基于深度学习下的物理科学思维的培养

焦润勇 叶成林

摘 要：物理深度学习强调对学生科学思维能力的培养，科学思维能力包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑和创新等要素.本文从四个方面阐述教师在教学过程中应如何培养学生的科学思维，促进学生的深度学习.

关键词：科学思维;深度学习;模型建构

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）24-0044-03

基金项目：江苏省中小学教学研究第十三期重点资助课题“初中物理科学探究中培养学生批判性思维的策略研究”（项目编号：2019JK13-ZA16）;仪征市立项课题“基于初中物理实验教学的‘深度学习策略研究”（项目编号：2020/G/L017）.

作者简介：焦润勇（1974-），男，江苏仪征人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理课堂教学;

叶成林（1969-），男，江苏仪征人，本科，中学高级教师，研究方向： 中学物理课堂教学与实践研究.

物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任等四个部分.科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.物理深度学习有利于训练学生科学思维能力，即帮助学生在掌握学科知识的基础上，进一步从物理角度认识和了解自然，引导学生再现物理探究的过程，合理使用科学探究方法，养成用物理科学思维解决物理问题以及生活中实际问题的良好习惯，提高学生创新能力以及实践能力.那么，如何培养学生的物理科学思维？笔者从以下几个方面做出尝试.

1 在模型建构过程中培养学生的科学思维

模型是对实际问题的抽象描述，构建物理模型是研究物理问题的科学思维方法.在物理教学中，教师创设真实情境，引导学生在真实情境中提出问题、解决并产生新问题，将情境与抽象概念进行模型建构，不仅有利于学生对所学知识深度感悟，又能培养学生模型建构思维.通过物理模型建構，使得许多抽象的物理知识具体化、直观化、形象化，驱动学生深度思考，引导学生自主建构、发展学生物理学科素养并促进学生深度学习.

比如，在学习定滑轮的使用后，学生很容易建构定滑轮是等臂杠杆的模型，但这一建构却对动滑轮的模型建构形成负迁移，学生不假思索地认为动滑轮的支点也是轴心.为了防止学生出现这一错误假想，教师可以不急于抛出动滑轮的模型建构，而是引导学生一起回忆杠杆的概念，并强调支点是杠杆旋转的点，而不是杠杆移动的点.然后，教师引导学生动手尝试，通过提醒学生观察动滑轮在提升物体时滑轮的轴心是否移动，大部分学生不难发现，轴心和物体连在一起，物体移动轴心一定会移动，不符合杠杆支点的定义.那支点会在哪里？这时，教师可以让学生完成杠杆五要素（如图1所示），再类比动滑轮，学生很容易发现支点在最左侧的接触点处，也顺理成章过渡到图2、图3，学生对动滑轮的实质理解更加深刻.

科学思维过程化，是指通过学习问题过程化，在短期内加深学生对物理模型的理解，进一步熟悉每个物理知识点的特点.在熟练掌握物理模型的基本特征后，加深学生物理学科的深度学习能力，进一步促进学生物理科学思维的发展.

2 在科学推理过程中培养学生的科学思维

科学推理是学生根据现有知识和所给条件与事实，进行逻辑思维推导，做出自己的判断，形成正确结论.学生学习的过程不仅仅是简单的信息积累，更是新旧知识和经验之间的认知冲突，并由此产生认知结果的推理和重组.在物理教学中，教师根据实验引导学生创设情境，运用已有知识和方法进行互动，进一步进行逻辑推理，从而得出正确结论.

物理是以实验为主的科学，探究活动是获取知识的手段，其中探究方案的设计本身要求较高的严谨性和逻辑性，方案的设计过程其实就是一次严谨的自我反思和自我批评的过程，有经验的教师会在方案制定过程中培育学生探索性与逻辑性的思维特质，对已有知识进行演绎与推理，同时能有效地发展学生科学思维.

比如，在探究电流做功大小与哪些因素有关时，学生猜想后接着要设计方案，一些教师首先给出电路图，讲解此电路控制什么变量，改变什么变量，学生应该做什么？怎么做？一步一步朝着想要的结论带领学生验证，将学生“灌”的晕头转向，学生越学越觉得困难、乏味.如果换一种方式结果会是怎么样？

师：如果探究W与U的关系需要控制什么变量？

生：I和t.

师：电路需要串联还是并联？

生：串联，控制I、t一定，改变U即可.

师：串联电路怎样让导体两端电压不相等？如何知道电压不相等？

生：根据串联分压特点，让两只灯泡规格不同即电阻不同，分担电压不同，在两只灯泡两端并联电压表跟踪观察并比较谁的电压大.

师：I、t一定，电流对哪只灯泡做功多？你准备观察什么？

生：我准备观察小灯泡的亮度，I、t一定时，电流做功越多，电能转化为光能越多，灯泡就越亮.

生：为保护电路还要增加滑动变阻器.

这样，教师创设深度思考的氛围，学生顺利地从电路图图4过渡到图6，学生通过质疑、批判、肯定实现思维进阶，提高分析与处理问题的能力，训练科学推理能力，真正成为学习的主人，最大程度地发挥学生的主观能动性.

