创设真实情境 显性化科学思维

刘书云 彭朝阳

摘   要：科学思维伴随着知识的学习而发生，但培养往往是隐性的。建构主义认为，学生应该在真实或接近真实的情境中完成对知识的建构。以“自由落体运动”为例，创设真实情境，按照情境教学的一般步骤，引导学生进行分析、推理，基于证据表达观点，提出质疑和抽象模型，显性化科学思维。

关键词：科学思维;情境教学;显性化

教育部制定的《普通高中物理课程标准（2017年版）》[ 1 ]（简称《标准》）中基本理念提到注重体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养，而科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，主要包括模型建构、科学论证、科学推理和质疑创新等要素。

《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，所以科学思维是思维的一种特殊形式[ 2 ]。思维在学生建构知识体系的过程中起着不可忽视的作用，有大量的研究事实说明思维是可教的。但是，思维在形成过程中呈隐形，根据《标准》中对科学思维水平的划分，科学思维不是学会了某种知识，而是培养了学生能力。

教学情境就是以直观的方式再现书本知识所表征的实际事务或者实际事务的相关背景[ 3 ]。建构主义认为，学习者应该在真实或接近于真实的情境中，用探究或自主发现的方法完成对知识的建构，真实情境指真实世界的物理问题，而不是已经被抽象好的物理模型[ 4 ]。情境教学是物理教学中常用的教学方法，而常见的情境类型包括生活化情境、科学史情境和实验演示情境[ 3 ][ 5 ]。生活化情境的呈现形式有口头表达、音频视频和图像等，科学史情境的呈现方式有文字材料、口头表达和珍贵图像等，实验演示情境的呈现方式包括视频动画、演示实验和学生实验等，是很好的教学载体。情境呈现的方式多样，但教学效果各有不同，很多教师理解运用浅显，且注重物理知识的教学，伴随着物理知识学习而发生的科学思维往往被忽略。因此，本文提出创设真实情境，挖掘情境内在，显性化科学思维培养过程。

笔者尝试创设真实情境联系科学思维，为保证情境的真实性，创设的情境类型有生活情境和科学史情境，为展现显性化科学思维过程，以“自由落体运动”为例，本节内容学生拥有大量生活经验，便于创设生活化情境，教材科学史料丰富，具有创设科学史情境的基础，两种情境增强教学的趣味性，更容易激发学生学习兴趣，显性化科学思维，培养核心素养。

1  生活情境

生活情境是物理教学中常用的一种教学情境，是基于学生生活实际创设的真实情境，学生具有一定的感性认知，由此激发学生学习兴趣，积极主动探究学习，有利于培养学生科学思维。生活情境是物理教学中最常见的一种教学情境，一般遵循着创设生活情境、暴露前概念、纠正错误前概念和形成正确观念的步骤，如图1所示。

显性化科学思维的生活情境依然遵循生活情境教学的一般步骤，情境教学中需要突出科学思维，创设生活情境引入教学，帮助学生表达出自己的观点、基于现象推理论证和抽象出自由落体运动模型。以《标准》对科学思维发展水平的划分为评价标准，显性化科学思维培养过程，如表1所示，具体教学过程如下。

1.1  创设生活情境

生活情境：秋天是丰收的季节，果实熟透后就会自然下落，树叶也会飘落，但是自然下落的果实容易摔坏（如图2），而树叶飘落却安然无恙（如图3），同时熟透的果实保存时间短，因此通常提前采摘。

