浅谈物理教学中如何培养学生的科学思维素养

许伟光　曾庆国

摘 要：本文通过当前物理教学中培养物理科学思维的现状，提出在课堂教学中培养学生科学思维的方法，从三个维度进行论述，落实物理学科学思维核心素养。

关键词：科学;思维;核心素养

一、 问题的提出

在新课改的背景下，高中物理核心素养教育进行得轰轰烈烈。学者们将其物理核心素养分为物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四大方面。而物理核心素养的培养目标就是让学生在理解物理知识的基础上获取物理基本技能，并能用合适的方法解决实际的物理问题并培养其物理思维。因此培养学生的科学思维成为实现物理核心素养的重要途径。“最美的花朵”“一刻也不能没有”，对于思维的地位，恩格斯给予的评价可以说是最高了。但问题是，作为物理教师，我们有没有切身地感受到科学思维之美？我们的学生在学习的过程中，有没有获得科学思维美的感受？

科学思维是让学生通过学习，了解物理学研究问题所运用的思想和方法，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。如果你能从已知的信息中，通过头脑的分析等活动获得了新的信息，这就是经历了思维的过程。而如果我们的大脑只是通过回忆，把原来储存在大脑中的信息再现出来，但是没有产生新的信息，这样的活动是没有经历思维活动的。在物理教学中培养学生思维，就是在课堂教学中通过思维训练，改善学生的思维品质和思维结构，从而提高学生分析、解决问题的能力，从而提高學生的物理学科核心素养。

二、 培养科学思维的方法具体实施策略

（一） 注重思维方法的教育，培养学生的科学思维素养

案例一 伽利略对自由落体运动的研究

人类对自然的研究，总要研究自然的运动，而所有的运动中就属自由落体运动是最被人熟悉的。2000多年前的希腊哲学家亚里士多德根据生活中的直觉和经验就提出了重物下落快，轻的物体下落慢的这个观点。由于他的权威和与生活经验的吻合，这个观点被人信奉了上千年。直到400年前，被意大利科学家伽利略所推翻。给同学们演示一张纸片和一枚硬币同时下落，问同学谁下落的快，回答一定是硬币了。接下来把制片揉成纸团再做一次实验，发现硬币和纸团几乎同时着地。通过对两个实验的分析得出，其本质原因是在于两种情况下摩擦力不同带来的影响。

面对复杂的现实，伽利略反而从最简单的不受阻力的落体运动开始研究，这是一种“以退为进”的思维方法，于是他建立了自由落体运动这个理想模型。这种运动没有初速度，而且不考虑空气阻力的影响。伽利略为什么要回避现实，去研究并不存在的自由落体运动呢？这正是他的高明的地方，看是远离了现实，但是却靠近了真理。他使我们问题的研究更加简单，能够使我们真指问题的核心。而且这样做也是有现实意义的，因为把实际的很多运动看成是自由落体运动，并不会造成太大的差异。即使有时有差异，再得出自由落体规律以后，只要加以修正，就可以得到实际落体的规律。

这里再谈谈科学思维的力量，根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大，那么如果将轻重不同的两个物体连在一起，那不是更重了吗？将得出整体都比原来下落快;而从另一个角度分析，重的物体会因为轻的物体拖着而变慢，这样重的物体又比原来下落的慢。因此重物轻重对下落快慢的分析中得出了互相矛盾的结论，因此，伽利略从中得出结论：只有假定物体下落的快慢与物体的轻重没有关系，才能消除这个矛盾。伽利略所采用的是一种“反证法”，根据伽利略的思想实验，实质上是一种逻辑推理，为了接受实验的检验，据说伽利略登上了比萨斜塔，在塔顶同时下落轻重不同的两个小球，结果两个小球同时着地。伽利略继续思考：既然物体的下落快慢和轻重无关，那这到底是一种什么样的运动呢？他有一个可贵的信念，他坚信自然是简单的，自然界规律也是简单的。因此伽利略大胆地猜想，自由落体运动是最简单的落体运动，因此一定是最简单的变速运动，速度应该是均匀变化的，但是在当时速度是随时间均匀变化还是随位移均匀变化伽利略研究发现，速度随时间均匀变化物体的运动会非常简单，因此伽利略放弃了另一种可能，认定速度是随时间均匀变化的猜想。在当时实验条件非常简陋，物体在有限高度内下落时间非常短暂，难以精确测量，为了解决这个问题，做了“冲淡重力”的实验。

通过改变斜面的角度和改变斜面的长短，经过多次实验发现，不同情况下小球的运动都满足位移与时间平方的比值是一个常数，然后伽利略合理外推到斜面倾角是90度的情况也应满足同样的规律，至此伽利略完成了对自由落体运动的研究。

