指向科學思維培養的高中物理教學設計研究

基金項目：本文系上海市浦東新區2022年教育科學研究區級重點課題“指向思維發展的高中物理單元學習活動設計研究”（課題編號：2022A05）階段成果之一。

摘" 要：科學思維是物理學科核心素養的核心，培養學生隱性的科學思維需貫穿整個高中物理教學過程。本文以“牛頓第二定律的應用”的教學設計為例，通過巧設真實情境、設置遞進問題、引發認知沖突，激發學生的求知欲和學習熱情，引領學生在經歷系列開放探究活動過程中不斷強化科學推理、科學論證能力，并通過質疑創新進一步培養學生的科學思維，將物理學科核心素養落在課堂教學實踐之中。

關鍵詞：科學思維；核心素養；教學設計；牛頓第二定律的應用

1" 指向科學思維培養的教學設計理論

物理學科核心素養是高中物理課程標準修訂時提出的新概念，是指學生通過物理學習逐步形成適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。它是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的重要構成。物理學科核心素養的四個方面（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任）［1］是相互聯系、共同發展的。學生在經歷科學探究的過程中，運用科學思維，發展科學思維，形成物理觀念，并伴隨著科學態度與社會責任感的發展，不斷深化對科學本質的認識。在教學中培養核心素養，教師要從“知識為本”轉向“觀念建構”，要明確概念和知識是學習活動的載體而并非目標，要清晰物理教學過程是一個基于觀察與實驗，引領學生經歷探究，運用科學推理與論證，逐漸完善認識事物、研究問題的科學思想方法和理論體系的過程，使學生在學習過程中發展學科核心素養。

科學思維是物理學科核心素養的核心［2］，是指從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力和品格。［1］培養思維的最好場所是課堂，［3］因而，在教學設計中抓住“思維培養”這根主線，通過創設真實情境，提出適切問題，建立物理模型，運用實驗與邏輯（科學推理與論證）相結合的方法探求真理、尋求真知，在培養學生科學思維的同時把物理學科核心素養落在實處。在高中物理教學中培養科學思維素養可從以下三方面著手［4］：①教學中重視實踐性；②在知識建構中凸顯過程性；③關注學科育人的內隱性。

基于以上理論學習與認知，筆者在實踐中開展了教學設計研究。本文以上海科學技術出版社高一第一學期物理第三章B節內容“牛頓第二定律”的第2課時教學設計為案例，撰寫成文，與各位同仁交流。

2" 指向科學思維培養的教學設計課例

2.1" 學情分析

本設計的授課對象為上海市實驗性示范性高中的高一學生，學生總體基礎扎實、思維能力較強，大部分學生具有一定的發散性思維能力。在學習本節內容之前，學生已較系統地掌握了運動學和靜力學相關知識，初步掌握了解決相關問題的方法。第三章主要討論運動和力之間的關系，學生在A節中已經學習了牛頓第一定律，定性了解了加速度與力和質量的關系；在B節第1課時中已經通過“DIS實驗”定量探究了加速度與力、加速度與質量的關系，初步學習了牛頓第二定律的內容，習得了相關實驗操作技能。本節第2課時，通過引領學生在運用牛頓第二定律解決問題的過程中，進一步理解運動和力之間的聯系及規律，從而發展學生運動觀念及相互作用觀念。

2.2" 教學過程與分析

2.2.1" 創設真實情境，提出適切問題

本節課伊始，筆者結合PPT動畫再現生活情景。小張騎著自行車載著小李上坡，小李對小張說：“雖然現在上坡的時候你帶著人，我們騎得比別人慢一點，但是沒有關系，待會兒我們就到坡頂了，到了坡頂之后我們往下沖，那時你帶著我，我們比別人重，就會沖得更快！”

引導學生思考：騎自行車下坡的過程，一些人認為“重”（實際為質量大）的人下坡比較快的這個觀點是否正確？是否“質量越大，下坡加速度越大？”

設計意圖：①從學生熟悉的騎自行車的生活情景出發，拉近學習與生活的距離，通過問題激發學生認知沖突，從而引起學生學習興趣與探究欲望。②整節課設計始終圍繞騎自行車這一情景開展，問題源于生活，經過整節課探究后又回到了騎自行車的生活情景。不變的情景能夠避免學生因在不同情景中來回切換造成精力的消耗，提高了學生的學習效率。通過情景變式，思維進階，降低了學習難度，同時讓學生感悟到問題的內在聯系，關聯情境的內在聯系有助于發展學生的思維能力。③在“問題鏈”的引導下開展典型問題的研究，層層遞進地揭示騎自行車上下坡過程中的“物理知識”，從而在改變以前認知的“順應”過程中發展對運動與力的關系的認識。

