促進科學思維的教學設計

摘 要：科學思維是物理核心素養的重要內容，在物理教學中如何把思維顯性化以促進學生深度思維，是教學設計和實施的重要任務，也是難點所在。結合初中物理牛頓第一定律的教學內容設計了促進學生思維的教學活動，概括了有效的教學策略，對思維顯性化加以探討。

關鍵詞：科學思維；思維教學顯性化；教學策略；教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0046-4

促進學生深度思維，培養學生思維能力，在當下受到了普遍關注。在我國新的物理課程標準中更是明確地把科學思維作為課程目標，凸顯了思維教學在新時代的重要性。不過，思維教學一直以來也都是教學中的難點問題，其原因是多方面的，比如，思維過程是內隱的、意會而未明言的，因此，在認識上不夠清晰、明確；思維往往是轉瞬即逝的，不易作為觀察和分析的對象來詳細審視［１］。由此而論，改進思維教學的方向應該是“顯性化”，即如果能夠把思維過程顯性化展示，則將有利于示范給學生如何思維，有利于訓練學生掌握思維的過程和方法，也有利于評估學生思維過程中存在的問題，從而實現“教-學-評”的一體化實施。那么，在物理教學中如何把思維教學顯性化以引導和促進學生的科學思維呢？本文結合初中物理牛頓第一定律的教學來談談有關的思考。

1 課程標準與教材分析

關于牛頓第一定律的教學要求，在《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》［２］（以下簡稱“課標”）的“內容要求”中為：“通過實驗和科學推理，認識牛頓第一定律。能運用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關現象。”

對課標內容加以解析，可以看出這里體現的物理教學內容有牛頓第一定律、慣性，伽利略的理想實驗法、科學推理；所要求的水平是認識、能運用、體會等；課標對教學的過程性要求是“通過實驗和科學推理”。此外，課標也推薦了相關典例，如汽車急剎車、轉彎、安全帶等內容。

課標在本部分的“教學策略建議”中提到：建議從學生的已有經驗和認知水平出發，設計多種學習活動，重視物理概念的建構過程，促進學生對抽象概念的理解，引導學生在問題解決中提升能力，發展核心素養［2］。

初中物理教材在內容編寫上很注意聯系生活實例，重視物理實驗，這有利于培養學生的科學思維和實驗探究能力。

2 學情分析

學生已經學習了力的概念、力的作用效果，知道力可以改變物體的運動狀態，這為本節課學習做了鋪墊。不過，學生對力和運動的關系有一些錯誤的生活經驗，并且根深蒂固。比如，人們通常認為施加力物體才會運動，因此，教師在幫助學生建構科學概念時要注意暴露和轉變學生的前概念。即重視概念轉變教學的設計。

本節課是一節物理規律的實驗探究課，學生經過了前期的物理學習，已經了解了一些實驗探究的方法和思想，這是基礎。但是，學生在觀察與實驗、分析推理、建立抽象概念和規律等方面的經驗還存在不足，為此，需要教師精心設計認知沖突，引導學生的科學思維過程。

3 教學設計與解析

教學是一個系統化的過程，本節課的教學流程如圖１所示。

3.1 創設情境，發現問題

（１）教學過程與內容要點

教師通過圖片給學生展示兩類生活實例。首先，組織學生觀察、分析和表達個人見解。然后，師生一起分析并圖示化分析，引出亞里士多德和伽利略觀點的矛盾。

【創設情境】

情境１ 從敲釘子、推木箱兩個典型的生活情境，推導出亞里士多德的觀點。教學過程如圖２所示。

情境２ 呈現火車進站、自行車比賽沖刺后能夠繼續運動直到最后停止等現象，由此推導出伽利略的觀點。教學過程如圖３所示。

【發現問題】

對比兩種觀點，組織學生討論：哪種觀點正確？怎樣驗證？最后形成新的問題：如果沒有阻力，物體可以一直運動下去，如何驗證呢？

（２）教學設計思路解析

教學內容密切結合生活實例，貼近學生生活經驗，有助于喚醒學生的前概念。

通過兩類相反實例的“比較”，易于引發學生的思考、辨析，有助于促進學生深入思考、探尋原因。

本課設計關注學生前概念：教師在講解之前，組織學生表達個人見解，把學生內隱于心或意會而未言表的想法從潛意識層次提升到明確表達的顯性化層次，有助于學生把個人見解與其他同學的見解、以及后續教師的解釋加以比較，有助于轉變學生的前概念，體現“科學即辯論”的教學思想［3］。

直觀展示說理的邏輯線索，體現“顯性化”教學。教師在解釋相關思路時采用邏輯線索圖的形式，把分析的邏輯直觀展示出來，說理性強，同時也給學生作出了說理論證的示范，有助于培養學生的邏輯分析能力。

3.2 實驗探究，建構新知

（１）教學過程與內容要點

【轉換問題】

師生互動發現：“如果沒有阻力，物體將一直運動下去”，學生沒有相關的生活經驗可以直接佐證。因為在生活中不可能出現不受力的情境，而且在實驗室也不易直接實驗觀測。此時，可以把問題轉換為“物體受到的阻力越小，則物體越容易長久運動下去，如何實驗證明”。

【學生設計實驗方案】

教師通過問題鏈的形式引導學生思考，組織學生設計實驗方案，包括明確問題自變量、因變量，設計改變自變量和測量因變量的方法，設計控制干擾變量的方法；選擇實驗器材，整合實驗步驟，設計數據記錄表等。在學生嘗試之后，師生一起設計正確的實驗方案。

