加强科学思想方法教育 有效提升学生核心素养

摘   要：文章首先阐述了中学物理教学渗透科学思想方法教育的现实意义，然后以“探究磁场对电流的作用”为例，剖析了如何将教材、知识、方法、学生有机结合，充分挖掘教学内容和教学过程隐藏的科学思想方法，培养与发展学生的核心素养。

关键词：科学思想和方法;核心素养;渗透

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）10-0015-4

随着时代的发展，社会的进步，以知识为本位的教育已不符合时代要求。根据《关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》精神，各学科普通高中课程标准紧紧围绕有利于学生终身发展的关键能力和必备品格的培养进行了修订和完善。核心素养的提出，彰显了课程和教学的育人价值，为教学方式、学习方式的转变和教学理念的更新提供了引领性支撑。物理教学也应聚焦物理学科核心素养的培育，改变以知识为本位的教育现状，让物理学科核心素养的培育落到实处。物理学的发生、发展过程蕴含着丰富的科学思想和方法，它是中学物理教育的主体内容，也是物理核心素养的内核。因此，在物理教学中加强科学思想方法的教育就显得尤为重要和必要。

1    科学思想和方法是物理科学的关键组成部分

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，“物理学是基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成的系统研究方法和理论体系”。可见，观察实验法、模型建构法、数学方法、推理论证法这些科学思想和方法与物理知识具有同等地位，是物理教育的主体内容。再由物理学的发展看，从伽利略的理想斜面实验到牛顿力学的“月地检验”，从研究磁场到研究电场的方法类比，从奥斯特的“电生磁”到法拉第的“磁生电”的对称思想，从卢瑟福用“沖击”的方法研究微观结构到量子力学的建立等，无不蕴含着深刻的科学思想与方法，正是这些思想方法引领着人类由物理现象到物理本质的认识不断升华，推动着物理科学的发展。正如费曼所说“科学是一种方法”，因此科学思想和方法是物理科学的重要组成部分。

2    物理教学中渗透科学思想和方法是新一轮课程改革的必然趋势

中学物理的科学思想和方法是指在物理概念建构、物理规律的探索中，那些反映物理本质、体现科学思维的观念、方式、途径、程序和手段等，它是认识物理本质的精髓。比如“化曲为直”“对称”“等效”等思想，又比如探究过程中遵循的发现问题、提出假设、收集证据、作出解释和论证的程序及使用的手段，包括观察实验法、理想模型法、对比法、类比法、图像法、假设法、数学方法、分析综合法以及归纳演绎等方法。物理思想和方法比物理知识更富有创造性，是物理学的精髓。清华大学叶企孙教授曾强调：物理教学不仅要给予学生知识，更要给予学生科学思想和方法，因为知识只有通过方法加以应用才能体现出它的价值。

在实际教学中，重学术轻教育、重知识轻方法、重结论轻思维过程的现象依然存在。比如“超重和失重”一课，有老师是这样教学的：（1）教师举例说明什么是超重和失重现象;（2）教师用牛顿第二定律推导出超重和失重的条件;（3）学生利用超重、失重条件做练习。这样的教学缺乏学生的主动参与和知识的建构，学生对所学知识的理解、掌握很难到位，更是有悖于由证据进行推理、论证得出结论的科学的本质。这种过分强调知识及应用的教学也让学生缺失机会领略蕴含在知识中的物理思想方法，缺乏探索精神和创新意识，不利于科学思维的培养。

新的高中物理课程标准明确指出：“教材的内容要重视科学的发展过程，关注科学家在科学探索过程中所凝练、升华的科学思维方式和科学研究方法”。高中物理新课改教材在内容安排和呈现形式上蕴含着丰富的科学思想和方法，体现了对学习物理学的科学思维与方法的高度关注，无疑要求教师在教学实践中充分挖掘教材中隐形的物理思想和方法，将教材、知识、方法、学生有机结合，进行科学思想和方法的渗透，发挥其育人价值，培养和提升有利于学生终身发展的必备品格和关键能力，即物理核心素养。