2.2.2" 建構物理模型，開展實驗探究

引導學生將騎自行車下坡的實際情景經過“突出主要因素，忽略次要因素”的抽象建模為小車沿導軌下滑的模型（如圖1所示）。

引導：驗證一個觀點是否正確最具有說服力的方式之一就是進行實驗。

設計探究a與m的關系的實驗方案：如何測量出小車沿導軌下滑時的加速度？——由勻變速直線運動規律vt＝v0＋at，s＝v0t＋12at2，2as＝v2t－v20三個公式進行分析。

分析：通過考慮“選用不同規律，分別需要測出哪些物理量以后才能測量出a？分別需要哪些儀器？不同方案的利弊？”最后選用運動規律2as＝v2t－v20，用光電門傳感器測量初速度為零的下滑加速度，采用控制變量（控制位移，改變下滑物體的質量）思想，最終得出結論：小車沿導軌勻加速下滑時，加速度的大小與

小車的質量沒有關系。

設計意圖：①建構物理模型，培養學生科學思維。幫助學生建立對典型物理模型的認知——物理與生產生活緊密聯系，物理源于生活，高于生活。②實驗原理的選擇、實驗方案的設計是教師現場引導學生思考并最終由師生共同決定的，包括現場演示加速度的計算，而非事先準備好導致學生只能看到結果，凸顯知識建構的過程化。基于師生交流互動的開放式實驗過程能真正實現啟發式教學，提高學生的實驗能力和分析問題的能力。③實驗最終得到下滑時加速度與物體質量無關的結論，與學生的前概念產生沖突，學生迫切地希望探究其中奧秘，為后續理論分析進行鋪墊。④本環節的設計基于本節第1課時學生實驗探究過程習得的技能“遷移”，在經歷思維深度參與的“問題、證據、解釋、交流”的科學探究過程中發展學科核心素養。

2.2.3" 理論分析論證，佐證實驗結論

針對上述實驗探究結果，教師引領學生一起從理論角度分析論證：分析小車下滑時的受力情況——阻力視為小車和導軌之間的摩擦力（動摩擦因數為μ），空氣阻力可忽略不計，求出合力后根據牛頓第二定律求得adown＝gsinθ－μgcosθ。從而從理論上推導出下滑時加速度大小與小車本身質量無關，與實驗結果吻合。

總結引導：當代物理學分為理論物理和實驗物理，要想將自己的科研成果發表到高端期刊上，這篇論文一定是理論與實驗都能支撐的結果。

設計意圖：①在已有實驗結果的基礎上，進行理論分析論證，讓學生明白只有理論與實驗完全吻合才能讓人信服，完善學生科學思維方式，養成嚴謹求真的科學態度。②讓學生了解一些科研方法，激發部分有志投身科研的學生的學習內驅力，發展學生對于理論和實驗需自洽的內隱性物理知識。

2.2.4" 針對推理結論，開展實驗驗證

上述理論分析得到adown＝gsinθ－μgcosθ與θ和μ有關這一結論，由學生自主通過實驗得出結果來支撐其真實性。通過控制變量法設計兩組實驗（如圖2所示）：①保持滑軌和小車的接觸面不變，改變軌道角度θ；②保持軌道角度θ不變，在滑軌上通過鋪一層薄絲帶來改變小車和滑軌間的動摩擦因數μ，以此驗證理論推導。

組別

加速度a

設計意圖：①在通過理論推導得出結果的情形下再次回到實驗，兩次實驗驗證和邏輯推理的循環教學過程，讓學生深刻感受到實驗和理論需要雙向吻合且嚴謹的科學求真態度。②本設計摒棄過去教學中常出現“理論和實驗兩張皮”的現象，讓學生有疑問立即通過實驗來論證，提高學生對物理學習的熱情，也讓學生感受到物理學習不僅僅局限于完成紙面上的幾道文字題，也要勤于將動手實踐與動腦思考相結合。③基于第1課時實驗過程和本課時前面師生設計方案、演示實驗的過程，學生親歷運用實驗驗證科學推理并獲得結論的過程，提升學生實驗設計與動手操作的能力，體會團隊合作的重要性，同時培養學生類比推理的科學思維。

