指向批判性思维能力培养的高中物理教学策略

【摘 要】批判性思维能力属于高考评价体系中“关键能力”的重要组成部分，是学生必备的科学素养之一。以“粒子的波动性”一节的教学为例，依据“感知—质疑—假设—推理—判断”课堂教学模型，探索指向批判性思维能力培养的高中物理课堂教学策略。

【关键词】批判性思维;课堂教学策略;高中物理

【中图分类号】G633.7  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2021）45-0012-04

【作者简介】祁红菊，江苏省奔牛高级中学（江苏常州，213131）教师，高级教师，常州市学科带头人。

《中国高考评价体系》指出，我国的高考评价体系主要由“一核”“四层”“四翼”三部分内容组成。“四层”中的“关键能力”包含知识获取能力、实践操作能力和思维认知能力，而思维认知能力主要包括形象思维能力、抽象思维能力、归纳概括能力、演绎推理能力、辩证思维能力和批判性思维能力等六个方面。清华大学钱颖一教授认为，批判性思维是人的思维发展的高级阶段。如果按照层次或深度来划分，可将科学思维分为浅层思维和深层思维，批判性思维是深层思维中的高阶形式，也是创新思维的重要特征之一。

批判性思维主要包含以下三个特征：一是批判质疑，即“会在深入思考的前提下提出质疑”，这是批判性思维的起点;二是论证判断，即“会通过证据推理作出有说服力的判断”;三是实践评价，即“会在实际应用的过程中反馈和评价”。这里的“批判性”并不是否定意义上的“批判”，而是审辩和思辨式的、多具有建设性和创新性的评判。为此，在高中物理课堂教学中可依据“感知—质疑—假设—推理—判断”的模型来进行设计，如图1所示。

本文以人教版高中物理选修3-5第17章第3节“粒子的波动性”为例，结合上述模型谈谈在高中物理课堂教学中培养学生批判性思维能力的策略。

一、主要教学过程

1.情境感知，提升学生学习的内驱力。

活动1：“光的双缝干涉实验”被评为“十大最美丽的物理实验”之一，也被称为是历史上最“诡异”的物理实验。请同学们观看视频“双缝干涉实验：一个颠覆人类世界观的物理实验”，然后小组讨论，并提出自己的观点、想法或疑问。

【设计意图】在此前的学习中，学生已经观察过光的干涉现象，对光的粒子性也有一定的了解，该视频不仅重温了经典的“光的双缝干涉实验”，而且指出了一个一个光子经过双缝前、后的“诡异”之处。学生观看以后，很受震撼，讨论非常热烈，提出了很多在高中物理阶段无法解决的想法、观点和问题，教师顺势推荐《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》等课外科普书籍，建议有兴趣的学生课后阅读。创设与学习主题相关的真实情境，能够促进学生内化知识，能够以直觀的矛盾冲突激发学生的学习兴趣和激情，从而有效地提升学生学习的心向和内驱力。

2.重温史实，培养学生反思质疑能力。

活动2：有记者曾问物理学家布拉格：“光是波还是粒子？”布拉格幽默地回答道：“周一、三、五它是波，周二、四、六是粒子，周日物理学家休息。”那么光到底是什么？请同学们根据课前布置的任务，按时间的顺序，遵循科学家的思维足迹，重温人们对光本性认识的发展历史。

活动3：请根据你在课前查阅的资料说明，“光”这种“粒子”跟牛顿“粒子说”中的“粒子”，“光”这种“波”跟惠更斯“波动说”中的“波”有什么不同？

活动4：在现实生活中，我们很难想象一个物体既具有粒子性又具有波动性，也很难将看似矛盾的粒子性和波动性糅合在一个物体身上。请你根据所学过的知识，寻找将光的粒子性和波动性完美结合在一起的“桥梁”。

