高中物理“科学思维”培养的策略

王峰 徐慧

【关键词】科学思维;高中物理;培养策略

【中图分类号】G633.7  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2021）54-0110-05

【作者简介】1.王峰，南京师范大学附属中学（南京，210003）教师，高级教师;2.徐慧，南京师范大学附属中学（南京，210003）教师，一级教师。

科学思维是学生在学习物理的过程中形成的关键能力，是物理新课程核心素养的重要内容，无论是学生进行科学探究活动，还是物理观念和科学态度与责任的形成，都需要科学思维的支撑，因此科学思维水平的高低会显著影响其他物理核心素养水平的高低。

《普通高中物理课程标准（2017年版）解读》一书中指出：高中阶段的学习，要发展学生的科学思维，需要从四个方面进行教学设计和实施：（1）培养学生建构模型的意识和能力;（2）让学生能正确运用科学思维方法，从多个方面进行科学推理、论证物理现象;（3）提升学生使用科学证据的意识和评估科学证据的能力;（4）培养学生的批判性思维，让他们能基于证据大胆质疑，并能基于各类平台勇于创新。

一、模型建构意识的培养

因为有些物理问题的原理、情景、过程和方法常常相似或一致，由此可将其归纳为物理模型（高中常见物理模型如图1所示），掌握好这些模型可以使学生对问题的理解更深刻、模型建构更顺利、分析思路更清晰、解题过程更高效，而这些效果又进一步强化了学生对模型的融会贯通，提升学生的物理学习品质。以上逻辑关系可以用“因果关系罗盘图”（见下页图2）进行展示。因此，在物理学习过程中培养学生遇到问题时养成“忆模”“建模”“析模”“用模”的意识和习惯是十分有价值的。

在平时教学过程中，教师要善于引导学生对典型问题进行归纳整理，从原理、情景、过程和方法等多个维度进行分析推演，充分理解和内化模型，在解决一些问题的时候要适时进行模型回顾比较，让学生解决物理问题时养成回顾模型的意识和习惯。

当然对物理模型也要辩证地看待：（1） 并非每个问题都要建模，不少问题的分析过程没有模型依据;（2）模型通常是有条件的，不能随意套用;（3）模型不宜过多过细，否则会增加学习负担;（4）有些复杂的问题，需要多模型组合分析。

二、科学推理能力的提升

“科学推理”常指依据科学原理和规律进行逻辑推理的过程，科学推理过程重视科学性和严谨性。逻辑推理一般包括演绎推理和归纳推理，物理教学过程中要充分用好各类素材，运用合理设问、分步引导、猜想论证等方式，引导学生进行科学、严谨地推理，让学生在层层推进、环环相扣的学习过程中，提升科学推理的能力和水平。

在教授新的物理概念时，要鼓励学生采用多种思路进行科学推理。例如在“向心加速度”的教学中，用两种方法：一是依据牛顿第二定律确定加速度;二是依据加速度的定义确定加速度。再对比人教版新旧教材发现，旧教材是先讲向心加速度再讲向心力，而新教材则是先讲向心力再讲向心加速度，与这两种方法吻合，说明这两种思路都有价值和意义。

在教授新的物理规律时，要引导学生依据理论和实验相结合的方式进行科学推理。可以采取“猜想—设计实验—实验现象—总结结论”“观察实验—发现问题—总结归纳—得到理论”或者“已知理论—设计实验—观察现象—验证结论”等方式，不同的方式会运用到不同的逻辑推理，经过长时间的教学，会促进学生不同类别的推理能力的提升。例如“机械能守恒定律”在旧版教材中是验证性实验，在新教材中改为探究性实验，鼓励学生探究未知事物和规律，并给学生提供科学推理的思路。

