高中物理教学中科学思维教育的落实

作者简介：林明华同志现任福州教育研究院院长，正高级教师、特级教师，福建省学科教学带头人，教育部中小学骨干教师培训“国培专家”，福州市人民政府督学，福建省普通高中物理学科课程教学指导委员会委员，高中物理教材山东科技版编写组核心成员，福州市物理学会理事长、福建省中学物理教学研究会副理事长。曾主持或参与多项国家级、省级、市级教育科研课题，撰写教育教学论文在CN刊物发表四十余篇，其中在核心期刊发表9篇，被人大复印报刊资料全文转载2篇，出版20余万字的专著《慢悟理——中学物理重过程教学的探索》。

摘 要：科学思维是高中物理课程标准提出的四个学科核心素养之一，物理教师应充分认识科学思维教育的意义，了解科学思维教育的基本内容，掌握科学思维教育的基本方法，发挥科学思维教育的评价导向。文章针对这些方面从理论上作出简要介绍，并从课堂教学实际操作层面给出具体的建议。

关键词：高中物理；科学思维；课堂落实

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）10-0001-4

科学课程都有一项共同的责任就是培育学生的科学思维素养，而物理学科作为科学学科的领头羊，对学生科学思维素养的培育更负有主要责任。同时，在高中物理课程标准提出的四个学科核心素养“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”中，科学思维又是处在重要的位置，是中学物理教学的重中之重。在高中物理教学中，教师应深刻领悟科学思维的内涵，并在课堂教学中加以落实。

1 领悟科学思维教育的重要意义

实施高中物理课程，首先要有正确的物理课程价值观，充分认识课程标准的意义，明确达成课程标准提出的各项教学目标是实现物理课程育人目的的重要保障。

1. 科学思维教育是全面落实课程标准的需要。科学思维在高中物理课程标准（2017版）中被确定为物理课程四个核心素养之一，并对科学思维教育目标和内容提出了具体的要求：（1）具有建构模型的意识和能力；（2）能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论；（3）具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测；（4）具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新[1]。这四点要求的落实，要靠全体物理教师的高度责任感和强烈的育人意识，以及根据教学内容有机地把科学思维培养目标融入课堂教学的智慧和能力。

2. 科学思维教育是培育现代社会公民的需要。随着现代科技的发展，人们的生活方式发生了巨大的变化，科学思维的价值取向和思维方法都是每一位现代社会公民必须了解和掌握的內容。科学思维素养的水平，很大程度上决定着公民的科学素养，影响着人们的生活质量。高中物理新课程改革，能够有别于其他学科，增加一个必修模块，这也折射出人们对物理学的高度重视，是未来公民的需要。

2 了解科学思维教育的基本内容

要确保在物理课程实施过程中落实好科学思维的培育，就得搞清楚科学思维教育的基本内容，才能把握住科学思维教育的方向。

1. 科学思维的基本取向。《辞海》关于思维的解释是：思维指理性认识（思想）或指理性认识的过程（思考），是人脑对客观事物间接的和概括的反映，包括逻辑思维和形象思维[2]。人的认知过程中的意识活动包括对外部刺激和信息的主观感受、选择和理解等多方面。也就是说，科学思维是有价值观的、有取向的，物理教学中应引导学生逐渐形成真正的科学思维，不能只是简单地让学生做一些思维训练。科学思维强调以实证为判断的依据、以逻辑作论证的手段、以质疑作评价的起点，这是科学思维有别于其他思维的特征之一，也是高中物理教学引导学生形成的科学思维价值取向。从科学史看，科学思维的发展是从伽利略的研究开始的，他独创了逻辑推理与实验相结合的方法，形成了以实验方法、逻辑方法和数学方法相结合为主要内容的近代科学思维[3]。由于科学思维采用不同于其他思维形式的视角来看待世界，使得科学思维逐渐成为人们认识世界的重要方式。

2. 科学思维的基本要素。科学思维的基本要素也是科学思维区别于其他思维方式的基本特征。尽管人们对科学思维过程有不同的看法，但对于科学思维的基本要素大家还是有比较一致的认识，主要包括：提出问题、建立模型、推理论证、质疑创新等。基本要素组成科学思维的基本框架，同时也是物理教学培育学生科学思维素养的重要抓手。物理课堂教学要紧紧围绕科学思维的基本要素才能开展真正意义的科学思维教育，否则很容易变为只戴科学思维的帽子或只单纯进行思维方法的训练。

3. 科学思维的基本方法。科学思维的基本方法是物理教学发展学生科学思维能力的具体内容。思维方法就是思维主体为达到思维目的，把相关概念和动作因素组合排列成为静态的或动态的具有先后次序、步骤、程序和可以运行的操作过程的总和[4]。人们要想解决复杂的物理问题，必然需要采用各种方法，而这些方法的核心就是思维方法。思维方法包含两大部分：逻辑思维方法和非逻辑思维方法。逻辑思维方法又细分为：分析、综合、抽象、概括、推理、论证等；非逻辑思维方法可细分为：直觉、灵感、想象等。这些思维方法都是在发展学生科学思维的过程中必不可少的教学内容，是高中物理教学的重中之重。

