聚焦物理概念建构的初中生科学思维能力提高策略——以苏科版初中物理教材中的物理概念建构为例

叶成林

(江苏省仪征市南京师范大学第二附属初级中学，江苏 扬州 211900 )

2015年10月，教育部在《普通高中物理课程标准修订稿》内部征求意见稿中提出：物理核心素养是学生在接受物理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正解价值观念、必备品格和关键能力.在《普通高中物理课程标准(2017年版)》中将物理核心素养具体界定为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个维度.高中物理课程标准对物理核心素养的界定，对初中物理教师的教育教学具有重要的指导意义.

物理概念是物理现象和物理过程的共同属性和本质特征在人脑中的反映，是对物理现象和物理过程的抽象化和概括化的思维形式.物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，而且是构成物理规律，建立物理公式和完善物理理论的基础和前提.物理概念是物理教学的重要组成部分.

科学思维是对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式.科学思维是物理学习中初中生所必备的核心素养，其主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素.在初中物理教学中，培养与提高学生科学思维能力，物理概念建构是重要载体.通过初中生物理概念建构中自主思维活动可促进学生思维能力和思维品质的提高，促进学生自主认识物理现象和物理过程的本质，掌握科学方法，提高科学素养.这对提高初中生科学思维能力有很大的裨益.同时，通过聚焦物理概念建构教学，让初中生科学思维能力提升训练与物理教学实践融合，可使初中生科学思维能力培养落在实处，有切实有效的抓手.

1 突出主要因素，提高初中生模型建构能力

物理模型是由客观物质世界过渡到物理概念、物理规律、物理理论的中间环节，是物理概念和物理规律赖以建立的基础.[1]初中物理模型常见有过程模型和结构模型.结构模型是指关于研究对象、装置或条件的理想模型：光线、杠杆、单摆、磁感线、力的示意图、纯电阻、弹簧振子等.过程模型是指关于物理过程的理想模型：匀速直线运动等.[2]在初中物理概念建构过程中，通过初中生模型建构能力循序渐进的培育，可提高初中生分析问题与解决问题能力，逐步培养初中生的科学思维能力，发展初中生物理核心素养.

在初中物理概念教学中，对物理结构模型的建构通常忽略研究对象或条件的次要因素，突出其主要的因素，对其理想化处理，形成对研究问题的简洁模型.

案例1.8年级物理第3章第3节“光的直线传播”中，在建构“光在均匀介质中是沿直线传播”这一物理概念时引入“光线”结构模型.教师引导学生：物理学中用一条带箭头的直线表示光的传播路径和方向，而忽略光的亮度与颜色等次要因素，从而为形象地解释日常生活中影子形成、日食月食形成，以及后续光的反射定律、光的折射规律教学打下基础.

案例2.9年级物理第11章第1节杠杆概念教学中，教材列举出了大量的日常生活中常见的器具：托盘天平、独轮车、筷子、笤帚、船浆、夹子、镊子、羊角锤、钓鱼竿、生活中的剪刀及人体中的运动系统等.教师引导初中生理解这些器具都可以抽象为在力的作用下可绕一固定点转动的硬棒，即杠杆，而忽略器具本身的复杂构造、制作工艺、制作材料等次要因素，为利用杠杆平衡条件分析物体的运动状态奠定重要的基础.

对物理过程模型的建构教师应引导初中生能够对复杂的物理情境进行思维加工，提炼和抽象，厘清其科学本质特征.在此基础上对运动物体的过程进行简化、理想化处理，建立适当的模型，并利用已知条件表征物理对象，利用相关的物理概念分析与解决该情境中的物理问题，提高初中生利用物理概念分析和解决问题的能力，发展学生科学思维.

图1 蹦极运动

案例3.如图1所示是蹦极运动的简化示意图，弹性绳一端固定在O点，另一端系住运动员，运动员从O点自由下落，A点处弹性绳自然伸直.B点是运动员受到的重力与弹性绳对运动员拉力相等的点，C点是蹦极运动员到达的最低点，运动员从O点到C点的运动过程中忽略空气阻力.则

(A) 从O至C运动员速度一直减小.

(B) 从O点至A点运动员机械能不守恒，从A点至C点机械能守恒.

(C) 从O至A过程中运动员速度增大，从A至C过程中运动员速度减小.

(D) 从O至B过程中运动员速度增大，从B至C过程中运动员速度减小.

本题考查初中生“相互作用”“力和运动”“动能和势能”等物理概念理解与掌握情况.此物理情境中运动员下落是一个非常复杂的运动过程，对初中生的思维能力要求较高，但同时这也是培养初中生科学思维能力的很好契机.教师首先应引导初中生对运动员本身及弹性绳进行理想化处理，其次将运动员复杂运动过程分解成从O点到A点、从A点到B点、从B点到C点3个阶段，用力的示意图分别作出运动员受力情况，在此基础上引导学生利用相关物理概念分析其运动状态及能量变化情况，完成对正确选项的选定.

