由科学思维水平划分谈培养科学思维的方法

2019-03-26

物理教师 2019年2期

(江苏省六合高级中学，江苏南京 211500)

1 核心素养中科学思维的内涵及水平划分

科学思维是《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出的物理学科核心素养中的四个方面之一,是从物理学科的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和推理对不同观点和结论提出质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格．科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素．

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出:高中物理课程应在义务教育的基础上,进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展．通过高中物理课程的学习,学生应该具有建构模型的意识和能力;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推理、找出规律、形成结论;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;具有批判思维的意识,能基于证据大胆质疑,从不同角度思考问题,追求科技创新．新版课标对科学思维进行了5个水平划分,如表1所示．

上述科学思维5个水平的划分,对科学思维水平的要求是逐步提升的．笔者为逐步提升学生科学思维的水平,在平常的教学中,根据学生的认知规律,有目的地把学生学习的知识精心地设置在具体的、有意义的问题情境中,引导学生通过独立思考、合作探究、师生互动等方式解决问题．整个教学活动都是围绕着“问题”展开的, 以问题为中心,由浅入深,由易到难,循序渐进．通过设计问题串,引导学生抽丝剥茧,直至找到科学思维的方法．

表1 科学思维的水平划分

2 培养科学思维的方法

2.1 挖掘教材,唤醒学生“言必有据”的理性意识

人教版高中物理教材中有许多关于物理学研究探索历程的内容,这些内容不仅使学生对物理的发展过程有一定的了解,更是学生体验科学研究方法、感悟科学探究精神的重要素材．在教学过程中,教师不能仅限于告知学生科学家的成果,更应该创设情境,给学生一个重温探究历程的机会．

例如,人教版物理必修2第6章“万有引力与航天”的第1节“行星的运动”,教材中直接给出了开普勒第三定律的内容:所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等,且比值对所有行星都相同．教材中并没有利用观察测量行星的数据,向学生清晰展示科学探究的过程，因而不能使学生领悟建立新理论的科学方法,不能很好培养学生的猜想、探究意识、科学精神和探究能力,不利于提升学生的科学思维能力．笔者对这一问题做了如下设计.

问题1:如何利用表2中太阳系八大行星的部分数据,探究行星的公转周期T与半长轴a的关系?

表2 太阳系八大行星的部分数据

生:可以利用线性关系图像寻找公转周期T与半长轴a的关系．

问题2:笔者在Excel中作出太阳系八大行星的T-a图像、T-a2图像,如图1、图2所示,请大家分析一下,根据这两种图像的变化趋势,猜测可能的线性关系图像?

图1 太阳系八大行星T-a图像

图2 太阳系八大行星T-a2图像

生:根据这两种图像的变化趋势,可以猜测出线性关系图像可能T-a、T-a2之间．

问题3:由图3你能得到什么结论?

图3 太阳系八大行星的T-a3/2图像

问题4:表3是太阳系八大行星、月球、地球同步卫星的部分数据,你能从表中得出什么结论?

表3 太阳系八大行星、月球、地球同步卫星的部分数据

生:由表3数据可知,k值与环绕天体无关,与中心天体有关．

通过太阳系八大行星的部分数据进行分析和推理,获得了行星的公转周期T与半长轴a的关系,是科学思维的水平2，让学生感受到科学结论的得出并不是凭主观臆测,它离不开相应的佐证,从而唤醒学生“言必有据”的理性意识．

2.2 建构模型,培养学生“以理说理”的理性表达

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性描述,是科学研究中对复杂事物的一种简单的描述方法．在模型建构的活动中往往需要进行观察或实验、归纳和演绎,并运用已有知识进行假设、模拟;将复杂的事物进行简化、抽象出本质属性,将抽象的概念具体化、形象化;通过模型的建构过程,学生可以亲身体验思考与探索,并加深对复杂事物本质的理解,培养学生科学思维的能力．

图4

例如,如图4,一工人沿着斜靠在墙上的梯子向上攀登,有人说人在梯子上的位置越高,梯子越易滑动,你认为该结论正确吗?如何运用所学的物理知识来加以说明．笔者设计了以下3个问题逐步提升学生的科学思维水平．

问题1:如何理解“梯子越易滑动”?

生:梯子与地面的摩擦力越大,梯子就越易滑动．

问题2:如何将该实际问题转换为物理模型?

生:把人视为质点,忽略梯子的质量、梯子上端与墙之间的摩擦力等次要因素．

问题3:用什么知识来处理该模型?

生:利用三力平衡知识,具体分析如下.

图5

对人和梯子整体受力分析,如图5所示．设人的重力为G,地面对梯子的支持力、摩擦力分别为F1、f,墙对梯子上端的弹力为F2．由平衡知识有F1=G,说明人向上攀登过程中F1的大小不变．由三力平衡知识有,F1、f的合力必通过F2、G延长线的交点,由图5可知,随着人在梯子上向上运动,即重力G沿梯子向上移动,地面与梯子摩擦力f的大小在增大,当人到达梯子最上端时,f最大．所以人在梯子上的位置越高,梯子越易滑动．

建构人在梯子上向上运动过程模型时,学生需要对具体问题进行归纳、抽象、简化,这不仅有利用于学生对核心知识的认识和理解,而且还能体验建立模型的思维过程,领悟模型方法．能将实际问题转换成物理模型,这是水平4,若考虑梯子的重力、梯子与墙的摩擦力,那就是水平5了．

2.3 优化问题,引导学生“言必缜密”的理性质疑

问题2:用欧姆表测量的是灯泡的什么电阻?

问题3:常态下灯泡的电阻如何尽可能精确测量?

教师在教学过程中注重引导学生解释和论证每个实验环节设计和观点建构的理由,学生在尝试提出主张、与人论证、使用证据支持或反驳的过程,培养了理性思维．

2.4 联系实际,提升学生“以理解疑”的科学思维

课程目标之一是能用所学的物理知识、原理解决实际问题,这种能力不是一蹴而就的,需要教师在日常教学中让学生不断去探究,经常把生活中的问题带到课堂中．

例如,地球上有着许许多多的高山,7000 m以上的大山有400多座,8000 m以上的山峰有14座,那么最高的山可以达到多高的高度呢?这是一个有趣的问题．第一高峰珠穆朗马峰约高9000 m．是否想过:为什么地球上的最高的山峰不是105m或者更高，又不是1000 m或者更低,而偏偏是104m的数量级呢?

这一问题对学生来说要求较高,笔者设置了如下铺垫.

问题1:若用豆腐来“叠罗汉”,会出现什么现象?

问题2:山的高度为什么有最大值?

问题3:设石头全部由SiO2组成,岩石在溶解时每SiO2分子所需要的能量为E=0.03eV,SiO2分子的质量为m=1.67×60×10-27kg,地球表面重力加速度g=9.8 m/s2,如何利用能量守恒估算出地球上山最大高度的数量级?