基于发展学生科学思维的教学设计

陈敬华

摘   要：科学思维是物理学科核心素养的内核。深度发展学生的科学思维，突出物理概念、规律、理论形成过程中的科学思维，是物理学科教学从知识转向核心素养的突出表现。文章以“匀变速直线运动”的教学片断为例，诠释了发展学生科学思维的教学策略，使得学生不仅能理解物理知识，而且还训练了科学思维，从而提升学生的物理学科核心素养。

关键词：核心素养;科学思维;教学设计;匀变速直线运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）9-0027-5

1    问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》在整合原来三维目标的基础上，提出物理学科核心素养。物理学科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需要的正确价值观、必备品格和关键能力，它包括四个要素：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。其中，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，包含的内容有多方面的诠释，既是基于经验事实构建理想模型的抽象概括过程，又是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用。

2017年版的课程标准与2003年版的课程标准相比，深度化发展科学思维，已经成为高中学业质量标准和学业水平考试命题的趋势，同时培养科学思维中的关键能力也是目前教学设计的重要目标。教学设计的深度化和学生思维的深度化，防止教学的浅层化、学生思维的表层化，是学科教学走向核心素养的一个突出表现，也是发展学生科学思维不可或缺的。为达到课堂教学能有效发展学生科学思维的目标，教学必须有一定的深度和广度。笔者根据学生的认知规律和物理学科特点，借鉴深层学习理论以及高中物理教学设计理论，完成了发展学生科学思维的教学设计。本文以“匀变速直线运动”为例，结合教学实践，通过对一系列问题的思索、挖掘、诠释，使学生的科学思维得到深度化发展。

2    教学案例分析

2.1    速度的概念教学

速度的概念在人教版高中物理必修1教材中具有重要的地位，也是物理概念教学的重要内容。在笔者的教学设计中速度概念教学步骤如下：

第一步，以实验为前提，动手作图，建立匀速直线运动的图像，应用比值定义法建立匀速直线运动的速度概念。如图1所示，通过观察A、B两辆小车在直轨道上运动，测得各时刻两车的位置坐标（见表1）。坐标纸的横轴表示时间，纵轴表示物体的位置，作出物体运动的位置坐标x与时间t的关系图像，如图2所示。教师讲解x-t图像及匀速直线运动的概念后讨论如下问题：A、B两车谁运动得快？如何比较？

第二步，反复实验，通过实验操作建立变速直线运动及平均速度、瞬时速度的概念。演示小车由静止沿斜面下滑，如图3所示，取开始下滑时为计时起点，测得各时刻小车的位置坐标（见表2）。

第四步，通过问题链探索与分析实验现象和实验结果。

引导学生讨论两个核心问题：

第五步，利用光电门及数字计时器测小车运动的瞬时速度。此过程既是对瞬时速度概念的应用，同时也可以通过练习巩固建立的物理概念。

第六步，求解曲线运动的平均速度、瞬时速度及平均速率拓展练习。在教学中适当扩展，对学生科学思维的深度训练是有益的。

笔者设计上述教学过程是基于以下考量：第一，学生学习速度概念前已经学习了位置坐标、位移的概念，作运动物体的位置（坐标）与时间图像，能加强学生对前概念的深化理解与巩固，也为学习新概念做好准备;第二，通过实验建立匀速直线运动及变速直线运动的概念，让学生体会模型构建的过程;第三，通过实验与图像建立匀速直线运动的速度、变速直线运动的平均速度及瞬时速度的概念，让学生体会比值定义的方法及极限思想，初步接触合理外推的科学思维方法;第四，通过匀速直线运动的速度、变速直线运动的平均速度与瞬时速度等概念的建立，归纳出普遍意义的速度概念，使学生得到分析归纳的思维训练，从而使学生在学习速度概念的过程中发展科学思维。

2.2    探究小车速度与位移随时间变化的规律

笔者以“探究小车速度与位移随时间变化的规律”为例，展开对物理规律的探索，也是深度化发展科学思维的重要载体。步骤如下：

第一步，问题导入。

演示水平面上的小车在重物的拉动下由静止向右加速运动，并提出如下问题：

（1）用哪些物理量描述小车的运动？这些量（x、v）是如何变化的？

（2）v与t、x与t满足何种关系？

第二步，实验探究。

学生通过动手实验—记录数据—作图，得出v与t的关系：v=kt或v=kt+b。

由于x与t的关系较为复杂，因此教师通过一系列问题进行引导：

（1）你能否找到x与t的关系？

学生用同样方法作图得出x-t图像（如图5所示），随后教师提问：

（2）从图像中你能得出x与t的关系吗？

（3）从图像中，你猜想x与t可能是什么关系？如何证明你的猜想是正确的？作x与t2图像试一试？若不行，作x与t3……等图像。

最后得出小车由静止开始运动的位移x与时间t的关系为x=kt2，如图6所示， 实验数据见表3。

第三步，结果分析。

通过设计“问题链”引导学生积极思考，通过实验、图像探究物理规律，在探究的过程中培养学生猜想、推理、综合等科学思维，以达成对学生科学思维的深度训练。

2.3    习题教学中的物理模型构建

物理问题的解决过程本質上是物理模型建构和应用的过程，如图7所示。发展物理核心素养的重要性已经逐步被大家认同并付诸于教学实践。根据高考对学生核心素养和相关维度水平的要求，从试题入手，以2019年高考卷中的匀变速直线运动题目为例，虽然问题复杂且又多过程，但是可以利用模型构建进行分解，即可以分为若干部分的匀变速直线运动。对模型的构建、重组、拆解、整合、计算等方式，也是提升学生学思维的有效手段。