3 掌握科学思维教育的基本方法

在高中物理教学中落实科学思维教育的方法很多，下面重点谈三个方面：

3.1 在知识建构中凸显过程性

科学思维教育主要不是靠传授，而是要靠学生自己去经历和体验，不能把科学思维当作知识来接受，不能只当旁观者，要主动投入到知识建构的全过程中。科学家发现规律和建立概念的过程是非常复杂而曲折的，要让学生领悟和体验这一点，就得在教学中设计相应的建构过程，使学生在经历知识建构的过程中领略科学探究的精神和智慧。教材可以呈现学科知识，但不能全面呈现科学探究的精神和智慧，学生很难通过教材直接获得科学思维的提升。因此，课堂教学就要避免单纯的知识传授，努力创设真实的物理情境，设计知识的形成过程，使课堂教学既要重结果，更要重过程。在课堂教学中学生经历过程性体验，还包括知识形成过程体验、知识应用过程体验等，这些体验都需要精心设计，用心落实。

比如，牛顿第二定律的教学中，教师不应简单地直接给出规律，也不应急急忙忙让学生通过实验去探究F、m、a三者的关系，而应先引导学生理清这一问题中的因果关系，经历逻辑思维过程，进而找到实验探究方向，这样学生就有了非常明确的探究目的。这里要让学生明确，我们是要研究物体运动状态的变化规律，需要探究影响物体运动状态变化快慢的因素，并找到这些因素之间的关系。在学生理解描述运动状态变化快慢的物理量是加速度a的基础上，明确引起状态发生变化的原因是物体所受到的合外力F，阻碍运动状态改变的是物体的惯性，而描述物体惯性大小的是质量m。通过这一逻辑思维，学生就把F、m、a三者联系在一起，明白了在这一事物发展中，物体所受到的合外力F是外因，物体的惯性（质量）m是内因，加速度a是内因和外因共同起作用的结果[5]。这样在知识形成过程中也自然融入了哲学思想教育。

物理教学如果通过逻辑思维，采用“由因导果”或“执果索因”的教学思路来设计和组织课堂教学，即从原因出发产生结果或根据结果找出产生原因，就让学生获得一种体验过程，在这一过程中学生的科学思维得到发展，创新能力的培养也得到有效落实。

3.2 在课堂教学中重视实践性

物理知识属于学科性知识，与物理学科知识相关的生产生活知识为实践性知识。物理学科核心素养的培育，不能只注重学科性知识，而忽视与物理知识相关的实践性知识。基于物理学科核心素养发展的教学，要跳出学科性知识教学的狭窄空间，主动将实践性知识融入学科性知识教学的过程中，使学科性知识与实践性知识相互交融、互相促进。

学科课程的实施虽然主要是在课堂，但只要教师的实践意识强，能自觉地把实践教育纳入课堂教学中，课堂一样可以搭建有效的实践教学平台。在教学中，教师既要强调物理知识的应用，构建物理知识应用的真实场景和问题情境，又要智慧地促进学生形成学习共同体，营造相互合作、交流的学习环境。课堂上鼓励学生大胆质疑，积极参与课堂讨论。学生长期经历质疑、提问、思考的过程，才会对物理的学习产生浓厚的、稳定持久的兴趣。

比如，人们在生活中常见到彩虹。关于彩虹学生会有许多疑惑，教学中如何把这一自然现象纳入物理课堂教学，挖掘其育人的功能呢？教师就应充分利用好这一能够有效激发人们遐想的育人载体，让学生在此体验建立模型和解决问题的思维全过程。

图1展示的是一幅自然界的彩虹，学生不难提出与彩虹有关的实际问题：彩虹为何总是呈圆弧形，彩虹为何有固定的颜色排序，为什么虹与霓总是同时出现，为何霓的颜色排序恰与虹相反，等等。

在理解的基础上，确定这是一个光学问题后，就会提出相应的物理问题：是哪来的光形成彩虹，光在传播过程中遇到什么情况？光的传播发生了什么变化，这里遵循哪些物理规律等。

要解决这一物理问题，就得思考形成彩虹的自然条件——雨后、斜阳。“雨后”容易在地表大气中形成大量的小水珠；“斜阳”确保光线照射的角度，经水珠改变传播方向后恰能到达观察者的眼睛。由此需要建构物理模型——研究一颗球状水珠。

接下来就得运用工具：物理工具和数学工具。运用光的色散知识和光的反射、光的折射知识进行分析，并用数学工具（对称法作图）选择红光和紫光为代表，分别作出其光路图，如图2所示。