【设计意图】依据“学习即研究”的观点，学生学习的过程就是研究的过程。通过物理学发展史，学生既要学习和掌握科学家在千万次尝试中得到的正确的科学论断，也要借鉴科学家从失败中汲取经验和教训的思维过程。在人们对光的认识的发展历程中，充满了质疑后提出新观点、搜集证据推理论证、作出判断得出新结论，然后在实践中评判和反思的批判性思维过程。借助物理学史组织教学，既可以有效地培养学生不盲从文本、不迷信权威的质疑和批判能力，还可以被科学家执着的科学精神和毅力所感染，树立正确的价值观和世界观。

3.引导探究，培养学生提出新主张的能力。

活动5：在奥斯特发现电流磁效应之前，很多科学家都认为电与磁是没有任何联系的，库仑就曾断言：电与磁完全不同，它们不可能相互作用或转化。同样的道理，在20世纪之前，人们也都不会想到，波和粒子之间会有联系。根据此前所学内容我们已经知道，光这种波也是具有粒子性的。受此启发，请同学们发挥想象、大胆猜想，能否提出新的问题或观点？小组讨论，提出观点，分享结论。

【设计意图】在该部分教学中，教师先通过人们对电与磁关系认识的发展过程启发学生，让学生将光的波动性与粒子性之间的关系与之类比，然后引导学生发挥想象，类比分析，学生经过讨论以后，很容易就会提出新的观点——电子等实物粒子也是具有波动性的，教师此时一定要大声告诉学生：伟大的物理学家德布罗意也是这样思考并提出著名的物质波理论的。培养学生批判性思维能力的目的之一，是以反思和质疑为起点，引导学生最终能提出新的观点和主张。通过引导，设置探究，培养学生批判性思维能力也是培养学生创新精神和创新能力的重要手段。

4.搜集证据，培养学生的推理求证能力。

活动6：1924年，法国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者德布罗意用类比的方法来分析问题，他跟刚才同学们的思路相同，非常大胆地把光的“波粒二象性”推广到电子、质子、中子等实物粒子，并提出假设：实物粒子也具有波动性，这种波称为“物质波”。若已知某一实物粒子的动量为p、能量为ε，请根据德布罗意的思路，推导出实物粒子物质波的波长和频率的表达式。小组讨论，提出观点，分享结论。

活动7：17世纪以来，牛顿的“微粒说”和惠更斯的“波动说”一直争论不休，但谁也说服不了谁，直到19世纪初期托马斯·杨完成了著名的“杨氏双缝干涉实验”，光的微粒说才暂时偃旗息鼓。请你设计一个实验，来证明德布罗意“实物粒子也具有波动性”假说是否正确。小組讨论，提出观点，分享结论。

【设计意图】提出新的观点“实物粒子也具有波动性”以后，学生很自然地就想知道，这种物质波的波长和频率由哪些因素决定。此时，教师不是将结论直接告知学生，而是引导学生将类比进行到底：再将实物粒子的波动性与光的波动性相类比，让学生通过自己的分析和研究推理出物质波波长和频率的表达式。假说是否成立，需要通过实验的检验，教师再次启发学生，让学生类比杨氏双缝干涉实验设计验证实物粒子也具有波动性的实验。搜集证据，然后类比推理，最后实验求证，是非常重要的物理学科研究思路，在高中物理教学中应用也非常广泛。通过此种方法，可以快速理解新知识，掌握新规律。利用类比思想进行分析和研究，然后通过推理得出结论，是批判性思维的能力要求之一。

5.实践应用，提升学生的评判反馈能力。

活动8：除了电子以外，后来科学家还陆续通过实验证实了质子、中子以及原子、分子等实物粒子的波动性。由此可以得出结论：一切微观实物粒子都具有波动性。据此你能否可推理得出：一切宏观物体也具有波粒二象性？如果能，请说明理由。小组讨论，提出观点，分享结论。

活动9：宏观物体是具有波动性的，但在宏观物体运动时，我们为什么观察不到它们的波动性呢？请你设计一道实际问题，并通过数据计算，说明原因。

学生设计了不少情境并进行了计算，典型案例如下：

（1）假设有一颗质量为m =10-2kg的子弹，当它以v=500m/s的速度射出枪口时，对应的德布罗意波长λ = [hp] = [hmv] = [6.63×10-3410-2·500] m = 1.3×10-34 m = 1.3×10-25 nm。波长太小，波动性太弱，无法测量，观察不到。