3 在科学论证过程中培养学生的科学思维

科学论证是一种依据科学事实、概念或规律， 运用一定的科学推理方法，证明一个观点或结论是否正确的科学思维.此过程可以在更高层次上促进学生思维能力的发展.在物理教学中，教师引导学生科学交流，在深入分析的基础上，取得事实证据支持以证明自己观点是否正确，有助于培养学生科学论证思维.

如在“家庭电路和安全用电”教学时，针对短路会引起火灾这一教学内容，由于安全等因素很多教师会选择简单陈述，震撼感不强，学生对短路的认识止于浅层学习，并没有认同感.究竟什么是短路，短路能造成哪些危害学生并没有直观的感性认知.教师在教学中可以采用实验，既安全又能激起学生的探究热情.利用两节干电池、导线、包装锡纸、口香糖等器材进行实验.

在实验过程中，一些学生将电池正负两极直接用锡纸连接（如图7所示），此时电源已短路，学生很快因为烫手而松开电池.一些学生经过思考，将锡纸中间用剪刀剪细（如图8所示）串联在电路中，闭合开关形成回路，这次实验现象极为震撼，学生很快观察到锡纸燃烧起来，引起全体学生尖叫呼喊.

这时教师可以请进行图8实验的同学介绍能够让锡纸燃烧起来的成功做法，并引导大家分析原因，再次让全班陷入深思，学生跃跃欲试，争先恐后说出各自的想法.此实验基于真实情境和问题的解决，教师步步深入，引导学生思考建构新的认知，学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到提升.

再如，在“电功率”教学过程中，在面对额定功率、实际功率和灯泡亮度三者关系时，很多学生感觉到头疼，分不清、搞不明.为帮助学生克服障碍，突破难点，教师不妨谋求实验创新：在家庭电路接线板上同时接上四盏灯（如图9所示），并引导学生观察各灯亮度，学生惊奇地发现同样规格灯泡亮度不同.接着教师抛出问题串引领学生深度思考，额定功率大的灯是否一定亮？灯泡亮度由什么决定？“220V 100W”的灯泡实际功率一定是100W吗？后面三盏灯亮度是否相同？能否通过计算证明？学生通过分析电路，进一步推理、判断并加以计算，再通过实验探究能够从本质上理解额定功率、实际功率、灯泡亮度三者关系且不易遗忘.

综上所述，分析是论证的前提，论证是分析的结论.每次实验设计与创新都建立在科学分析论证的基础之上，并根据实验过程中的可靠事实帮助学生证明自己观点，培养学生分析问题能力，发展学生科学论证思维.

4 在质疑创新过程中培养学生的科学思维

质疑是学习者在强烈的好奇心下，敢于独立思考，设难题，敢于大胆发言，热烈讨论，敢于刨根问底，探索未知.而创新是突出已有知识的局限性，从不同角度思考物理问题.质疑是创新的基础，创新是质疑的深化.在物理课堂教学中，教师深度评价，引导学生多提问、多质疑，并鼓励学生创新方法解决问题，培养学生质疑创新思维.

再如，在苏科版物理教材九年级第十五章第四节“电热器 电流热效应”教学过程中，就如何探究电热与电阻关系的实验活动中，教师可以先提供三组不同实验方案，再抛出问题串引领学生进入深度思考，你准备选择哪组器材实验？为什么这样选择？在你选择的方案中，是通过观察什么比较电流通过导体产生热量的多少？水、煤油、空气使用哪组介质现象更为明显？

问题串提出后，全班学生陷入深度思考，部分学生说图11错误，R1电阻丝阻值大，产生的热量多，但散热面积也大，两根火柴头应该同时被点燃，无法比较R1、R2产生热量的多少.

但面对图12、图13两图，班级学生却争论不下，一些支持图12，一些支持图13.这时，教师抓住契机将学生分为两组，分别采用图12、图13两图亲自探究，这时学生的探究热情被点燃，探究欲望更加强烈.学生通过对比实验方案发现，采用图13用时少，实验现象更明显，学生又陷入深度思考，为什么加热空气现象明显？师生共同探讨、分析，得出是因为水和空气的比热容大小不同造成，实现知识迁移.

通过上述“折騰”，学生在器材和实验方案的对比与评价中发展思维，加深理解.

评价是一种价值判断，是一种主观活动.它的作用是指导教学活动，确定活动目标和方向，进行评价和沟通，既能体现语言的准确性、逻辑性和严谨性，又能形成深刻反思，使思维更加深刻.

总之，在物理课堂教学中，教师要紧扣物理学科核心素养目标，秉承发展学生科学思维理念，鼓励学生批判和质疑，引导学生合理建构模型，以事实为判断依据，以逻辑推理为论证手段，以质疑反思为评价起点，进一步培养学生科学思维，促进学生深度学习，发展学生核心素养.

参考文献：

[1]李欣.在物理探究性学习中培养科学精神[J].教育科学论坛，2017（34）：68.

[2]黄建林.“深度学习”视域下实验教学的策略研究[J].教学月刊·中学版（教学参考），2018（09）：61-65.

[3]杨琳.模型思维在初中物理深度学习课堂中的实践[J].中学物理，2021，39（14）：29-32.

[4]陈懋，费志明.基于科学思维培养的初中物理深度学习探索[J].中学物理教学参考，2021，50（01）：18-21.

[5]杨俊龙.深度学习理念下中学生物理科学思维的研究[D].昆明：云南师范大学，2019.

（收稿日期：2021-08-03）