基于科学思维培养的深度学习研究
2022-04-22孙国标杨丽芬
文∣孙国标 杨丽芬
一、概念厘定
物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个维度。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法；是基于经验事实构建理想模型的抽象概括过程；是分析综合和科学推理等方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。科学思维主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新。
所谓深度学习，就是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义学习过程。在这个过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具独立性、批判性、创造性又有合作精神、基础扎实的优秀学习者，成为未来社会历史实践的主人。
二、案例研究
下面就从一道赛题的剖析谈科学思维培养的深度学习。
【题目】(第30届全国中学生物理竞赛预赛第17题)如图1所示，以质量为m、半径为R的由绝缘材料制成的薄球壳，均匀带正电，电荷量为Q，球壳下面有与球壳固连的底座，底座静止在光滑的水平面上。球壳内部有一劲度系数为η的轻弹簧(质量不计)，弹簧始终处于水平位置，其一端与球壳内壁固连，另一端恰好位于球心处，球壳上开有一个小孔C，小孔位于过球心的水平线上。在此水平线上离球壳很远的O处有一质量也为m、电荷量也为Q的带正电的点电荷P，它以足够大的初速度v0沿水平的OC方向开始运动。并知P能通过小孔C进入球壳内，不考虑重力和底座的影响，已知静电力常量为k，求P刚进入C孔到出来所经历的时间。
图1
(一)模型构建的深度学习培养学生的科学思维
物理模型是人们对物理研究对象及其过程的抽象概括，是认识物理问题所形成的心理图式的外在表达。模型构建是培养学生科学思维的重要途径。依据研究问题的性质，物理模型可分为对象模型、过程模型和条件模型。
笔者认为从物理情境到模型构建的思维培养过程可以用图2来表示，以赛题为例剖析说明。
图2
1.对象模型
对象模型是根据研究的对象，抓住主要、本质因素，将物质自身形态理想化，从而建立起能够反映研究对象主要特征的模型。根据题中描述，引导学生构建对象模型，具体见表1。
表1 对象模型
2.条件模型
条件模型是对实际问题的某些条件理想化、抽象后形成的，作用是使问题得以简化。根据题中描述，引导学生构建条件模型，具体见表2。
表2 条件模型
3.过程模型
例如：在学习《爸爸的花儿落了》一课时，文章采用了插叙以及伏笔等方面的写作方法和技巧。教师在教授完课程内容后，适时布置写作方面的作业。让学生运用学过的写作技巧创作一篇《父爱如山》的文章。使其将学习到的技能运用到写作中，加强和稳固语文基础，实现阅读教学的积极开展。
过程模型是在对象模型和条件模型建立的基础上，结合物理规律揭示事物运动、变化的本质。根据题中描述，教师引导学生构建过程模型，具体见表3。
表3 过程模型
(二)科学推理的深度学习培养学生的科学思维
科学推理是一种能从定性和定量两个方面进行推理、找出规律、形成结论，具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力。从逻辑的角度分析，科学推理可分为归纳推理、演绎推理和类比推理。
归纳推理是由特殊、个别的判断推出一般、普遍判断的思维方式；演绎推理是由一般、普遍的判断推出特殊、个别判断的思维方式；类比推理是从某个特殊、个别判断推出特殊、个别结论的一种思维方式。
模型求解主要靠科学推理，笔者认为科学推理中思维培养过程可以用图3表示，下面就以赛题为例剖析说明,教学设计是基于已有认知基础，问题导引，任务驱动，启发学生深度学习，培养学生思维能力，具体见表4。
图3
表4 科学推理能力的培养
(三)质疑创新的深度化学习培养学生的科学思维
质疑创新是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品质。
在物理教学中，提倡教师方法创新，培养学生敢于质疑、善于反思、乐于创新，在深度学习中形成科学的思维能力。
笔者认为方法创新的教学可以按图4进行。
图4
对原有方法进行评价讨论，归纳求解的一般策略，同时评价原有方法的优缺点，通过合作交流、优化提炼、思维碰撞，构建新的方法与策略，优化问题解决的途径。
以赛题为例剖析说明，具体见表5。
表5 质疑创新能力的培养
2.师生互评，发散思维，归纳方法，形成系列问题求解策略
让学生掌握学习方法比知识更为重要。在平时的教学中，教师应注重培养学生从不同侧面、多个角度思考分析问题，尝试一题多解，质疑创新，从而提升学生的思维品质，培养科学思维能力。
学生在深度讨论分析中，探讨出了另外的求解策略。
图6
【解法4】还可以用“折合质量法”求解。
图7
通过归纳分析可得“两物体问题”求解的四种方法，从质疑到创新，从个性到共性，从方法到能力提升，培养了学生能从多个角度审视检验结论，解决问题具有一定的新颖性，达到了科学思维水平的第5个层次。
三、结束语
科学思维的培养要依靠学习材料的呈现方式， 也取决于学习者的认知加工过程。 教学方式的变革和学习策略的改进是培养科学思维的两个重要途径。在教学中，教师注重关注学生已有的认知结构，分析思维障碍，通过设问、导思、质疑等方式帮助学生建立正确的物理模型，掌握科学的推理方法，发散思维，质疑创新，着实提升学生分析问题的科学思维能力。在学习策略中，提倡一题多解、多题一解，创导学生敢于质疑，勇于表达自己的观点，使科学思维在对话中生成，在交流中重组，在共享中倍增。
