基于发展科学思维的高中物理课堂教学

文骅

【摘要】科学思维是高中物理核心素养之一，作为本轮教育改革的重点，核心素养的培养为高中物理教学指明了方向，近两年广西高考中也体现出对学生科学思维能力的高要求.本文结合教学实际，对科学思维的内涵以及如何培养学生科学思维的教学策略进行探讨.

【关键词】高中物理；核心素养；课堂教学

1 理解科学思维的内涵

关于科学思维，课程标准中提到：模型建构的思想，科学推理、科学论证等方法，以及质疑、批判、创新等内容.怎么理解课标中关于科学思维的具体内涵呢？

物理课程标准中所指的科学思维应该是所有符合科学的思维的总称，重点指物理学科中常用到的思维方式，如抽象、概括、推理、归纳等，另外我们经常用到的如类比、极限、控制变量、比值定义等学科方法，应该也属于科学思维的具体表现.

在教学参考用书中可以看到，对科学思维的要求较以往更高，例如“能用公式、图象等方法描述匀变速直线运动，体会科学思维中的抽象方法和物理问题研究中的极限方法”等.对于思维教学的重要性，如华东师大郅庭瑾教授提到的：人之所以为人，在于人有思维，为思维而教是当前教育的重要要求.

2 教学中培养学生科学思维的途径

心理学家赤瑞特拉（Treicher）曾做过两个有名的心理实验：一是人们可以通过何种渠道来获取信息如图1.另一个则是关于人类知识持久性的实验.实验结果如图2所示.

根据实验结论得出：利用各种感官的影响获得的信息量，比单纯听课强得多，并且如果既能听也能观察，并利用探究、互动等手段，知识的保持效果会远远高于常规课程.

建构主义认为教师应该给孩子提供良好的学习氛围与平台，创设合理的问题情境，引发他们的认知冲突，启迪他们的积极思考，如此才有利于他们对知识的主动建构.

可以这样讲，更符合学生的认知规律的，也更能突出核心素养教育所要求的课堂应该是“思维型课堂”，思维型课堂的一般流程是：创设情境——提出问题——自主探究——交流反思——迁移应用.下面谈谈如何在这些流程中更有效地发展学生的科学思维.

2.1 围绕问题创设好物理情境

“从生活走向物理，从物理走向社会”是响应核心素养培养目标的重要教学理念之一，直观体现在物理考查从简单的理想模型更多地面向生活实际，强调对生活中的物理现象、对创新科技前沿涉及的物理情境问题的解决能力，这需要较高的科学思维能力.

例如 如图3是2021、2022年广西高考物理的部分题图.

其中“旋转钮扣”“下坡过减速带”“中子－质子图象”“高台滑雪”无不来自真实的物理情境，因此在日常教学中要重视围绕问题设计好情境.常见的“问题情境”就是教师在教学目标的指引下，围绕问题而设置的学习情境，能够引导学生通过分析、概括、假设、归纳等方法去发现问题、解决问题、启发思维.

例如 在学习“重力势能”这部分内容时，学生第一次接触“势能”的概念，对于为什么要利用重力做功来学习重力势能的认识是模糊的，出现这个现象很大程度上是因为在课堂上轻视了物理情境的引入，没有设计有层次的问题，过早地过渡到重力做功和重力势能的表达式，学生囫囵吞枣，给后面的学习带来概念理解不清的隐患.

解决办法是需要厘清功與能的关系，笔者是这么做的：

第一步，通过多媒体展示高处落下的物体可以做功的例子（利用图片或GIF动画），如打桩机、水库泄洪、流星划过天际、高楼坠物砸坏东西等.

师 各个物体在下落的过程可以做功吗？怎么证明做了功？

生 可以，如桩柱被打进地里面去了……

第二步，通过现场演示实验水力发电机的模型（将水瓶举高，水顺着管道流下，冲击下方的水力发电机模型，点亮LED灯），强化物体被举高后在释放时可以做功.

第三步，将水瓶的开关闭合，水不再流动.

师 现在的水有没有做功？它“能不能”做功？

生 没有做功，但它“能够”做功.

至此，学生已经建立起功和能的关系，教师在黑板上板书如图4，强调有能就“能够（can）”做功，而做了功就“展示（show）”出物体具有能，从而引导学生分析得到为什么要通过计算重力做功的办法来理解重力势能.

需要指出的是，创设情境是围绕问题而展开，情境的创设是为问题而准备的，而绝不能为了情境而情境，引入一大堆没有逻辑关系的、喧宾夺主的素材，除了热闹百无一益，反而让学生思维处于低水平重复，无法发展科学思维.

