利用物理课堂教学进行科学思维培养的实践初探

2019-10-18张红明

物理通报 2019年10期

张红明

(北京师范大学附属中学北京 100052)

1 问题引入

普通高中物理课程标准2017年版明确提出，高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在落实立德树人根本任务，进一步提升学生的物理学科核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展.学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面.

“科学思维”是从物理学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；是基于事实证据和科学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”主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.

科学思维的培养不是一蹴而就的，是一个循序渐进的过程.在物理教学中，我们应该充分挖掘教材中最能体现科学思维、最能培养学生科学思维的素材，创造性地开展教学.对此笔者在物理课堂教学中作了一些初步的探索，并以小案例的方式总结出来.

2 实践案例

案例一：利用匀变速直线运动的v-t图像面积求位移

如果对学过高一物理的学生做一个问题调查，问题是“你觉得高一物理中哪一部分内容给你的印象最深刻而且能够对你产生吸引力”.笔者认为，“利用匀变速直线运动的v-t图像面积求位移”应该是最具竞争力的答案之一.

教学中笔者首先按照教材的编写方式，引导学生如何根据v-t图像面积求出位移，让学生亲身感受学习的成就感.通过这一教学过程已经是对学生的科学思维有一个特别好的培养，然后利用这个契机，引导学生去感悟上述过程中隐藏的“微积分”思想.充分发挥学生的直觉思维，通过下列图像的方式逐步展示“微积分”思想的4个关键步骤：“化整为零”“以恒代变”“积零为整”“再求极限”,如图1所示.

图1 “微积分”思想的4个关键步骤

再接下来，创造性地开展教学，换一个视角，用代数计算的方式引导学生通过求匀变速直线运动的位移体会“微积分”思想，促进学生科学思维能力的进一步发展，使学生的思维品质产生质的飞跃.教学过程如下：

学习任务：已知匀变速直线运动的初速度v0，加速度a，时间t，求位移Δx.

第一步，体会“化整为零”.

引导学生把总时间t分成n小段，每一段时间为Δt，则

第二步，体会“以恒代变”.

引导学生把每一段的初速度看作是这一段各处的速度，这样每一段时间里质点做的都是匀速直线运动，利用匀速直线运动的位移公式求各个部分的位移.

…

第三步，体会“积零为整”.

引导学生将各个部分的位移加起来，并加以化简.

Δx=Δx1+Δx2+…+Δxn=

第四步，体会“再求极限”.

引导学生明确，上一步所求的总位移并不是实际匀变速直线运动的位移，要想得到匀变速直线运动的真正位移，需要运用极限思想，在上式中将n取无穷大，得

这就是匀变速直线运动的位移公式.

案例二：推导第三宇宙速度的表达式

高中物理教学中，只要求理解第三宇宙速度的物理意义，不要求推导第三宇宙速度的计算公式.但是优秀学生还是对如何得到第三宇宙速度非常感兴趣，这个时候教师可以因势利导，让学生通过查阅大学教材的方式进行学习.但学生读完大学教材后，还是充满疑惑.这时创造性地开展物理教学，根据学生的认知背景，通过构建物理模型的方式，逐步推导第三宇宙速度的表达式.经历这样一个教学过程，可以很好地发展学生的科学思维.

(1)学习大学物理教材中对第三宇宙速度的推导.

这个动能包含了两部分，即脱离地球引力所需的动能Ek1和脱离太阳系引力所需的动能Ek2.

Ek=Ek1+Ek2

根据第二宇宙速度可求出质点脱离地球引力所需要的动能Ek1，即