再例如，在物理學中，應用通信技術，采用二進制編碼描述人類各種活動并加以應用。這實質(zhì)上是數(shù)學語言在生活、生產(chǎn)和科學技術中的應用，進而使人類推進到智能化的時代。

如二進制傳感器，可以將環(huán)境中的物理量轉(zhuǎn)化為二進制信號，在工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣泛的應用。

又如二進制圖像處理技術，可以根據(jù)圖像中的特點和信息，對圖像進行分割、壓縮和識別，并應用到人臉的識別中。

再如二進制音頻處理技術，可以實現(xiàn)音頻壓縮、編碼和解碼等功能，可以將音頻文件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實現(xiàn)音樂的播放和控制。

因此，學好“語文”和“數(shù)學”，對于學生科學抽象能力的培養(yǎng)十分重要。在實際教學中應強調(diào)物理的學習不僅是物理現(xiàn)象與知識的習得，還應具有通過具體語言工具對總結(jié)的知識與現(xiàn)象進行表達的能力。想要做到更好地進行科學抽象與總結(jié)，就要加強語文與數(shù)學學科的學習。

3" " 注重鑒別與概括能力的培養(yǎng)和訓練

沒有比較就沒有鑒別。物理現(xiàn)象的產(chǎn)生總是有原因的。那么，怎樣尋找背后的原因呢？

物理現(xiàn)象的產(chǎn)生往往都是多個因素共同作用的結(jié)果，因此，我們就要在影響現(xiàn)象的諸多因素中進行比較，排除次要因素，篩選出影響現(xiàn)象的主要因素。

在排除次要因素到篩選出主要因素的過程中，常常需要合理分析。

例如，在力的概念建立的過程中，我們觀察到：拉伸或壓縮彈簧時，彈簧發(fā)生了形變；磁鐵吸引小鐵球時，小鐵球運動狀態(tài)發(fā)生了改變；兩個小朋友做面對面推手游戲時，兩個小朋友均發(fā)生了運動狀態(tài)的改變，兩者均由靜止向各自的后方運動；手推門的位置不同，門的轉(zhuǎn)動快慢和方向不同。但是，這些現(xiàn)象都是力作用效果的表現(xiàn)。那么，影響上述現(xiàn)象的主要因素有哪些呢？

于是，我們便要進行分析，通過合理分析，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象均與力的大小、力的方向和力的作用點有密切關系。

因此，得出以下結(jié)論：

“力的大小”“力的方向”“力的作用點”這三個因素一并概括為“力的三要素”，這才是力的真正的本質(zhì)特征。

這種鑒別能力，需要教師在教學中經(jīng)常創(chuàng)設各種各樣的“物理情境”，不斷引導學生開展對各種各樣物理現(xiàn)象的分析活動來培養(yǎng)和訓練才能形成。最終，學生可以通過鑒別找出影響物理現(xiàn)象的具體原因，一步步逼近現(xiàn)象的本質(zhì)。

沒有鑒別就沒有概括。物理學中幾乎所有的規(guī)律都是在概括中形成的，概括通常是在鑒別的基礎上才能進行，因為我們無法在一堆垃圾中挑選出精美的東西。可見，只有鑒別出影響物理現(xiàn)象的主要因素，才能概括出某個物理現(xiàn)象中最“精美”的東西，即本質(zhì)。

這種概括能力，就需要積累用于恰當準確表達各種物理現(xiàn)象本質(zhì)的語言和詞匯（包括數(shù)學語言）。

可見，“創(chuàng)設物理情境，重視學生實驗和演示實驗（提供充足的感性材料），善于在鑒別的基礎上進行概括（抽象的過程和方法）和學好語文、數(shù)學，積累用于描述各種物理現(xiàn)象本質(zhì)的詞匯和語言表達方式（精準的語言表達）”，才是訓練和培養(yǎng)學生科學抽象能力的重要途徑。這三條途徑以“創(chuàng)設物理情境”為基礎，以“數(shù)學和語文”為工具，通過“鑒別與概括”的方法，層層推進培養(yǎng)學生的科學抽象能力，最終實現(xiàn)立德樹人的教育目標。

因此，“充足的感性材料”“鑒別基礎上的概括”和“精準的語言表達”是培養(yǎng)和訓練科學抽象能力中的三個重要因素。

建議教師在教學中最好能從這三個因素著手，采用各種各樣的方法和手段來培養(yǎng)和訓練，以促進學生科學抽象能力的形成。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［２］吳思平．基于核心素養(yǎng)視角的高中物理教學中抽象能力培養(yǎng)路徑［Ｊ］．數(shù)理化解題研究，２０２３（１５）：６８－７０．

［３］李宗舉．高中物理抽象思維能力培養(yǎng)策略探析［Ｊ］．新課程研究（下旬），２０２０（３）：８８－８９．

（欄目編輯" " 趙保鋼）