图2 物体A压缩弹簧后释放

案例4.如图2，物块A和弹簧放在粗糙的水平面上，弹簧左端固定于墙面，OC为弹簧的自然长度.向左移动物块A并压缩弹簧至B处后静止释放，物体A在________处时速度达到最大(选填“C点”、“C点左侧”或“C点右侧”).

同样，对该案例物理问题的解决，初中生需要自主建构过程模型，深刻理解并想象出物体A从B点开始运动到静止的整个过程，需要初中生有一定的推理能力，会自主分析其运动过程中的受力情况及其运动状态的变化.这些案例的选择和充分利用，对提升初中生模型建构能力、发展学生科学思维是很有帮助的.

2 加强方法指导，提高初中生科学推理能力

科学思维能力的一个重要方面是科学推理.科学推理能力包含有多种思维方式，如演绎、归纳、分析、综合等.物理学中形成的思维方法对物理学的发展起了重要作用.初中生理解和掌握这些物理思维方法，具备一定的科学推理能力，对初中生物理学习具有重要的影响.初中物理课堂教学中应结合物理概念教学加强初中生基本物理思维方法的指导与训练，通过思维活动，培养学生科学推理能力，促进学生充分理解物理概念的内涵与外延，激发学习动力.[3]

2.1 分析与综合

所谓分析，就是把客观事物分解成各个部分、侧面和属性，分别加以研究.所谓综合，就是把事物各个部分、侧面和属性的认识统一为整体的认识，从整体上把握物体的本质和规律.分析和综合是科学思维的基本形式，也是解决物理问题的基本方法.[4]

如在案例3中，教师渗透运用“隔离法”，先将运动员整个运动过程分解成3个部分，然后分别分析运动员在每一个部分的受力情况，并综合考察其与弹性绳的相互作用及发展变化，正确理解运动员的运动状态及能量变化，领悟运动员整个过程的运动规律，以达到对相关物理概念本质属性的全面理解和深入认知.

案例5.9年级物理第12章第3节比热容概念教学中，教师首先创设问题情境：夏天中午，分别站在海水中和沙面上的小明与小华两个同学感觉为什么不同？然后引导学生结合生活经验，分析影响水和沙子升高温度的可能因素：质量大小、吸热多少、物质种类等.在此基础上采用控制变量法设计实验，局部探究分析物体升温多少与物质种类之间的关系，然后将各个因素综合起来，建构出比热容物理概念.

2.2 演绎与归纳

演绎是从一般到个别的推理，归纳是从个别前提推出一般性结论的思维方法.[4]

案例6.8年级物理第8章第1节力的概念教学中，教师引导学生从日常生活中的人推车、人拉车、人提水、人压桌面等物理现象入手，认识到产生力至少具备两个物体和两个物体间要产生作用的条件，在此基础上抽出其共同的、本质的属性，归纳得出“力是物体对物体的作用”概念.这种从个性出发认识共性、概括出同一类事物的普遍特征的归纳方法，有利于帮助初中生建构物理概念，深刻理解物理概念的内涵，发展学生思维.

案例7.9年级物理第15章第2节电功率概念教学中，在学生建构电功率概念及其计算公式后，教师引导学生结合欧姆定律及电功计算公式，演绎得出计算电功率的其它公式，了解每个公式的适用范围及条件，从而帮助学生建立电功率计算的整个知识体系.

在物理课堂教学中，教师以物理概念建构为载体，不断教给学生分析与综合、演绎与归纳等物理思维方法，让学生经历科学推理过程，经历具有挑战性的智力活动.这样才能使学生充分理解物理知识内涵，获得情感上的满足，激发学习物理的长期兴趣和持久动力.

3 注重科学探究，提高初中生科学论证能力

科学论证是重要的科学活动，其内涵是面对未确定的科学问题，通过社会性的协作过程，为各自的观点提供支持，并批驳相异的观点，以解决问题并获取知识的活动.发展学生科学论证的思维能力是发展学生科学素养的一个重要方面.[5]在初中物理概念建构中，提高初中生科学论证能力，教师注重采用科学探究式教学是重要手段.美国艾伦·柯林斯认为，虽然探究式教学难度很大，是一种费时的教学，但它是培养学生创造力和发现理论的唯一方法.[3]

在科学探究中培养和提高初中生科学论证能力，教师应结合物理概念建构，引导学生重在猜想假设、实验方案设计与操作、实验证据收集、实验证据的分析与论证4个环节上.

案例8.8年级物理第10章第4节浮力概念教学过程中，教师可以安排以下环节引导初中生经历科学论证过程，提高学生科学论证能力.

