高中物理课堂教学中培养学生科学思维能力的策略

杨 军

（辽宁省农村实验中学）

物理学科核心素养指的是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的、带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要组成部分。而科学思维能力是构成物理核心素养的四个要素之一，科学思维能力包括分析、综合、抽象、概括、推理（演绎、归纳、类比）、论证等能力，而我们常用到的等效、外推、控制变量、比值定义等，属于上述科学思维能力在物理教学中的具体体现。物理作为一门重视实验及逻辑推理的自然科学类基础学科，其教学目的不仅仅是为学生科普物理方面的知识，更重要的是培养学生科学思维能力。高中阶段正是学生思维能力和逻辑能力发展的高峰期，把握这个时期学生在思维意识上的敏捷性并加以提高，能够有效培养学生的物理核心素养。在高中物理教学中，要将科学思维能力的培养贯穿在其每个环节中，可从培养学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四个能力入手。

一、引领学生体验理想模型的建构过程

建构理想化模型在物理教学中也称为理想模型法，即通过建立模型把复杂的问题简单化，摒弃次要因素，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理，从而发现和表达物理规律。有时，为了更加形象地描述所要研究的物理现象和规律，需要在物理课堂教学中引入一些模型。在高中物理课程中，建构理想化物理模型的方式包括理想研究对象模型（质点、点电荷），理想条件模型（光滑斜面、理想气体、匀强电磁场），理想装置模型（理想变压器、单摆、弹簧振子）、理想运动模型（匀速直线运动、匀变速直线运动，自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程等）。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对学生的模型建构能力要求分为5个层次：一是能说出简单物理模型；二是能在熟悉的情境中应用常见物理模型；三是能在熟悉的情境中选用恰当模型解决简单问题；四是能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型；五是能将较复杂实际问题的对象和过程转换成物理模型。

在针对各种模型的教学中，教师不能只是直接给出物理概念，让学生死记硬背，而是要事先精心设计好建模的过程，逐步引导学生将生活中的复杂问题提炼成引领建模步骤的简单问题。让学生在建模的过程中，了解物理基本规律在建模中的运用，感悟模型建构的各种科学思维方法，这样的教学才能逐步提升学生的科学思维能力。以“平抛物体竖直方向运动规律”一课为例，在教学中培养学生的科学思维能力应包含三个过程：经历建模过程，透过现象看本质，领悟思维方法。

（一）经历建模过程，产生直观模型影像

教师可以从任意角度向空中抛出一个粉笔头，引导学生通过观察，确定粉笔头做的是曲线运动，运动中受到重力和空气阻力的作用。教师提出问题：生活中有哪些运动与粉笔头的运动相类似？这时学生可联想到许多场景：被运动员投掷的铅球，飞机在空中投下的炸弹等。教师要再引导学生对所举实例进行分析归类，并指出：有水平速度、只受重力的曲线运动才是平抛运动。生活中平抛的物体，只有在忽略空气阻力时，才可以看成是平抛运动。学生经历这种模型建构过程，就会在头脑中形成平抛运动模型清晰的直观感受，为学习新知识奠定牢固的基础。

（二）透过现象看本质，提炼正确的观点

教师可用实验仪器演示平抛运动，如图1所示，教师用小锤敲击金属片，提示学生观察两球的运动状态，注意听两球落地的声音。学生通过观察和听可以初步确定：A球做曲线运动，B球做落体运动，球落地声音只有一个，两球同时落地。

图1 平抛运动轨迹

师：忽略空气阻力的影响，A球B球分别做什么运动？

生：A球在金属片的打击下获得水平初速度后只在重力作用下运动，是平抛运动。B球被松开后没有任何初速度，且只受到重力的作用，是自由落体运动。

师：两球同时落地能说明什么？

生：A球虽然有水平速度，但竖直方向的初速度是零，而且只受重力作用，说明A球竖直方向与B球运动性质完全一样，即平抛运动竖直方向的分运动是自由落体运动。

从上述课例中可以看出，学生依据两个小球产生的直观现象，结合两球各自的运动规律，经过缜密的思考，探究出两球之间的相互联系，并得出正确的结论。这样的教学使学生的科学思维能力得到了有效提升。