2.2.5" 再現錯誤認知，實驗再引沖突

日常生活中，騎自行車不僅會遇到下坡，還會遇到上坡，所以進一步向學生提出問題：小車在斜面上上沖和下滑的加速度大小哪個比較大？很多學生結合日常認知，想當然地回答是下坡加速度比較大。教師用剛剛的實驗儀器立即演示上沖和下滑時的情況，并對加速度的大小進行比較，最終得到的實驗結果反而是上坡時加速度比較大（如圖3所示），這個結論對學生的固有認知有較大沖擊。

初速度" v0＝－0.424m/s

末速度" vt＝－0.236m/s

時間差" Δt＝0.360s

加速度" a＝0.522m/s2

初速度" v0＝0.080m/s

末速度" vt＝0.207m/s

時間差" Δt＝0.300s

加速度" a＝0.423m/s2

設計意圖：①設疑激趣，利用學生的前概念和實驗結果之間的矛盾，再次引發認知沖突，使得學生心理失衡。當沖突產生時，學生急于想平衡這種失衡，試圖通過探究來調整自己的認知結構，從而達到認知的發展。②學生經歷兩次認知沖突、順應同化的過程，體驗秉持求真務實和嚴謹的科學態度對尋求真理的重要性，提高了質疑創新的意識和能力。

2.2.6" 推理實驗互洽，激發學習熱情

上述實驗的結果，同樣需要理論支撐，請學生自主完成上沖時加速度表達式

aup＝gsinθ＋μgcosθ。

從理論推導的結果發現上沖過程確實比下滑過程的加速度要大一些，究其原因是上沖和下滑過程中的滑動摩擦力方向不同，如果是光滑斜面，那么上沖和下滑時的加速度大小相等。

教師追問：學到這里是否可以知道剛剛做實驗的滑軌傾角和動摩擦因數？使學生明白可以聯立上沖和下滑時加速度的表達式解得滑軌傾角和動摩擦因數，進一步體會物理在生產生活中的應用，讓學生感受到學習物理的重要性。

設計意圖：①學生通過自主推理兩種加速度，體驗知識應用過程；經歷質疑、檢驗、釋疑過程，培養科學思維。②邏輯推理和實驗驗證的第三次自洽，使科學的嚴謹性得到充分體現，并促進學生科學態度與科學觀念的形成。③帶領學生學以致用，求解斜面傾角和動摩擦因數，從而獲得學習的成就感，提升學生的學習熱情。

2.2.7" 回扣情境續疑，理論引伸實際

（1）回扣引入情境，是否“質量越大，下坡加速度越大？”事實發現aup、adown都與m無關，這是否有違牛頓第二定律的內容：“受力一定時，加速度與物體的質量成反比”？第三次引發學生的認知沖突。

引導學生分析沖突原因（在本模型中小車受到的重力、支持力、滑動摩擦力均與質量成正比，所以所受合外力與質量成正比，故可得到a與質量無關）進而再提及亞里士多德觀點的誤區：“質量越大的物體下落時加速度越大”，請學生分析為什么自由落體的加速度不變。

（2）播放有經驗的騎行者騎行的短視頻，隊友對大體重選手說：“上坡讓人等你，下坡你嗷嗷叫。”引入實際生活中騎行時空氣阻力不可忽略的觀點，讓學生感受理論、實驗室環境和實際生活的區別。表明實際生活中確實是“體重大的選手下坡比較容易”，對照一開始提到的小李說的話，可以發現這句話并也不是完全沒有道理。

（3）進一步將討論拓展到自行車競賽中，討論自行車競賽選手利用不同姿勢減小空氣阻力從而獲得更快騎行速度的例子（如圖4所示）。

設計意圖：①本環節是回顧、總結整節課內容后，通過幾個能引起學生認知沖突的問題引導學生拓展、關聯到前期所學的內容，不僅明晰了下滑加速度與質量無關的原因，還運用類比的科學思維進一步加深了學生對自由落體規律的理解，螺旋式提升了物理認知，有利于幫助學生建立結構化的知識網絡。②給學生展示理論的局限性，使學生體會到理論運用到實際生活中還是需要一定的修正，在實際生活中下滑時的加速度不僅與質量有關，還與下滑時的迎風面積，比如身體姿勢有關，從而進一步發展學生對科學問題的客觀、全面的認識。