3.1 浮力概念的引入

创设物理问题情境：教师播放“人在死海上看书”视频，提出“人为什么能浮在死海的水面上”.日常生活中还有哪些现象证明你的观点？

学生通过交流讨论得知，人在死海水面上受到了向上的托力，教师适时指出这个力物理学中叫作浮力.这个力在日常生活中是普遍存在的，事实证据如下.

(1) 水中的乒乓球能从水里浮起来； (2) 空中的气球能腾空而起.

3.2 下沉的物体是否也受到浮力？

教师：上述事实证据都指向浮在水面上或在水中、空气中上升的物体受到向上浮力，请同学们猜想：水里下沉的物体是否也受到浮力？你有什么经验支持你的猜想？

生：下沉的物体也受到浮力.

经验证据：水中下沉的物体下落速度较慢；在水井中打水时，会感觉到装满水的水桶在未离开水面时要比提出水面时轻许多.这些经验证据证明：水里下沉的物体应受到了向上的浮力.

师：如果给你一个弹簧测力计、一杯水和一个金属块，你能通过实验验证你的猜想吗？请设计实验方案，说出实验方案蕴含的科学思维过程.学生小组合作，交流讨论实验方案的设计，并课堂展示.

生：先在空气中用弹簧测力计测出金属块的重力，若在水中下沉时受到向上的浮力，相当于金属块在空气中受到了手向上的托力，则弹簧测力计的示数应减小.弹簧测力计减小的示数就是金属块受到的浮力大小.

师：请同学们小组合作，在此基础上进行实验操作，收集实验证据，以证明你们的猜想.

学生通过实验操作，收集验证猜想的证据.通过对金属块在空气中与水中弹簧测力计示数的证据分析，发现水中下沉的金属块也受到向上的浮力.在此基础上推理得出浸在液体或气体里的物体都受到向上的托力，即浮力的物理概念.

在物理概念建构过程中，教师采用科学探究教学方式，在探究过程中注重培养学生的证据意识，有助于发展科学思维能力，有助于正确建构物理概念.

4 培养批判思维，提高学生质疑创新能力

批判性思维是决定学生信念和行动而进行的合理的反思性思维.批判性思维是学生受用终身的能力与品格，是创造性思维的基础.[6]培养学生批判性思维是时代的需求.前美国驻华大使骆家辉曾说：美国长期从基础教育开始进行批判性思维教育，这是美国科技、商业、文化等一直领先世界的原因.[7]美国杜克大学教育督导团队研究所撰写的《2011中国SAT年度报告》指出：中国学生整体欠缺有效的批判性思维能力训练.[8]这是目前限制中国学生学术能力的最重要因素之一，是我国科技人员缺乏学术研究能力和创造性的重要原因，也是实现习近平总书记强国和民族复兴梦的最大障碍.

在物理概念教学中培养初中生批判性思维，就是要求学生在理解事物的基础上善于质疑辨析，在质疑辨析中加深对深层知识和复杂概念的理解.[9]

案例9.8年级物理第10章第1节压强概念教学中，教师引导学生通过批判性思维促进对压强概念的深度理解.

师：教材中用物体所受的压力与受力面积比值定义压强概念，请问能否用受力面积与压力的比值来表示压力的作用效果？如果能，物理教材中为什么不采用？8年级还有哪一个物理概念的定义与此相似？请同学们讨论、反思与辨析.

生：也能用受力面积与压力的比值来表示压力的作用效果.但不符合人们的思维习惯，因而物理教材中没有采用.八年级物理中速度的概念定义与此类似.

分析：压力与受力面积的比值表示物体在单位面积上所受的压力，是受力面积相同时通过比较压力大小来反映压力的作用效果，比值越大表示压力作用效果越明显，符合人们的思维习惯，因而被教材采用.而受力面积与压力的比值表示物体在单位压力上的受力面积，是压力相同时通过比较受力面积大小来反映压力的作用效果，比值越小表示压力作用效果越明显，这不符合人们的思维习惯，因而没有被教材所采用.通过与八年级速度概念建构过程的类比、反思与辨析，可进一步促进学生深度理解压强概念内涵.

案例10.8年级物理第10章第1节“压强”教学中，教师引导学生对压力概念的深度理解.

师：教师站在水平地面上，此时教师对地面的压力大小与教师的重力大小相等.此时，压力就是重力吗？为什么？请同学们反思与辨析.

生：此时压力不是重力.虽然此时压力与重力在大小上相等，但两个力的施力物体与受力物体不同，许多时候两个力的方向不一定相同，且两个力的性质不同.

在物理概念教学中，教师适时引导初中生通过信息分析、深入思考、合理论辩、推理论证、综合判断等途径来发展学生以批判性思维为核心的高阶思维能力，在促进学生对物理概念深度理解的同时，提高学生的学科核心素养.