在物理复习课中提升学生的科学思维能力
——以力学实验复习为例
2020-03-24
(北京师范大学附属中学，北京 100052)
2013年教育部启动了普通高中课程标准的修订工作，将提升学生的核心素养作为高中课程目标。核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：物理学科核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。如何培养和提升学生的物理学科核心素养，成为物理教师关注的问题，其中的一个焦点就是科学思维。课程标准指出：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、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品质。
复习课是提升学生科学思维的一个很好契机，因为在复习阶段学生已经具备一定的知识基础，教师如果能够设计出良好的问题，指导学生对物理观念进行归纳、总结，形成相互关联的整体结构，能给学生提供分析、解决问题的机会，并做好示范，就能对提升学生的科学思维能力有良好的促进作用。下面以力学实验复习为例，谈谈笔者所做的一些尝试。
1 有机整合知识，打破固有模块，凸显事物的共性和内在联系
以往力学实验的复习多采用模块的方式，通常一个实验一个模块，学生和教师一起完成实验原理、器材、步骤、数据处理、误差分析等复习。这样的方式能够提高学生对实验的纵深理解，但缺少横向联系，学生知识的获得是针对一个个具体实验，对力学实验的基本方法和基本操作往往并没有一个整体的认识。为了突破这个局限，我们对力学实验进行了重新整合。
高中力学的核心内容是研究力和运动的关系，因此“运动的记录”和“力的测量”就成了力学实验中的两个基本问题。我们梳理了高中力学实验，如“研究匀变速运动”“验证牛顿第二定律”“探究动能定理”等，都必须首先记录下物体的运动轨迹，并(直接或间接)测量出描述运动的物理量(如x、v、a等)，然后才能进一步研究。因此，我们把“物体运动的记录”作为力学实验复习的第一个专题，对基本问题和测量方法进行了探讨，具体流程如图1所示。
图1
这样做的目的为：(1) 使学生认识到各个实验并不是孤立的，例如，它们都要记录物体的运动，都可以用打点计时器来实现，甚至实验装置都很相似，如图2所示的装置就在教材中出现了3次，分别用来研究匀变速运动、验证牛顿第二定律和探究动能定理，这使学生意识到要去寻找事物的本质属性和内在的基本规律，掌握了基本方法后还可以解决新问题。
图2
2 通过问题解决重现核心概念、规律，促进学生的深度理解
选择“速度”作为重点关注的核心概念，原因有：(1) “速度”是与物体的运动状态直接相关的物理量，物体的速度变了，运动状态就发生变化，这需要有力的作用；(2) 瞬时速度体现了极限的思想，而这种思想在实际的实验中如何运用，是一个值得讨论的问题；(3) 速度的变化率对其他物理量的变化率具有借鉴的意义。
在以往的教学中，多强调匀变速运动的速度公式，没有对核心概念作更多的复习。我们以实际的操作问题为背景，通过问题解决的方式对“速度”的概念进行讨论，收到了一些意想不到的效果。我们在教学中抽离匀变速运动的条件，改为讨论一般的运动，以分析打点计时器记录的纸带为例，引导学生思考和讨论，具体的问题解决流程如图3所示。
图3
这样做一方面使学生更好地认识平均速度和瞬时速度的区别与联系，另一方面使学生能够更好地体会理论与实验之间的辩证关系。
3 创设问题情境，提升学生科学思维能力
在复习完纸带问题后，由学生自己解决气垫导轨与数字计时器的应用问题，教师先展示了一个例题，教学过程如下。
例题：遮光片的宽度d=3.0cm,滑块在牵引力作用下先后匀加速通过两个光电门,通过第一个光电门的时间为Δt1=0.30s,通过第二个光电门的时间为Δt2=0.10s，遮光片从开始遮住第一个光电门到开始遮住第二个光电门的时间为Δt=3.0s，试估算滑块的加速度。
生C：没有那么复杂吧，题目中说的是估算，直接用Δt就好了。
生D：可以计算一下，直接用Δt计算加速度的结果是用t计算加速度的结果是相对误差为应该没问题。
师：一定要用到中间时刻的瞬时速度等于平均速度吗？
生E：可以不用吧，通过光电门的时间很短，可以认为在这段时间里滑块近似做匀速运动，可以像生D那样算一下，我觉得没问题。
生F：其实跟前面纸带的处理是类似的吧。
这个例题，实际上就是人教版高中物理必修1上的“问题与练习”，是一个值得讨论的好问题。从上述教学过程可以看出：在教师的指导下，学生进行分析推理、质疑检验、修正，展现了一个较好的物理思维过程。这样的教学方式对以后的问题解决会具有良好的示范作用，对学生的能力提升也具有促进作用。
