巧用典型实例培养科学思维能力

沈溢男

(福建省诏安第一中学 363500)

高中物理是一门比较抽象难学的学科，要想提高物理教学的有效性，就要提高学生的科学思维能力.科学思维能力的提高不仅能帮助学生更好地理解高中物理中的抽象问题，也能有效提高学生解题能力.

观察、实验与科学思维相结合，是物理学科的基本特征.科学思维是具有意识的人脑对科学事物(包括科学对象、科学现象、科学过程、科学事实等)的本质属性、内在规律及事物之间的相互联系和关系的间接与概括的反映，是物理学科核心素养的核心内容.模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新是构成科学思维的主要成分.在教学设计中，教师应当不失时机地创设情境培养科学思维能力.在与学生的交流过程当中，教师也莫要局限于解题方面的问题，对于学生提出的物理知识相关疑问，要以科学的态度引领学生探究问题、认识事物本质规律.笔者结合自己的工作经验浅谈高中物理教学中几个有助培养科学思维能力的实例.

鲁科版高中物理必修1《重力与重心》一节中的“重心与稳定”是一个与实际生活联系比较紧密的知识点.笔者认为这个内容不仅应当讲清物理原理，也应当分析好实际案例，更应当解答好学生提出的疑问.重心是一个以等效思维为基础的概念：研究重力对物体作用效果时，把物体各部分受到的重力视为集中作用在某一点，这个点就是重心.首先要强调等效性.当力作用在一个实体结构的物体上时，力是分布在整个体积中的，而非一个点.但是为更好的量化研究力，我们提出重心这个抽象概念：力被认为集中在这个点上.当力集中在这个点上时的效果和实际的效果一致.其次，从以上分析可知，重心的选择不是任意的.质量分布均匀的物体，重心在几何中心；质量分布不均匀的物体，重心不仅与物体形状有关，也与质量分布有关.再进一步向学生发问：我们是否可以改变重心位置？答案是肯定的.在这个一问一答中，学生对重心的认识从初中物理解题过程中的“找几何中心”上升到一个更准确的认知水平，同时深刻认识等效思维在物理研究中的意义.以上抽象理论如何形象化是这个教学环节需要攻破的一个难点.教师请学生以填充的方式改变不倒翁实验套件的重心.在学生活动环节后，展示出几个不同的结果.在展示过程中，哪个套件是不倒翁，哪个不倒翁最稳定，一目了然.我们引导学生分析这些套件里填充物和填充方式的差异，可以总结：重心越低，物体越稳定.在抽象理论、形象案例、实践操作、比较分析、概括总结后，教师组织学生阅读讨论教材中“古代汲水瓶”.以上探索的是关于重心高低如何影响稳定性大小的问题.在教材中，还有一段探讨物体是否能稳定的内容.以砖块的稳定与倾倒为例，得出一个结论：重力作用线落在它的支持面内时，物体稳定；重力作用线落在支持面外时倾倒.这里出现了一个新的用词“支持面”.学生在以往的物理学习过程中经常接触的是“接触面”.这两个用语是否有区别呢?有，而且必须和学生阐述、区分清楚.支持面是接触点连线所围起来的平面，而接触面是接触点的聚合.一张四脚椅子与地面的接触面是四个椅腿的横截面；支持面是这四个椅脚连线围起来的平面.如果教师在解读教材或者教学过程中没有注意这个细节，就会给学生带来错误的认识.抽象性与形象性的统一是科学思维的特征之一，在抽象概念、抽象模型的认识过程中，详尽的案例分析、有意义的实践操作、对学生疑惑的关注是推进教学过程、培养科学思维能力的有益要素.