在综合应用物理规律时，既要学生形成科学推理的思维模式，又要让学生形成大胆质疑，打破思维定势，不断创新的能力。例如，在“机械能守恒定律综合应用”的教学中，要善于设置层阶式的问题：单个物体的机械能守恒→多个物体的系统机械能守恒→单个物体和外界有能量交换→多个物体与外界有能量交换……在分析推理的过程中让学生感受到“既守恒”又“不守恒”的辩证关系，“守恒定律”要“灵活、拓展、创新”地使用，由此切实地提升学生科学推理的能力水平。

三、科学论证意识的养成

物理学中许多结论的得出都要进行科学论证，一般从理论和实验两方面进行。历史上许多物理学家进行科学研究的过程都遵循这样的规律，抓住这些素材进行教育教学，可以让学生对科学论证有深刻的认识。当然如果能够创设情境，让学生参与到研究的过程中去教学效果更佳。下面以“两个铁球同时落地”的物理学史内容为例，展示科学论证意识培养的教学设计尝试。

1.动力学建模研究——理论研究。

伽利略在比萨斜塔上用实验证实了“轻重物体应该下落得一樣快”的观点。然而这件事情可以进一步推敲，在空气阻力存在的前提下，如果实验条件发生改变，那么两个铁球一定同时落地吗？

对变阻力过程进行动力学建模（图3）研究，考虑速度和截面积对阻力的影响，采用控制变量法，比较密度相同、质量不同的球体下落的快慢。

设质量关系为m2=10m1，则截面积关系为S2=[1003S1]，取阻力“f=kSvn”中的n=2（接近实际情况）进行研究，模拟绘制两个球的“位移-时间”图像，如图4所示。

由图可得：①当高度h=58.4米时（比萨斜塔的高度），两球下落的时间几乎相等;②当下落高度h>300m时，落地的时间差别比较明显（接近0.1s）。因此伽利略的结论必须在高度不太大的条件下才近似成立。

2.改良实验进行探究——实验论证。

采用密度很小的塑料泡沫球进行对比研究，因阻力占比较大，所以两球落地时间明显有差异，现场请学生来进行实验验证，效果明显（见图5），其他学生自然信服。

通过互动情景的设置，结合理论推证、实验验证等教学环节，让学生体会科学论证的过程和方法，学生的学习积极性得到了很大程度的激发，课后学生还主动做了几个拓展性实验进行研究，可见学生的科学研究热情和意识被较好地调动起来了。

四、质疑创新素养的形成

宋代理学家朱熹说过： “学贵有疑，小疑则小进，大疑则大进。”物理教学过程中质疑创新是提升学生学科思维能力的一个重要途径，其含义是基于物理事实证据和科学推理对不同观点和结论做出反思和质疑，并进行检验和修正，进而提出创造性见解的品格和能力。它可以打破学生简单被动的学习方式，激发他们学习的主动性和积极性。

目前中学生的质疑能力现状不容乐观，图6展示了四大原因、四大影响以及相互之间的因果逻辑关联，由此可见提升学生质疑习惯意识的迫切性。

虽然面对这样的现状教师常常会为难，但在新课程教学推进的过程中，笔者努力寻找其中的合理平衡点，兼顾教学任务的高效推进和学生质疑能力的有效提升。主要有以下几点做法。

1.设置“问题导学”的学习板块，培养学生质疑的意识。

爱因斯坦说过：“提出一个问题比解决一个问题更有意义。”在教学过程中笔者尝试在不同类别的内容中设置“问题导学”的学习板块，引导学生学会质疑，并尝试自己提问，例如——

①概念类：圆周运动的线速度定义为“[弧长时间]”，那么线速度是矢量吗？若是，那如何解释与定义（标量）的矛盾？

②规律类：小灯泡是非线性元件，但它的电阻却可以用[R=UI]来求解。欧姆定律只适用于线性元件吗？

③模型类：质点、点电荷、点光源等模型的建立过程有哪些异同？

④实验类：牛顿第二定律实验中小车匀速运动可以用眼睛看出来吗？

⑤器材类：验电器、静电计和电压表的工作原理有何异同？

…………

这些问题既是引发学生对知识内容的思考，也是教学生如何去进行提问，为质疑意识的养成做出铺垫。

2.规律应用教学中留出必要的提问时间，鼓励学生大胆地质疑。

物理规律在实际生活的应用过程中会遇到许多条件或情景的影响，而鼓励学生对这些因素进行质疑，可以激发他们的思维火花。比如在关于“宇宙航行”规律应用课中给学生时间进行提问，學生提出了不少问题：