例题 （2019全国Ⅲ-25题）静止在水平地面上的两小物块A、B，质量分别为mA=1.0 kg，mB=4.0 kg;两者之间有一被压缩的微型弹簧，A与其右侧的竖直墙壁距离l=1.0 m，如图8所示。某时刻，将压缩的微型弹簧释放，使A、B瞬间分离，两物块获得的动能之和为Ek=10.0 J。释放后，A沿着与墙壁垂直的方向向右运动。A、B与地面之间的动摩擦因数均为μ=0.20。重力加速度取g=10 m/s2。A、B运动过程中所涉及的碰撞均为弹性碰撞且碰撞时间极短。

（1）求弹簧释放后瞬间A、B速度的大小;

（2）物块A、B中的哪一个先停止？该物块刚停止时A与B之间的距离是多少？

（3）A和B都停止后，A与B之间的距离是多少？

分析：本题是高考命题考查的压轴题，根据上题解题过程的模型建构（如图9所示），把复杂的问题拆解成几个简单的模型后，再根据各个模型所遵从的物理规律列出方程式求解，即可得到正确结果。将复杂问题简单化，能有效提高学生的应试能力。

习题的重组，是建立在思维不断深化和发展过程中的。我们在倡导一题多解、多题一解、一题多变，推进习题教学中的少而精、逐一通透教学的同时，要善于把习题教学作为深度化发展学生科学思维的有效手段。通过对一题的演变，可训练学生对某一类问题模型的建构与应用，拓展学生科学思维训练的深度和广度。例如，训练学生分析摩擦力的题组，可以设计如下：

原題1：如图10所示，在光滑水平面上有质量M=5 kg的静止木板，木板上静止放置质量m=1 kg的木块，木板与木块间的动摩擦因数为μ=0.2，用水平恒力F拉动木板，下列关于木板的加速度aM和木块的加速度am，可能正确的有（g=10 m/s2，木板与木块的最大静摩擦力等于滑动摩擦力）（   ）

A.aM =1 m/s2，am =1 m/s2

B.aM =2 m/s2，am =1 m/s2

C.aM =3.5 m/s2，am =2 m/s2

D.aM =5 m/s2，am =3 m/s2

变式1：若木板与木块质量未知，地面粗糙，用随时间t变化的水平拉力F拉动木板，测出长木板和木块的加速度与水平拉力F的关系如图11所示，则下列说法正确的是（    ）

A.木块的质量 m=0.5 kg

B.木板的质量M=1.5 kg

C.木板与地面间的动摩擦因数为0.2

D.木块与木板间的动摩擦因数为0.2

变式2：如图12所示，若长木板质量忽略不计，木板上静止放置质量分别为M和m的A、B两木块，A、B与长木板间的动摩擦因数均为μ=0.2，用水平恒力F拉动木块A，则（    ）

A.若F=1 N，则两木块、木板都静止不动

B.若F=1.5 N，则A木块所受摩擦力大小为1.5 N

C.若F=4 N，则B木块所受摩擦力大小为4 N

D.若F=8 N，则B木块的加速度为1 m/s2

从以上几个变式习题可以看出，我们在习题教学中要强化推理方法的应用，增强科学推理时的证据意识，在解题过程中发展学生的思维能力。引导学生进行有根据、有条理、有深度、有创新的思考，是习题教学中深度化发展学生科学思维的基本途径。从科学思维的视角设计习题，更加符合学科规律和学习规律，有利于学生全面掌握基本知识和技能，促进核心素养的培养。

3    结  语

通过以上几个教学案例说明深度发展学生的科学思维需要多方面设计和探索。在物理课堂教学中有效发展学生的科学思维，是培养学生核心素养目标的关键，学生科学思维的形成与发展，依赖于对物理概念、物理规律建立过程中的科学思考和实践，依赖于应用物理概念、物理规律解决实际问题的科学思考和实践。

总之，在物理各种教学内容的选取与呈现上，要突出物理情景的创设，在情景中提炼问题，基于问题诱导学生展开有深度的探究，在探究过程中激发学生的高阶思维。在物理概念、规律的教学过程中，要体现和反映物理学科本质，要聚焦物理学科的核心概念和规律，体现学科知识的结构化，避免知识的碎片化，要超越物理知识的表层结构，突出物理概念、规律及应用过程的科学思维。这样的教学设计才能更充分地发挥学生的潜能，全面提升学生的物理核心素养。

参考文献：

[1]郭玉英，张玉峰，姚建欣.物理学科能力及其表现研究[J].教育学报，2016，12（4）：57-63.

[2]廖伯琴.《普通高中物理课程标准》（2017年版）要点解读[J].物理教学，2020，42（2）：2-5.

[3]余文森.论核心素养导向的三大教学观[J].当代教育与文化，2019，11（2）：62-66.

（栏目编辑    邓   磊）