情境来源于生活，学生熟悉生活中的场景甚至亲身经历过，但是不知道该如何分析这一实际问题，但是学生拥有不同的前概念，这就是教学的切入点。

1.2  具体教学过程

情境问题：由图2与图3可知苹果与树叶下落，试问两者谁先落地？

生：苹果

师：得出什么结论？

生：质量越大物体下落越快。

师：我们用物理量描述物体下落快慢吗？

生：速度。

师：总结一下，可以得到什么结论？

生：因为苹果质量大所以苹果的速度大，即质量越大的物体下落的速度越大。

师：现实生活中都是这样吗？

生：不是。

师：能举出例子吗？

生：两张相同的纸，揉成一团比展开的纸下落更快。

师：很好，什么造成这一现象呢？

生：可能与其他物理因素有关，比如形状。

师：可以作出哪些猜想？

生2：物体下落速度可能与物体的体积有关。

生3：物体下落速度可能与物体的种类有关。

师：很好，通过刚刚的问答，同学们知道物体下落速度可能与质量、形状、体积有关，接下来我们探究影响物体下落的因素。

设计意图：科学思维包括科学推理与科学论证，在具体教学中，教师通过引导学生进行观察情境，回答情境问题，学生由观察、分析得出结论物体越重下落速度越快，即质量越大的物体下落速度越大;又有理有据地对“物体质量越大的物体下落速度越大”这一结论质疑，举例说明，培养学生科学思维。

2  科学史情境

物理学史是科学史的分支，是物理学科的重要组成部分，从物理学科的发展来看，物理学包含两类重要的知识体系，一类是物理学的研究成果，另一类是物理学的研究。教学中构建科学史情境，呈现科学家的研究历程包括科学家发现问题、构建模型、提出假设、验证假设和得出结论，显性化科学家的思维方式，有利于科学思维教学。科学史情境也是物理学科教学中常用的一种教学情境，有重历科学家思维历程、提出假设、模仿假设验证途径和得出结论的一般教学步骤，如图4所示。

显性化科学思维遵循科学史情境教学的一般步骤，创设科学史情境进行教学，帮助学生基于证据表达出自己的观点、质疑已有观点、重历科学家的研究途径推理论证和建立自由落体运动模型。以《标准》对科学思维发展水平的劃分为标准，显性化科学思维，如表2所示，具体教学过程如下。

2.1  创设科学史情境

科学史情境：亚里士多德通过观察、归纳和总结等步骤得出结论，物体越重下落越快，伽利略经由发现问题、提出假说、验证假设和得出结论四个步骤得出结论，总结得出所有物体下落的一样快，以及自由落体运动规律。

科学史情境来源于历史，学生并没有经历过，在教师的引导下，学生通过情境了解，判断历史观点的正误、陈述观点、作出假设和验证假设，从而学习历史上科学家的思维方式和研究方法，显性化科学思维。

2.2  具体教学过程

2.2.1  重历科学家思维历程

情境问题：同学们已经了解亚里斯多德与伽利略如何做研究，请同学们总结一下两者所用的方法？

生：亚里士多德通过观察、归纳和总结的方法做研究，伽利略的方法有发现问题、提出假设、验证假设和得出结论四个步骤。

师：两种方法怎么用？

生：觀察、归纳和总结通过观察将事物的共性归纳在一起，用凝练的语言陈述，伽利略的方法不太懂。

师：很好，看来同学们对亚里士多德的方法已经比较熟悉，伽利略的方法不熟悉也没关系，后面我们一起学习。请问同学们支持两者谁的观点？

生1：我支持亚里士多德的观点，亚里士多德的方法，总结我们生活中的物理现象得出结论越重的物体下落越快。

生2：我支持伽利略的观点，当我们将两张重量相同的纸从同一高度释放，揉成一团比展开的纸下落更快，说明越重下落的越快是错误的。

师：很好，同学们的观点有理有据，但两个不同的结论说明存在物理因素影响物体下落，历史上伽利略通过逻辑推导否定亚里士多德的观点，同学们能用逻辑去论证吗？

提示：重物与轻物对比，若两者连接在一起呢？

生：我知道，物体重的下落的快，轻物下落的慢，当两者相连，两个物体相连质量叠加，下落的比单个重物快，又从速度的角度看，速度为重物与轻物速度的平均值下落比单个重物慢，两个结论矛盾。

师：很好，看来同学们是真的明白了，接下来请大家根据已知作出猜想，究竟是什么因素影响物体下落？

......