（三）领悟思维方法，达到举一反三

教学中构建理想模型，需要教师对学生进行相关物理知识的引导，也需要学生领悟解决复杂问题的科学思维方法。在得出实验结论后，教师要继续引导，使学生能够举一反三，促使科学思维能力得到进一步提升。

师：构建理想化模型是进行物理科学研究的常用方法，在前面的学习中，有哪些类似的建模？

生：质点、匀变速直线运动、自由落体运动等。

师：本节课突出了哪些物理科学的一般思想方法？

生：实验装置中斜槽末端应保持水平、小球每次都从斜槽同一高度处由静止开始释放，这是“控制变量”的思想方法。前面学习的如何探究“加速度与合外力、质量的关系”实验就是采用这种方法。

师：还有吗？将复杂的曲线运动转化成已知的直线运动的规律来研究，这是“化曲为直”“化繁为简”的方法；将平抛运动分解为水平匀速直线运动和竖直方向自由落体运动，是“等效代换”“正交分解”的思想方法。

这样的教学能使学生对物理知识的理解产生质的飞跃，使学生的思维方式更加科学、合理，使其科学思维能力得到有效提升。

二、引导学生进行类比推理

科学推理指的是由一个或几个已知结论推出另一个新结论的思维方式。科学推理的方式很多，高中物理使用较多的是归纳推理、演绎推理和类比推理等。以类比推理为例，类比推理基本过程为：明确类比的对象；理清各自属性；对比分析，得出结论。在教学中让学生经历这三个过程，能够使他们感悟科学思维方法，形成科学思维能力。

以“电压的作用”一课为例，教学中运用类比推理发展学生的科学思维能力应包含三个过程：明确类比的对象，形成感性具象思维；理清各自属性，形成抽象逻辑思维；通过对比分析，形成理性具象思维。

（一）明确类比的对象，形成感性具象思维

这里的感性具象思维指的是学生在接触外界事物时感官直接感觉到的具体表象。在物理教学中可通过让学生动手操作实验和教师演示实验两种方式来使学生明确类比的对象，用感官直接感觉到具体实验现象，形成感性具象思维。

教师可组织学生进行小组合作实验，让学生观察小灯泡通电、断电时亮度的变化。学生通过实际操作，依据实验现象，得出结论：电压使电路中形成电流，电源是提供电压的装置。教师提出类比对象：电压能使电路形成电流，水压能使管道有水流，它们有哪些相同之处呢？下面我们通过实验再来观察一下水流的产生。教师演示抽水机抽水实验，学生观察水流形成的现象。这样，通过教师的引导，学生充分观察，明确了类比的对象，形成了感性具象思维。

（二）理清各自属性，形成抽象逻辑思维

这里的抽象逻辑思维指的是以抽象的概念、判断、推理为形式的思维，是人类最基本也是运用最广泛的思维方式。在物理教学中用类比推理，可通过让学生在充分经历观察的基础上，去理清观察到的物理现象背后的各自属性，形成概念、合理判断、正确推理，最终形成抽象逻辑思维。

在学生小组合作动手实验和教师演示实验的过程中，学生要仔细观察这两种实验所产生的现象，并依据观察到的电流产生和水流产生现象进行分析类比，教师要使学生理清这两种现象的各自属性：抽水机—水压—水流；电源—电压—电流。这样，学生在头脑中就会形象地形成抽水机、水压、水流、电源、电压、电流这六个核心概念。同时，在理清这两种现象各自属性的过程中，学生也需要去合理判断其中的核心概念是如何关联的，最终通过推理，得到实验原理，形成抽象逻辑思维。

（三）通过对比分析，形成理性具象思维

这里的理性具象思维指的是在感性具体观察基础上经过思维的分析和综合，达到对事物多方面属性或本质的把握。由抽象上升到具体的方法，就是由抽象的逻辑起点经过一系列发展和扩散，达到思维具体的过程。在物理教学中用类比推理，可通过让学生在充分经历观察、理清观察到现象背后各自属性的基础上，经过思维的分析和综合，实现对实验现象和概念本质的掌握，形成理性具象思维。

在本课教学的最后，教师可以引导学生仔细对比分析，得到结论：水流的形成与电流的形成很相似，因此电压等同于水压，抽水机等同于电源。这样的类比教学，意图很明显：把电压形成电流这一抽象的现象变成了学生熟悉的、直观的水压形成水流现象，学生通过对比和分析，形成了理性具象思维。