①若地表卫星发射速度大于第一宇宙速度但小于第二宇宙速度，则卫星会做怎样的运动？（改变初始条件，运动规律会发生怎样的变化？）

②物体以第一宇宙速度发射，但速度不沿切线方向发射会如何？（改变初始条件，运动规律会发生怎样的变化？）

③第二、三宇宙速度是如何推导出来的？（追根究底的思维习惯）

④在地球周围运动的卫星如何实现相互追及？航天设施如何实现与太空空间站的对接？（回忆运动学中的追及问题，引申到太空追及问题）

…………

问题不断被提出来，学生的质疑热情也被激发出来了，这是笔者期望的，但是教师也要适当调控，分类引导，以平衡“教学进度”与“探究深度”的关系。

3.把握物理实验中的良好契机，引导学生观察、思考和质疑。

物理是以实验为基础的学科，大量物理概念规律都和实验直接相关，所以做好实验是物理教学中的必要环节，而在此过程中把握好各种教学契机，可以有效提升学生的问题意识。另外，从2021年开始江苏高考物理实验题改为1道题，导致实验题会更具综合性和系统化的特征，这也要求实验教学必须通过多思考、多质疑、多创新等方式拓宽其深度和广度。

比如在新人教版教材必修三“用传感器观察电容器的放电过程”实验，教材中用电流传感器检测电容器放电的过程，教学过程中可以进行多层面、多维度的拓展和质疑，核心问题为：

（1）为什么电流的变化率是减小的，而不是恒定的？（考虑变化趋势）

（2）充电过程会具有怎样的变化电流？（不同过程的对比研究）

（3）电容器充、放电时的电压会如何变化？（电路物理量的延伸考量）

（4）电流和电压变化的趋势为什么会相似？（欧姆定律的应用）

（5）电流或电压与时间的函数关系是什么？（高学力学生的进阶问题）

这些问题可以促进学生对电容定义、电流强度定义、欧姆定律有更深的理解，也可以提高学生用数学函数、导数甚至是积分的方法分析物理问题的能力水平。

在物理教学过程中，教师如果能经常引导学生大胆质疑和提问，并充分地交流和研讨，那么长期来看，课堂教学的效果必定是非常出色的，学生的思维品质和学习质量的提升也是必然的，学生学习物理的畏难情绪也会逐步消除。

当然，质疑并不是目的，还要创设平台引导学生在质疑求证后进行创新，限于篇幅，这里暂不展开了。

综上，对物理这样一个以实验为基础、侧重理性思维的学科，科学思维天然应成为它的高权重内容，辅以其他内容的整合，系统化地开展教学研究和实践是提升教学质量必由之路。当然科学思维的培养过程也要防止陷入误区，因此，我们要有如下几点意识：（1）科学思维培养因人、因时、因内容而异，教学时应采取不同教学策略;（2）科学思维的养成过程具有长期性和复杂性，不可急于求成，要循序渐进;（3）科学探究、物理观念、科学态度与责任等在物理教学的过程中也是十分重要的，不能科学思维“一家独大”，学生思维品质的提高过程是一个系统化的复杂工程，要各方面的素养协同发展。

小道循技、大道求真，作为物理教师要不断磨练自己的教学手段、方法和技能，将物理概念规律更科学、合理、智慧的教授给学生，同时更要引导学生学会思考、敢于质疑、勇于创新，达成“青出于蓝而胜于蓝”的教学实效。

【参考文献】

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[5]刘振雄.核心素养下的物理学科深度学习[J].中学物理教学参考，2021，50（11）：4-6.