生：物体下落受空气阻力影响。

师：同学们能抽象出自由落体运动的模型吗？

生：可以，只受重力作用的物体由静止开始下落的运动就叫自由落体运动。

设计意图：科学论证和质疑创新是组成科学思维的要素，在重历科学家思维历程的过程中，教师以建立自由落体运动模型为最终目标，引导学生对已知观点进行判断，寻求支撑点阐述自我观点，显性化科学论证与质疑创新，最终完成对自由落体运动的模型建构。

2.2.2  提出假设

师：现在我们建立了自由落体运动模型，自由落体运动有什么规律呢？

生：会不会是做匀速直线运动？

师：没错，是直线运动，是匀速吗？

生：不是，物体越落越快。

师：同学们不妨对相关物理量作出假设。

生：速度v随位移x的增加而增大，随速度v随时间t变化。

师：具体是怎样呢？

生：不知道。

师：没关系，我们来看一下伽利略作出的假设，伽利略坚信“自然界总是习惯于运用于最简单和最容易的手段”，于是假设v∝t或v∝x，同学们认为两个假设哪一个更合理呢？

生：v∝t更加合理，遵从伽利略“自然界总是习惯于运用于最简单和最容易的手段”的信念，类比匀加速直线运动的速度与位移公式，速度随时间的变化更加简单。

师：很好，我们假设v∝t。

设计意图：科学推理是组成科学思维的要素，在提出假设的过程教师不断提出问题，引导学生基于已知信息去分析、推理，最终提出假设，显性化科学推理。

2.2.3  模仿假设验证途径

师：同学们的假设和伽利略相同，伽利略所在年代有沙漏、刻度尺等简单工具，若我们也只利用一些简单工具，该怎样去测量？

生：时间可以用秒表或手机软件测量，速度是瞬时速度，能不能用平均速度代替？

师：平均速度确实能代替瞬时速度，但是在这里真的可行？

生：可以替代，但是会很麻烦。

师：没错，同学们能不能转换假设v∝t的表达式？

生：能不能类比匀变速直线运动中v∝t，则x∝t2。

师：很棒，伽利略通过数学推导，得出有v∝t，则x∝t2，请同学们观察演示实验。

演示实验：从不同的高度释放物体，测出下落时间，并记录数据。

师：同学们观察到什么现象？

生：物体下落太快，时间太短。

师：会导致什么结果？

生：实验误差大。

师：没错，实验误差太大，而伽利略当时也是如此，但伽利略通过增加运动时间，斜槽实验，间接证明假设。

设计意图：模仿假设验证途径中，不局限学生表达不同观点的思维，只是需要教师引导在科学家的研究思路上前行，科学家可能是几百年前做的实验，但在有限的条件下，他们的实验往往是最简洁，沿着这一途径不断激活学生思维，表达他们的观点，显性化科学思维。

3  小结

创设情境落脚于真，情境类型有生活化情境和科学史情境，两者都是发生在真实世界的物理事件，抽象出两种情境教学的一般步骤，沿着一般步骤教学，引导学生进行分析、推理，基于证据表达观点提出质疑和抽象模型，以《标准》对科学思维发展水平为标准进行评价，显性化科学思维，培养核心素养。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 朱智贤，林崇德.思维发展心理学[M].北京：北京师范大学出版社，1986.

[3] 应俊.创设教学情境  激活课堂思维  发展核心素养——以高中物理“超重与失重”教学为例[J].物理教学，2020，42（4）：12-14.

[4] 周祎，马如宝.创设真情境，探究真问题——以phyphox软件为支架的“牛顿运动定律的应用”教学设计[J].物理教学，2019，41（8）：2-6.

[5] 姬宏斌.创设教学情境，激活课堂思维，发展核心素养——以高中物理“电磁感应现象”教学为例[J].物理教学，2019，41（7）：37-38.