三、培养学生的证据意识

在物理教学中，证据意识是学生学习探究物理规律必不可少的素养，实验数据的收集和处理，物理结论、规律的获取都必须依赖于证据。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中关于培养学生证据意识的要求分五个层次：一是能区别观点和证据；二是能使用简单和直接的证据表达自己的观点；三是能恰当使用证据表达自己的观点；四是能恰当使用证据证明物理结论；五是能考虑证据的可靠性，合理使用证据。教师在课堂教学中培养学生的证据意识，可以从以下两个方面入手。

（一）提高学生对证据重要性的认识

证据是物理科学发展的重要支撑，也是科学思维的重要支点。在物理课堂教学中，教师可通过讲述物理史中一些典型事例来提高学生对证据重要性的认识。例如，可讲述著名的“泊松亮斑”的故事。法国物理学家菲涅尔还是学生的时候，写了一篇关于波动说中衍射方面的论文。时任评委的泊松对菲涅尔的理论嗤之以鼻，并通过数学推导，指出其衍射理论的漏洞：按照你的说法，圆形挡板后面阴影的圆心处应该有一个亮斑。在那个时代，从来没有人见过阴影中心有亮斑的现象。因此，菲涅尔对自己的理论也产生了怀疑。在朋友的鼓励下，菲涅尔开始认真做实验，结果真的证实了阴影中心有亮斑的现象。在证据面前，泊松无可辩驳。可见，寻找证据对于科学研究来说是多么重要。这样，学生就能够认识到证据在物理科学研究中的重要性，也能够在后续的物理学习中提高证据意识。

（二）提高学生对证据说理的认识

证据说理是科学思维的重要组成部分，也是物理发现的重要表达方式之一。在物理课堂教学中，教师要创造证据说理的机会，提高学生证据说理的意识。例如，在教学“失重、超重”时，我和学生做了一个小互动：我将两本书分页插在一起，问学生能否将两本书拉开。有几名男生上来反复尝试都失败了，最后有一名学生上来，只见他两手平拉着书，迅速下蹲，书立刻被他轻松地拉开了。该学生解释其中的原理：当物体处于完全失重状态时，物体间的压力为零，所以书页之间的摩擦力为零。其他学生听了半信半疑，不少人上来尝试，结果并没有顺利拉开。看到学生陷入困惑之中，我及时进行点拨：刚才这名学生叙述的原理是对的，只是缺少让人足够信服的证据。我带领学生做另一个小实验来证明：我取出一个饮料瓶，在瓶下端四周扎几个眼，然后装满水站在凳子上并将瓶子高高举起，水从瓶眼四处喷射。我提醒学生注意观察后，一松手，瓶子自由落下。学生惊奇地发现：瓶子自由落下的过程中，水竟然不往瓶外流出了。这时，所有的学生都明白了那名学生讲的原理。但我还是纠正了他的说法：他的迅速下蹲还不能达到完全失重，只是失重使书页间压力减小，最大静摩擦减小。所以，有时迅速下蹲也无法保证一定会把书分开。

在物理课堂教学中，教师要善于培养学生的科学证据意识，引导学生深入思考，展开深度探究，使证据意识与物理教学有效融合，这样的教学有助于学生科学思维的发展与探究能力的提升。

此外，科学探究起于质疑，我们还应该通过引导学生不断质疑，培养科学思维能力。质疑的行为大致可以分为两个层次：一是对知识了解不够，没有弄懂，无法解决具体问题，提出疑问，这是低层次的；二是发现所观察到的现象与已有认知不吻合，或者发现已有认知之间不能相融合，从而对现有认知的科学性和合理性提出疑问，以至于萌发出新的猜想，这是高层次的。教学中，我们应倡导高层次的质疑行为，因为历史上物理学的重大发现都是由高层次的质疑行为引发的。例如，伽利略质疑亚里士多德“重的物体下落得快”的论断。他先通过逻辑推理，指出亚里士多德对落体认识的问题，然后得出重物与轻物应该下落得同样快的结论，最后用著名的“比萨斜塔实验”证实了自己的结论。

总之，物理课堂教学中学生科学思维能力的培养是十分重要的，教师要转变教学观念，不断创新课堂教学方式，采用多种教学方法对学生进行科学思维的训练，不断促进学生科学思维能力的提升。