實驗裝置如圖４所示。

促進學生思考的問題鏈如下：

①如何改變物體在水平方向上所受阻力？

②通過觀察什么來反映小車運動的變化？小車在水平面上運動距離的長短除了受阻力的影響，還與其他因素有關嗎？

③如何使小車剛到達水平面時的速度相同？

【進行實驗，分析論證，初步建構新知】

學生進行實驗、收集數據（如表１的第2列第4行），教師組織學生觀察數據特點，形成結論：平面越光滑，受到的阻力越小，小車運動的距離越長，速度減小得越慢。

然后，教師詢問學生這種趨勢能否推演下去？可以得到什么推論？學生思考，填寫表１的最后一行，得出新的結論：如果物體受到的阻力為零，速度就不會減小，它將永遠運動下去。

教師播放動畫來展示一直運動下去的情境，強化“印象”。然后，講解伽利略相關研究的物理學史內容，結合對上述數據的分析，講解理想實驗法的思想。

（２）教學設計思路解析

注意對問題加以轉化，逐步形成可以探究的物理問題，有助于培養學生發現問題、提出問題的能力。

給學生機會自主設計實驗方案來深化科學思維。圍繞待答問題，引導學生分析涉及到的變量；然后，圍繞實驗設計的總體要求（即操作自變量、測量因變量、控制干擾變量，體現控制變量法的思想方法）引導學生設計實驗方案。教學組織過程體現“學生先嘗試，教師后教學”的“嘗試教學法”思想，強化學生的主體性。

本次教學中不僅應用理想實驗法組織教學過程，而且明確講解理想實驗法的內涵，實現物理思想方法的顯性化教學。

3.3 理論分析，深化認識

（１）教學過程與內容要點

在實驗探究的基礎上初步得出牛頓第一定律內容，然后，通過語義分析法來解析其內涵。

在此基礎上，進一步說理，引出慣性的概念，并通過理論分析來解析內涵。即一切物體都有保持原來運動狀態不變的性質，這種性質叫慣性。

（２）教學設計思路解析

在學生初次接觸規范和抽象的科學概念表述時，注意使用直白的、生活化的語言作為過渡，幫助學生理解和適應。比如，把“力是維持物體運動的原因”通俗化表述為“物體要持續運動下去，是否需要持續的力來維持”。

通過使用語義解析的方式全面、細致地解析牛頓第一定律中各個關鍵詞的含義，幫助學生全面、系統、準確、深入地理解其內涵。

3.4 解決問題，學以致用

（１）教學過程與內容要點

以急剎車為典例，教師展示圖片，并口頭描述現象，以直觀呈現情境。然后，組織學生審題，抓住現象中的要點。教師利用實物演示和動畫模擬展示物理過程及其關鍵特征，利用創新模型解釋該現象，然后，結合汽車急剎車加強安全教育。最后，給出兩個類似實例組織學生模仿解答，掌握分析和解決問題的過程方法。

教師在前人成果［4］的基礎上創新性提出了“ＰＱＴＤＲ解釋框架”［即現象（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）－問題（Ｑｕｅｓｔｉｏｎ）－理論（Ｔｈｅｏｒｙ）－資料（Ｄａｔａ）－推理（Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ）］（圖５），以此框架引導學生觀察現象、明確問題、圍繞問題提取現象中的關鍵特征，收集事實證據、圍繞問題聯系相關物理知識（理論證據）。最后，利用資料和物理知識進行推理、回答問題。同時，引導學生對照評價量表自我評價（表２），最后師生一起形成準確解釋。

（２）教學設計思路解析

選擇汽車急剎車這一典型案例作為示范，教給學生應用知識解答這一類題目的思路，凸顯解題思路的教學。

體現“解釋”模型，并顯性化處理。在前人“ＰＴＤＲ解釋框架”的基礎上，結合一線名師的教學實踐經驗提出了“ＰＱＴＤＲ解釋框架”，通過講解、應用示范，幫助學生學會運用知識解決問題的思路和方法。凸顯解釋、推理的思維過程的顯性化教學。

3.5 課堂總結，形成體系

（１）教學過程與內容要點

最后，教師組織學生進行總結。在內容上，要總結主要的知識點及其關系，還要總結各個知識點建構的過程與思想方法，形成知識體系；同時，配合板書，將本節課的主要內容條目式展示在黑板上，板書應注意體現重、難點和邏輯關系。

（２）教學設計思路解析

小結階段要總結什么？這是教學設計時應該認真思考的問題。本案例中，筆者對教學主題、內容、研究方法、典型案例等進行多方面系統總結，并建立清晰的邏輯結構圖，這里就突出了結構化思維方式。

4 結束語

物理概念教學要經歷初步建構概念、準確理解概念、學會應用概念的系統化過程。概括而言，本案例在這些教學環節都注意引導學生經歷科學思維過程、促進學生思維的顯性化，以有效培養、及時評價學生的科學思維能力。

參考文獻：

［１］陳運保，劉碩，張娟，等．通過真實性任務評價學生思維能力的策略研究［Ｊ］．中學物理教學參考，２０１３，42（１２）：６－９．

［２］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．

［3］ＺHOU，Ｇ．Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ：Ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｒｇｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｕｒａｓｉａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，2010，６（２）：１０１－１１０．

［4］顏石珍，張曉艷．指向高階思維發展的表現性任務設計與實施——以“焦耳定律”為例［Ｊ］．物理教師，２０２１，42（６）：14-18．

（欄目編輯 鄧 磊）