2.2 设计有层次的探究活动

合理的探究过程也是思维的发展过程，教师引导学生通过自主学习、讨论探究、团队协作等不同的方式来达成知识构建的目标，进而在这些过程中发展科学思维.

例如 以必修二第六章第4节“生活中的圆周运动”为例，本节课引导学生从生活中的实例中抽象出圆周运动的模型，进而分析其受力特征和运动规律，解释了火车转弯、车辆过拱桥、航空器中的失重、离心运动等现象，其难点在于模型的抽象.对于汽车过拱桥这个典型的教学片段，我们可以设计这样有层次的探究活动：

第一步，多媒体展示汽车过“搓板路”

师 作为乘客，在坡顶和坡底会有什么感觉？

学生讲自己的主观体验.

第二步，实验，利用如图5所示的仪器演示小球在坡底和坡顶时台秤示数的变化（实验1）.

师 哪个点受力最大？哪个点受力最小？

第三步，学生自主分析最低/高点时小球的受力情况.

生 受力分析，列出向心力表达式（模型建构、自主探究）.

第四步，重复试验，小球从不同高度静止开始下滑，观察示数变化（实验2）.

师 请同学们说说原因.

生 高度不同，导致速度大小不同（推理应用，强化第三步的结论）.

第五步，多媒体展示游乐场某S型滑梯，游客滑下来的过程中，在中间的高点有脱离滑梯的情况（主观体验）.

师 如何整改以确保游客不会脱离轨道？

生 降低高度、减小弧度（小组合作，深化探讨）.

第六步，将地球看成是一个大拱桥，给出数据计算第一宇宙速度.

生 受力分析，求出第一宇宙速度（模型建构，拓展应用）.

类似这样的一个有层次的探究过程，不是简单问题的堆砌和重复，学生通过观察、分析、综合、探讨、合作等方式参与学习过程，教学过程有思维梯度，这将引导学生深入思考，充分发展学生的科学思维.促进科学思维的发展.教师应重视并利用“问题”，设置一系列由浅入深、由表及里、层次递进的问题，让问题作为学生思维发展的指路人和台阶，形成有层次的探究活动，帮助他们进一步地感受、思考、发展思维.

2.3 增加学生体验和动手创造的机会

各个学科专业都有其自洽的逻辑结构和专业特点，笔者认为物理学科最明显的特质便是实验、动手创造.物理学科将理论知识与实践紧密结合，这虽然是教学中的难点，也能被充分利用而成为教师教学的有力助手，让学生在交流反思和迁移应用的过程中，发展科学思维.

例如 学生在学习选择性必修二第一章的“磁场对通电导线的作用力”时，会学习安培力等概念，教师通过在课堂上演示通电导线在磁场中受到的力的影响因素，让学生学习安培力的性质特点.由于停留在“看”的阶段，学生对于安培力的了解是比较概念化的、不生动的，那是一种在课堂上学习“别人的知识和经验”的感觉.在这里，我设计了一个学生动手小实验，让学生利用一节干电池、一段铜线、一个金属纽扣强磁体，利用安培力制作一个最简单的小电动机（如图6）.

原理非常简单，就是利用线圈的短路电流在磁场中受到的安培力，让线圈旋转起来.通过这样一個教学设计，真正让学生切实去思考一系列问题：如磁场的方向？怎样更有效地利用磁场？导线的形状或方向？如何让安培力更大？摩擦力更小？……学生在不断地尝试中，内化了知识，强化了能力.

可以这样认为，倘若每节物理课都有一个小实验、小演示，物理课堂所展现的面貌会大不相同.有更多体验和动手的机会，让他们有更多的时间去反思和探究，虽然看上去效率较低，但其实这样的课堂教学是有深度的，它切实突出了过程性知识的学习，培育了学生的创新精神和实践能力，这当然也有效发展了学生的科学思维.

3 结语

总之，物理教师心系学生的终身发展，充分发挥物理学科优势，让学生多体验、多创造，尽量通过良好的教学设计，创设合理情境，让学生的思维能力得到全面发展，这样的课堂才是真实有效的、有深度的、发展科学思维的课堂.

参考文献：

[1]《普通高中物理课程标准（2017年版）》[M].北京：人民教育出版社.2017：23-28.

[2]王建华.试论物理学科的科学素养[J].2018（10）：191.

[3]刘晓彤.基于物理核心素养的高中物理教学设计研究[D].辽宁师范大学，2018.

[4]李琬莹.高中物理学科核心素养及培养初探[D].华中师范大学，2017.

[5]严汝新.基于发展科学思维的高中物理学习指导[J].中学物理教学参考，2020，49（27）：24.