学生观察工地上的塔吊，应用重心与稳定的相关科学理论推理知：塔吊在工作时的整体重力作用线过底座支持面.同时也产生了疑问：应用初中学习的杠杆原理分析，塔吊空载时，不改变配重块就难以平衡；然而事实是塔吊空载和满载时用的是同一个配重块.这是一个与生产联系紧密但很少出现在高中习题中的质疑.这是不是一个有意义的质疑呢？我认为是：应用原来掌握的科学理论分析问题发现了矛盾.这可能是对原有认知再升级的一次机会，也可能是创新创造的萌芽.对于有意义的质疑，教师应当给予重视；对于提出有意义质疑的学生，教师应当在指导的同时给予思考的空间.教师让学生说一说他的推理过程：配重块的重力力矩与载重的重力力矩相等是平衡的条件，其中支点在塔身上的驾驶室位置.这个物理模型是初中经典的模型.而塔吊可以应用这个模型吗？首先，塔吊自身的重不可忽略；其次，我们假设塔吊倾倒，发现塔吊在空载时临界平衡的支点与塔吊满载时临界平衡的支点不是同一点；再者，塔吊本身(不包括货物和配重块)的重心是在塔身之外的.在这样的纠正性分析过程中，学生发现原先逻辑上不周全的细节，然后重新应用杠杆原理分析.在没有准确数据和精准测量的情况下，学生力不从心，这是高一学生从初中物理过渡到高中物理遇到的烦恼之一.教师鼓励并指导学生应用恰当的符号表达物理量，构建物理模型，推理论证.最后学生得到结论：当配重块的重在一定范围内时，塔吊在满载和空载时都不会倾倒；也可以说，不同的满载值对应着不同的配重块标准范围.在高中教学环节中，学生这个关于杠杆原理的质疑看似与高中物理关联不大.但是这个质疑可贵的是学生质疑和思考这个行为.教师通过这个指导和解疑所达到的效果是：让学生重新认识杠杆原理；完善学生的逻辑思维、提高学生的论证能力；勇于在没有数据的情况构建数学模型解答物理问题.科学思维是从物理学视角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理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质.

近年来人工智能受到高度关注和重视，人工智能机器人走进校园社团和工作室.人们从对机器人的幻想与憧憬到真正使用人工智能产品，只经历了短短几十年.很多人工智能产品的消费者认为这仅仅是IT行业的发展结果.然而，每项技术都具有综合性——涉及多个学科.人工智能的关键是感觉器官——传感器系统，这是一个把其它物理信号转化为电信号的装置.传感器的简单使用是高考大纲的一个电学实验.在鲁科版物理选修3-2中，有一个设计制作简易温度报警器的实验.在实际的教学过程中，这部分内容由于各种原因受重视程度有待提高.在人工智能飞速发展的大环境下，近几年的高考实验题中频频出现传感器装置.笔者认为我们应当重视这个教学内容.科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新.质疑创新的核心是科学创造力，高中生的科学创造力主要表现在观察与实验、物理知识的学习、物理问题的提出、物理问题的解决、物理创造活动等方面.学生通过理论学习能够认识到：传感器是一类有各种各样功能的电学装置；而要在高考实验题中灵活且恰当地应用传感器设计电路就需要切身体验.笔者在该教学环节中，设计分组实验.实验操作前，教师展示电磁继电器，结合多媒体投影介绍继电器的工作原理和功能.教材中列出以下器材：电磁继电器、电铃、小灯泡、热敏电阻、干电池、滑动变阻器、开关.在设计和操作过程中，学生发现电铃(或灯泡)和热敏电阻皆需要一个电源.这是实践操作的效果：从理论到实践上理解继电器的工作原理.学生通过调节滑动变阻器得到理想的结果：电吹风吹热风时电铃响起；散热后，电铃不响.当我们换另一档热风时，需要重新调节滑动变阻器才能达到这个效果.分析总结：在不同的温度下，热敏电阻表现出不同的电阻，因此在不同温度下，需串联不同的阻值才能形成等量电流，以达到相同的感应效果.人工智能产品中传感器皆是此类电路的集合，人们正在享用的传感器多是调试了可变电阻后的产品.在这样的实验过程以后，学生对传感器的认识才从抽象发展为具体化，在创新设计或是高考的实验题中才能应用自如.

在高中物理教学过程中，有许许多多培养学生科学思维能力的教学环节和契机.教师不仅要充分解读教材并做教学设计，也要关注学生的质疑，更要与时俱进、给学生发挥创造潜能的平台.