3    物理教学中渗透科学思想和方法是培育提升核心素养的有效途径

为了全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务，《普通高中物理课程标准（2017年版）》已经出炉，新的课程标准更加注重物理课程的育人价值，凝练出了高中物理核心素养，即物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。课标中关于课程理念的更新、课程目标的修订、课程结构的再设计、课程内容的筛选、教材的编写和课程实施的建议无不紧紧围绕核心素养的发展和落实。可以说，新一轮课改的核心就是基于核心素养的发展和落实。物理核心素养是学生通过物理学习逐步形成的适应终身发展和时代发展需要的必备品格和关键能力。我们可以这样理解，物理核心素养就是忘掉所学的物理知识后留下受益终身的智慧、品格、方法与能力，而物理思想和方法正是这些智慧、品格、能力的核心要素。

“物理观念”是指从物理学视角所形成的认识事物、解释自然现象和解决实际问题的思想、方法和观点。可见，物理思想和方法是物理观念的有机组成部分。在教学中，不仅要让学生理解、掌握物理概念和规律，还要让学生经历概念建构、规律探寻的过程，充分领悟其思想方法，即渗透物理思想和方法的教育，促进物理观念的形成。

“科学思维”是指学生从物理学视角研究问题、解决问题中所形成的思维方法、思维品质和能力，主要包括建构模型、推理论证、抽象概括、质疑创新等要素。课标指出，发展科学思维能力是重要教学目标之一。教学内容本身蕴含着丰富的科学思想和方法，其中建构物理模型是重要的科学思想和方法之一。在教学中，通过建构物理模型来研究实际问题，引导学生经历物理概念的建构、物理规律的形成过程，充分体会科学方法，发展学生的科学思维能力。例如，关于加速度的教学，先创设几个实际的交通工具在不同时间内速度改变不同的情境，让学生来研究它们速度改变的快慢问题，学生根据提供的信息，分析、归纳出一个统一的标准——单位时间内速度变化量，进而综合、抽象出加速度的概念。通过以上过程，学生经历了“分析—归纳—抽象”的过程，认识到了物理的本质，发展了科学思维。

“科学探究”是指“基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力，主要包括问题、证据、解释、交流等要素”。关于科学探究的行为、手段、程序本身就是科学方法，课标指出科学探究能力的培养应渗透在物理教学的整个过程，无论是物理知识的教学还是物理问题的解决，都应尽量渗透提出问题、收集证据、推理论证、解决问题这一科学方法，帮助学生理解科学探究的本质，促进科学探究能力的提升。

“科学态度与责任”是指在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境关系的基础上形成对科学和技术应有的正确态度以及责任心。科学的本质就是用科学的思想方法认识、探究、发现自然规律，从而服务于人类社会。物理教学中渗透科学思想和方法的教育，可以让学生了解科学的起源与发展，欣赏科学事业，体验探索者的艰辛与悲欢，感受科学家们“立德立言、无问西东”的高尚情怀，从而提升其社会责任感。

4    渗透科学思想和方法教育的案例剖析

教学内容本身往往蕴含着丰富的科学思想与方法，在新课程背景下，教师应在理解教材内容的基础上进行再创造，充分挖掘隐藏在其中的科学思想和方法，对学生进行科学思想和方法的渗透，让核心素养的培育和发展落到实处。下面就以高中物理“探究磁场对电流的作用”为例，剖析如何渗透科学思想和方法的教育，有效提升学生的核心素养。

任务一：演示小魔术——会旋转的液体引入课题，提出问题

1.介绍装置，如图1。

2.不通电，没现象。

3.接通电源，溶液旋转起来。

4.取下平台，旋转变慢至停下。

5.重新放上平台（反放），溶液反向转动。

揭秘：液体是能导电的盐水;平台原来是块磁铁。

教师引导：液体一定是受到了某种力，这个力是怎样产生的呢？（磁场和电流两个条件缺一不可）

【设计意图】创设小魔术这个情境对学生刺激性很强，激起学生迫切想知道是什么力使液体旋转起来？这个力又是怎么产生的？体现由“生活走向物理”的思想，用“通电、断电”“有磁场、无磁场”“电流正向、反向”这些“对比”的方法，为后面学生探究安培力的有无和方向做了铺垫。