（2）一只乒乓球的质量m =2.7g，国际大赛中乒乓球的球速平均约为10m/s，对应的德布罗意波长λ = [hp] = [hmv] = [6.63×10-342.7×10-3·10] m = 2.5×10-32m = 1.3×10-23 nm。波长太小，测量不出来。

活动10：已知电子的质量m=9.1×10-31kg、电荷量e=1.6×10-19C，则电子从静止开始经过192V电压的加速后，其德布罗意波的波长多大？

学生根据动能定理eU = [12] mv2-0，及λ = [hp] = [hmv]，联立后代入数据可得λ=0.91nm。

针对此例，教师要向学生强调：在电磁波谱中，γ射线的波长最短，最小达10-5nm的数量级。上例中电子德布罗意波的波长大小处于电磁波家族中的x射线波段，故该电子的波动性较为明显，可以被观察到。但在学生设计的实例中，子弹和乒乓球的德布罗意波波长即便是跟γ射线相比，也小得太多。因此，对宏观物体而言，其波动性可以忽略，只考虑其粒子性即可。

【设计意图】从电子等微观粒子具有波动性，推广到一切宏观物体都具有波动性，还是有一定的思维障碍的，所以教师在此处设计了问题，并让小组讨论。同时，电子等微观实物粒子因摸不着看不见，距学生的生活实际比较遥远，但宏观物体则不然。学生心里肯定会有这样的疑问：在现实生活中，一般的宏观物体运动时对应的物质波波长有多大？我们能直接观察到吗？所以教师让学生根据日常生活实际，设计计算宏观物体德布罗意波波长大小的试题，并进行数据计算，然后再根据计算结果，进行分析、比较和评判。教师在课堂上教授的知识，只有跟工农业生产或生活实际相结合，才能解答学生的疑惑，加深对概念或规律内涵及外延的深刻理解。在应用中评判所学知识，再从评判中得到反馈，这也是培养学生批判性思维能力的重要目的之一——学会正确应用新知，并反思验证。

二、教学总结及反思

批判性思维是基于逻辑推理的合理的反思性思维，是一种从事思维活动的倾向或技能，是一种用怀疑的态度去关注决定相信什么或做什么的心智活动，是在查验问题与证据基础上对结论进行评价并提出初步解决方案的能力，故批判性思维是一种高阶思维，其思维的起点在于质疑与批判。因此，提升学生批判性思维能力的前提和首要任务，是要培养学生的质疑和批判精神。那么，如何才能有效地培养学生的质疑和批判精神呢？一是在介绍物理学史时，一定要将科学家在质疑后尝试、在失败中奋起、在曲折中前进的过程重现给学生，让学生从他们成功的经验中学到正确的质疑和批判方式。二是有意识地去培养学生不迷信文本、质疑文本的习惯。比如在学习“机械运动”概念时，问学生有没有“非机械运动”;学习“静电场”时，问学生有没有“非静电场”;学习“机械波”时，问学生有没有“非机械波”;等等。三是通过“示错”的方式培养学生质疑习题的习惯，比如质疑习题的题设条件是否充分、能否自洽、有无歧义、习题答案是否全面、是否准确、结论是否合理等。总之，只有教师自身具有质疑和批判精神，并能在教学中采取有效措施，才可以培养出符合时代要求的、具有良好科学素养和批判性思维的创新人才，从而服务于社会的发展与进步。

【参考文献】

[1]教育部考试中心.中国高考评价体系[S].北京：人民教育出版社，2019.

[2]汪明.指向高阶思维的物理课堂深度学习模型[J].物理教学，2021（1）：20-25.

[3]杨帆，徐连清，王健.批判性思维能力的培养与考查[M].北京：高等教育出版社，2014.