3" 指向科學思維培養的教學設計的反思

3.1" 本案例的反思

本課例設計中以培養核心素養為指向，考慮到教學內容“牛頓第二定律的應用”的特點，將科學思維設計為本課時內容重點培養的素養，通過“遞進式”設計，改變了過去簡單疊加多個情境的授課模式，創設一個源于生活單一真實情境，經情境迭代、思維進階，讓學生在經歷三次邏輯推理和實驗驗證相結合的循環過程之后建立起“生活實踐與牛頓第二定律間是關聯的”認識，通過設計方案、學生實驗、互動交流、理論分析問題等系列外顯活動，促進學生內隱的科學思維素養的提升。

從整節課上學生表現來看，學生參與度較以往有較大幅度提高，研究熱情得到很好的激發。尤其在經過一次邏輯推理和實驗驗證循環過程之后，學生在自主實驗環節，思維活躍，思路清晰，操作流暢。三次認知沖突時大部分學生表現出對問題解決的渴求，極大地提高了學生學習的積極性。另外，整節課有疑問的地方能立即通過實驗或者理論得出答案，激發了學生的質疑精神。同時，對自行車比賽中的姿勢問題的分析討論過程，讓學生真切地感受到了物理源于生活，服務于生活，極大地提高了學生學習物理的熱情。

3.2" 教學設計的反思

（1）物理學科與生產生活是密不可分的，因此在教學設計中要重視實踐性。本設計創設情境源于實踐，最終又回歸于實踐。從開始的騎自行車下坡建立物理模型開始，到最后回歸實踐，利用所學知識分析討論、解決實際問題——自行車競賽選手如何騎得更快，通過理論與實踐相結合，讓學生學以致用，帶來的成就感能夠提高學生學習物理的熱情。同時，學生通過觀看騎行者騎行的視頻知道在實際生活中騎自行車下坡的加速度與質量和騎行姿勢均有關系，明白理論應用與實際生活不能完全劃等號，加深了對科學的正確認識。

（2）科學思維不像知識點可以靠教師簡單傳授即可獲得，必須依賴學生親歷與體驗。因此，課堂教學設計中需通過創設蘊含豐富物理知識的真實情境，在解決問題、建構認知的過程中培養學生的科學思維，也就是要重視過程化教學。本設計中，學生經歷了從熟悉的真實物理情境，到建立物理模型后在教師帶領下進行實驗原理的選擇、實驗方案的設計、加速度的測量、理論的推導等師生不間斷交流、釋疑的過程，從被動接收知識轉為主動探究性學習（自主實驗探究影響加速度的因素以及上沖和下滑加速度大小的比較），從單一做題到理論與實驗結合的多感官學習法，這樣的知識過程明顯加深了學生對這一典型物理模型的理解

。

（3）科學研究方法是內隱的學科知識，沒有明確的可依托內容，但卻蘊含了豐富的課程育人價值，在培養學生核心素養方面發揮著重要作用。本案例中設計三次邏輯推理和實驗驗證的循環過程，不斷引導、強化學生對理論和實驗自洽的重要性的體會。體現了實踐是檢驗真理的唯一標準，沒有實踐的理論是空洞的，沒有理論的實踐是盲目的。強化了學生對理論和實驗需自洽的內隱性物理知識的理解，體現了學科德育屬性。

從培養學生角度來看，培養熱愛物理、善于思考的人比培養單純會解題的人更符合現如今國家對人才的要求，設計單一情境進行富有探究性的課堂活動可以培養學生的科學思維，開展深度教學，以求更加全面地落實核心素養，實現物理知識學習與物理核心素養同步發展。［5］

參考文獻

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［2］董博清，彭前程. 核心素養視域下科學思維的內涵及其實現路徑［J］. 課程·教材·教法，2019，39（4）：84-90．

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［4］林明華. 高中物理教學中科學思維教育的落實［J］. 物理教學探討，2018，36（10）：1-4．

［5］徐衛華. 發展“科學思維”素養的探索與思考——以“伽利略對自由落體運動的研究”教學為例［J］. 物理教師，2019，40（10）：8-11．