科学思维在高中物理起始阶段的培养探索

官汉聪

摘 要：高中物理要求学生从初中的定性、具体、感性跳跃到高中的定量、抽象、理性，学会由经验型、记忆型形象思维向理论型抽象思维发展。如何培养学生的科学思维，结合教学实践对高中起始阶段学生科学思维的培养分别从模型建构、概念定义、逆向分析等三方面进行了一些探索。

关键词：科学思维；理想模型；科学定义；逆向分析

引言

“科学思维”作为物理核心素养的组成部分，要求学生经过高中物理学习，能通过物理学视角认识客观事物的本质属性、内在规律及相互关系，能基于经验事实建构理想模型，能运用分析综合、推理论证等方法研究解决问题。

由于高中物理对学生的抽象思维、形象思维等科学思维较初中有了更高的要求，高中伊始，学生要从初中的定性、具体、感性跳跃到高中的定量、抽象、理性，导致不少学生出现“课堂一听就懂，题目一做就错”的问题，究其原因是与学生的科学思维不完善有直接关系。因此，高中起始阶段如何逐步培养学生的科学思维，是摆在物理教师面前的一项重要课题。

笔者结合教学实践，在以下三方面对高中起始阶段学生科学思维的培养进行了一些探索。

1 建构理想模型，转换思维方式

物理模型是通过对原型（研究对象和物理过程等）忽略了各种次要因素的影响，做了简化的处理而得到的一种理想化的形态。

“研究地球绕太阳公转的运动”是教师在教学中常举的实例，由于地球与太阳的平均距离比地球的半径大得多，因此可忽略地球的形态、大小，将其简化为一个质点来处理，从而可以较方便地找出地球绕太阳公转时的一些规律。

学生思维存在的困惑是：如果不建立这样一个理想化的物理模型，就不能达到我们的研究目的吗？此时，我们可以借助一个小球从地面上空不高处由静止下落的运动这一实例进行分析。小球下落时，影响小球运动的因素有很多。首先，重力会随小球的高度而变化；其次，小球所受的空气阻力与小球的形状、大小和下落速度有关；再者，地球自转、风速对小球也有影响。如果综合考虑这些因素，寻找小球下落的规律将变得十分困难。因此我们可以对小球下落过程进行简化：下落过程重力不变、速度不大可忽略空气阻力、不计地球自转及风速等非主流因素的影响。经过这样简化的运动就是教材中的自由落体运动。

质点的教学看似简单，但它是学生高中物理学习时思维转化的开始。通过质点的学习，使学生认识到：在研究物体的运动时，如果物体本身的尺寸对所研究的问题影响很小，就可以不考虑物体本身的形状和大小，把它抽象成质点。

在中学物理的许多问题中，把物体抽象为质点是一目了然的，但也有一些问题，特别是直接来源于生活的现象、科学技术和生产实践中的问题，研究对象能否视为质点，往往需要通过对题意的分析和判断才能确定[1]。

例题1 （2006年高考全国I卷理综试卷）一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳，经时间Δt，身体伸直并刚好离开地面，速度为v。在这过程中

A.地面对他的冲量为mv+mgΔt，地面对他做的功为mv2

B.地面对他的冲量为mv+mgΔt，地面对他做的功为零

C.地面对他的冲量为mv，地面对他做的功为mv2

D.地面对他的冲量为mv-mg，地面对他做的功為零

在研究地面对他的冲量时，可以把运动员抽象为质点。但在计算地面对他做功时，虽然地面对他有力的作用，但力的作用点并没有发生位移，所以地面对运动员做的功为零。不少同学惯性思维，依然把运动员视为质点，得出地面对他有做功的错误结论。

2 科学定义概念，促进思维发展

加速度是高中物理运动学中的一个核心概念，如何搞好加速度的教学，引导学生学会由经验型、记忆型形象思维向理论型抽象思维发展，避免高一伊始就出现学习物理上的分化，需要教的智慧和学的方法[2]。

学生在初中学习“速度”这一概念时，经历过采用路程与时间的比值描述物体运动快慢的思维过程。因此，将学生从初中的匀速直线运动过渡到变速直线运动，利用学生已有的形象思维，引导其往抽象思维发展，是突破加速度概念教学难点的有效方法。在课堂中，通过展示生活中几种常见交通工具的相关数据（如表1），引导学生思考如何比较它们速度变化的快慢？

学生利用初中所学的控制变量法及比值法，通过对飞机与跑车初末状态相同而时间不同、跑车与磁悬浮列车初末状态不同而时间相同、跑车与摩托车初末状态及时间均不同这三组运动特征的比较，可以顺利得出加速度这一物理概念，实现从形象思维发展为抽象思维的过渡。在加速度概念的建构过程中，学生对比值法定义物理量与物理量用比值定义的异同有了更深入的认识，真切感受到物理学中的抽象思维。

3 逆向分析培养，创新思维能力

逆向分析（反推法）就是在处理问题时，由结果或与结果相关的东西推测原因或开始的情况。或者从问题的目标状态出发，逐步寻找为实现目标状态所需要的先前中间状态，最终退回到问题的初始状态的方法。

例题2 （2016高考全国I卷理综试卷）甲、乙两车在平直公路上同向行驶，其v-t图象如图1所示。已知两车在t=3s时并排行驶，则

A.在t=1s时，甲车在乙车后

B.在t=0时，甲车在乙车前7.5m

C.两车另一次并排行驶的时刻是t=2s

D.甲、乙两车两次并排行驶的位置之间沿公路方向的距离为40m

运动图象的常见考查方式更多是要求学生从所给的相关图象对运动进行分析，但本题却需要学生能根据“两车在t=3s时并排行驶”这一结果及相关的v-t图象，推测开始或之前的情况。这种反常规的设问有变化、有创新，能真正考查学生的分析能力，有利于学生思维分析能力的提高和创新思维能力的培养，对打破学生的思维定势很有帮助。

逆向分析具有思维开放的特点，对于一个已知的结果，往往有多种可能的原因或条件，逆向分析就是要根据结果的蛛丝马迹去寻找产生这一结果的原因、条件或初始情况。突破“知其然而不知其所以然”的被动局面，引导学生从现象找条件、从结果找原因，理清思路，从而找到解决问题的线索和方法。因此，教师在日常教学中要善于将一些正向思维的问题，改造或迁移成逆向思维的素材。对学生科学思维的培养既要使其形成正确、科学的思维方式，同时也要注重对逆向思维的开发。

4 结束语

科学思维是一个抽象概念，不同于可视的科学活动。它是学生头脑中对科学事物的反映，是不可视的。教师在培养学生科学思维的过程中除了要在学生最近发展区内设置问题情境，不断提出问题，使学生的思维保持活跃的状态，还要在科学探究的过程中注重科学思维方法的渗透，提高学生思维能力。

参考文献：

[1]王溢然.模型[M].合肥；中国科学技术大学出版社，2015：152.

[2]周长春.基于教学内容适切性的高中物理教学案例研究——以“加速度”教学为例[J].中学物理教学参考，2016（9）：15.