将落体运动的知识和获得这一知识的历程比较，是落体运动的知识还是研究落体运动过程中所包含的思维方法更让学生受益，答案是不言而喻的。这个案例运用了大量的思维方法，先是“以退为进”“思想实验”“坚信自然界简单原则”“冲淡重力”“逻辑推理结合实验验证”等。这个案例对我们建立培养学生的科学思维观给予了深刻的启示，它告诉我们，与科学知识相比，在研究自由落体运动中所用到的科学思维方法，对学生能产生更大的影响力和吸引力。我们更加认识到发展学生的思维，是我们老师共同的追求，物理教学中我们必须把发展学生的思维作为物理的核心目标和根本任务。

（二） 从物理教学到物理教育转变，培养科学思维素养

案例二 牛顿第三定律的教学片段

本教学片段采用对比的教学方法，以知识为本体的教学设计：

（1）先由老师提问，让学生列举生活中各种相互作用力的实例。

（2）让学生到讲台前给大家演示两个弹簧秤之间力的相互作用，在各种状态下将弹簧秤对拉，观察记录实验现象。

（3）通过对实验的研究分析，得出牛顿第三定律。

注重科学思维的教学

（1）充分的做好如图所示的演示实验。

（2）对学生进行提问，让学生通过实验现象自己进行归纳总结，该过程具有发散性，充分锻炼了学生的发散思维能力和表达能力。

（3）师生共同探讨，得出结论。

比较两种方法的教学：以知识为本体的教学，这种教学方式以教师的讲授为主，学生在课堂中的主动参与程度比较低，缺少主动思考问题的过程;这种一步到位的教法，更是有悖于我们物理现在所推崇的核心素养理念。若长此以往，有碍学生科学思维的培养。而通过注重启迪科学思维的教学，学生会通过观察实验现象，得出物体不论是在不同的状态下还是受到不同性质的力的情况下，两个物体之间的作用总是相互的。从而更加深刻的理解作用力和反作用力的普适性和广泛性。通过创设实验情境，关注学生的思维过程。知识不可替代思维，在物理教学中我们不可采用灌输的方式给学生以知识，而忽视了思维能力的训练，不能用知识的传授代替思维的培养。在物理学习中，思维无法发散，解决问题的思路就难以打开。

（三） 通过模型建构，培养科学思维素養

案例三 电磁感应“杆+导轨”的分析

在电磁感应的教学中，对于“杆+导轨”这类题型，在电磁感应的习题中占据了相当大的比例，也是我们高考中的重要考点。其特点是知识覆盖面广，这类题型经常涉及两类研究对象，即电学对象和力学对象，通过此类题目情境的创设，巧妙地将力学内容和电学内容有机地结合起来，而联系这两大内容的桥梁就是导体棒在磁场中运动产生的安培力，其大小和方向的变化，直接导致了这两类对象的状态改变。因此题型其特点是灵活多变，对学生的能力区分度高，因此深受高考命题者的喜欢，学生也由于这类题目综合性强，往往不能很好的把握。但是我们发现在处理这类题目过程中，往往都可以建立如下的模型，具体老师在分析问题时，根据问题进行模型归类，往往问题就可以迎刃而解。

【方法归纳】解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是“先电后力”，一般思维逻辑关系可由以下四步法加以解决，其流程图如下：

“杆+导轨”模型又可分为“单杆”型和“双杆”型，导轨方式可以分为水平、竖直和倾斜;杆的运动状态可以为匀速、匀变速、非匀变速等。题型和考查方式可谓千变万化，但是我们通过归纳总结物理模型，透过纷繁的现象看到问题的本质，这就是我们科学思维的集中体现。只有培养了学生的物理思维，才能让他们能够不受事物表象的迷惑和干扰，善于运用概念思维、模型思维抓住问题的核心，揭示隐含的信息，善于根据事物的初始状态预见事物的发展。

三、 感想与体会

建构主义教学认为，教学不是老师将知识以成品的方式教给学生的过程，而是学生主动探究的过程。学生的学习更不应该是单纯的输入和接收，更应该是在原有的知识结构基础上，先对新的知识产生质疑，然后经过猜想、假设、实验验证等一系列思维过程，设计有意义的探究活动，从而实现新知识的理解和建构。因此在物理教学中，我们要精心设计教学过程，一定要让学生亲历物理知识的建构过程，要激发学生积极思维，让学生思维能力得到充分的锻炼，通过这个过程，学生不仅获得了新的知识，更能使学生获得能力和方法。通过典型物理模型的建模过程，帮助学生把握知识的要点，弄清知识之间的内涵和外延，有效地突破难点。通过科学思维的案例，介绍物理学发展史中科学家运用的思维方法，形成科学思维的整体思路，我们学习的知识只是一个载体，而我们物理教师更需要关注的是知识教学承载了哪些思维的教育。“授人以鱼，不如授人以渔”说的就是这个道理。只有教学中坚持这些原则，才能将科学思维和日常生活等实际问题结合起来，提高学生的科学思维能力，落实物理学核心素养。

作者简介：

许伟光，曾庆国，浙江省嘉兴市，浙江省海盐县元济高级中学。