任务二：探究安培力的方向——左手定则

1.猜想：安培力的方向可能跟哪些因素有关？

2.利用实物展台介绍实验装置，如图2。

3.分组实验：每小组利用以上器材探究安培力的方向（如图3所示），并记录实验结果。

4.引导学生分析，发现规律。

（1）对比实验一和实验二，发现了什么？ 对比实验二和实验三，发现了什么？对比实验一和实验三，发现了什么？

（2）引导学生将各个模型同色的箭头旋转对齐，学生初步发现规律。

（3）归纳出左手定则。（结合模型演示和体验）

【设计意图】首先让学生理解实验装置及原理。探究安培力的方向时，传统的方法是通过有电流的铜棒在轨道上的滑动方向来判断。然而，这样做实际上是不科学的，铜棒向右滑并不一定是受向右的力，有可能是受斜向右方的力。而铜棒不动也不能说明它不受力，可能是受到了竖直方向的力。本装置采用铜片“天桥”对此作了改进，它能全面地显示安培力的情况。还可以方便地改变磁感应强度、电流的有效长度和电流大小。对实验装置的改进本身就是一种创新，这对培养学生的创新能力有潜移默化的作用。每个小组同学经历了设计方案，记录信息，分析、归纳出安培力方向与电流和磁场方向的关系，这一流程本身就是体现物理本质的科学思想和方法。将实际的立体模型转换成平面模型，体现转换思想，用控制变量的方法测出安培力的方向，然后从记录的信息中归纳、抽象出安培力的方向满足的规律——左手定则。这些物理思想方法的渗透发展了学生的科学探究能力。

任务三：探究安培力的大小

1.猜想：安培力的大小可能与哪些因素有关？

2.思考：

（1）如何改变电流？如何改变磁场？如何比较安培力的大小？

（2）如何利用以上装置定量探究安培力的大小？

3.探究：

（1）引导学生从理论上用等效替代法探究F与B、I、L的定量关系。

（2）定量实验

a.用累积放大的方法将安培力放大，以便用如图4所示的弹簧秤较准确地测量。

b.用相同磁块重叠和并排，定量改变磁感应强度B和电流在磁场中的有效长度L，如图5。

c.师生合作，得到实验数据。

d.学生分析实验数据得到定量结论。

4.总结得到安培力的定量公式及适用条件。

【设计意图】 首先用控制变量法和等效替代的思想从理论上半定量探究F与B、I的关系，

改进的器材采用强磁块叠加的方法实现了B的定量改变，利用累积放大的方法使安培力得到定量测量，从而突破了定量研究安培力的两大难点。学生用控制变量的方法分别将B、I、L变为原来的2倍，F也变为原来的2 倍，将B、I、L同时变为原来的2倍，F变为原来的8倍，进一步从实验得出F与B、I、L成正比的规律。这一环节渗透了控制变量法、等效法、累积放大法、数理法、推理法，还体现了从理论、实验两方面探究物理规律的思想，对发展学生的科学思维和科学探究能力有积极的推进作用。

任务四：探究课题引入实验

1.展示如图6所示实验装置的俯视图，引导学生明确磁场方向、电流方向，选取研究对象并画出平面图，用左手定则判断受力方向，得出液体的旋转方向。

2.思考：

（1）有哪些方法可改变液体的旋转方向？

（2）要使旋转加快，又有哪些方法？（聚焦知识点F=BIL）

（3）能量怎样转化？（引出电动机，安培力就在我们身边，安培力让我们生活的世界“转”了起来。）

【设计意图】将旋转液体转化为学生熟悉的通电导体在磁场中受安培力的物理情境，来揭秘课题引入的实验，体现了建模的思想和课堂结构的前后呼应，创设层层递进的问题有利于安培力大小的计算、方向的判定等物理观念固化，同时也体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的物理思想。学生用所学的安培力观念和建模的思想来分析、解决实际问题，认识到自然、社会中隐藏的物理科学本质，提高了探究能力，养成了科学态度，促进了物理核心素养的形成。

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[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

[2]周艳，卿昭才.滲透物理学史教育 提升学生核心素养[J].物理教学探讨，2018，36（6）：65-67.

[3]霍浩凌.高中物理教学中渗透科学思想和方法的研究[D].兰州：西北师范大学硕士学位论文，2007：1.

[4]项红专.物理学思想方法研究[M].杭州：浙江大学出版社，2004：6.（栏目编辑    赵保钢）