从所作的光路图，便得到了物理结果：进入观察者眼睛的光线中，红色光与水平面的夹角比紫色光与水平面的夹角要大些。

由于进入观察者眼睛的红色光与水平面的夹角大，而紫色光与水平面的夾角小，逆着光的传播方向观察，人们就会得出实际结果：红光来自圆弧状彩虹的外侧，而紫光来自圆弧状彩虹的内侧。

同理，分析可得如图3所示的霓的光路原理图，并得出红光来自圆弧状霓的内侧，紫光则来自圆弧状霓的外侧。

再把分析得到的实际结果与由实际照片提出的实际问题对照，检验结果正确与否。这就是一个完整的思维逻辑，如图4所示。让学生经历这样的思维全过程，目的就是培养学生的科学思维素养，学会这种思维的方法。

3.3 关注学科知识育人内隐性

在外显性的物理知识中往往深藏着重要的内隐性知识，内隐性知识指的是没有以文本形式明确表述出来的，深藏在外显性的物理知识中的相关知识，比如物理方法、物理思想、物理观念和物理精神等。物理知识是人们认识客观世界的劳动成果，承载着物理方法和物理精神，是物理文化的基础。物理思想方法充分体现了物理思维，是物理文化最主要的内容。观念是一个人对事物的看法或思想，物理观念是指人们自觉运用物理思想方法和观点对客观世界的看法或态度，折射出一个人对客观世界的物理审美观。物理精神是物理学家们在求真、求实、追求真理的科学探索活动中，形成的独特的精神气质，是物理文化的精髓。这些都是物理课程的育人价值，在发展学生核心素养上处于重要的地位，需要物理教师在帮助学生建构物理知识的过程中智慧地落实。

物理教学中，要特别重视一些能有效渗透科学哲学、科学史、科学与社会等体现科学人文精神教育的题材，并在教学中充分发挥这些题材的载体功能。

比如，关于万有引力定律的教学题材，绝对不是只让学生掌握万有引力定律就认为达到教学目标，而应利用这一题材挖掘其内隐性知识，促进物理核心素养培育的目的。万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一，它的发现是近代经典物理学发展的必然结果，在科学史上普遍认为这一成果归功于牛顿。但教学中不应让学生产生错误认识——误认为这一研究是牛顿独立完成的。要让学生了解到笛卡尔、伽利略、胡克、哈雷等科学家的贡献，明白科学研究的道路是艰辛、曲折的，理解牛顿是“站在巨人肩膀上”的道理。同时，还要让学生了解地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一的意义，以及对物理学和天文学发展的影响，这些都关系到正确科学观、科学精神和科学态度的形成。

4 发挥科学思维教育的评价导向

评价引导着学生的学，同时也引导着教师的教。因此，无论是由教师主导的随堂评价、作业评价、校内考试评价，还是由上级部门主导的质量检测、学业考试评价，都应该努力执行《高中物理课程标准（2017版）》对教学评价的要求和建议。课程标准给出了评价原则、评价任务设计和评价方式。对于科学思维，要求评价学生从物理视角对客观事物的本质属性、运动规律及相互关系认识的科学思维发展水平，具体包含五个水平层次。教学中应不断创新评价工具，不能简单采用各种教辅书提供的习题。对于评价功能很强的经典习题，对实施新课程标准中应加以保留；有些习题虽不能对核心素养作出有效评价，但其联系实际的情境很好，这样的习题可以通过对习题立意、设问进行改造、创新，使之焕发新的活力。

比如，过去常见的一道习题：测量人上楼梯的功率，需要哪些器材？需要测量哪些物理量？用相关物理量表示测量的结果。如果把这道习题进行如下改编：设计一种测量自己上楼梯时的功率大小的实验方案，要求根据方案进行实际测量，写出实验报告。并由此预测用一台跟自己上楼功率相同的电动机，把质量为M的砖从一楼提升到二楼至少要花费多长时间。这样的一道课外作业题，就不只是简单套公式进行计算这么简单，训练的目的是让学生经历这项探究活动，感悟物理思维方法和科学方法，在学科核心素养的培育上，收获远大于做几道普通的习题。

落实科学思维教育，培育学生的核心素养任重道远，需要物理教师在课堂教学中自觉努力践行。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：5-6.

[2]辞海编辑委员会.辞海（1989年版）[M].上海：上海辞书出版社，1990：1890.

[3]杨庆余，等.物理学史[M].北京：中国物资出版社，2004：120.

[4]李正福，谷雅慧.论物理核心素养视野下的科学思维教育内容[J].课程·教材·教法，2018（2）：100.

[5]林明华.高中物理教学质量的提升需要“慢”教学[J].中学物理教学参考，2015，44（3）：3-4.