指向学生科学思维的物理实验创新能力培养

樊党娟

摘 要：科学思维是物理学科核心素养之一，落实初中生科学思维培养的侧重点可放在逻辑思维能力的培养上.笔者通过分析全国各地区的部分中考试题，在课堂教学中以初中物理实验探究为载体，把分析与综合、个别与一般、逆向思维等逻辑思维方法融入物理教学评价中，并对初中阶段的部分实验进行整合与创新，促进学生的高阶思维能力发展，提升学生科学思维素养.

关键词：科学思维;创新;归纳;演绎

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）16-0012-03

作者简介：樊党娟（1963-），女，宁夏银川人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学研究.

物理学是一门基于观察与实验，运用数学等工具合理建构物理模型，并进行科学的假设、推理和论证，最终形成系统的研究方法和建立完善的理论体系的学科.科学思维是从物理学科的视角出发，对自然界客观事物的内在属性、内在规律认识的一种方式，往往事物之间的关系定性成为难点;科学思维也是基于生活中的经验事实通过创新、归纳和演绎合理建构物理模型的抽象概括过程.教师对中学生科学思维能力的培养尤为重要，培养初中生科学思维是课堂教学的重要目标之一，其中合理建构模型是一种重要的科学思维方法，教师要在教学中渗透建构物理模型的思维方法，让学生用物理模型来解决生活中遇到的实际问题.在学生科学探究过程中，教师应该引导学生发现和提出问题，根据解决问题需要，收集和选择有用信息，基于证据和逻辑做出合理解释，培养学生创新能力.

1 中考试题中物理科学思维能力的考查

在物理中考试卷中，题目的命制不是为培养学生解题技巧，而是通过生活中常见情境引发学生思考.教师创设合理情景可以帮助学生发现题干中的问题，促使学生在解题过程中全面分析、体验物理情境，在短时间内抽象出物理规律，通过在大脑中建构物理模型，培养学生从定性分析到定量研究问题的物理思维.笔者发现各省市部分中考试题综合性强，循序渐进，通过递进设问让学生思维能力不断进阶，最终基于数据分析和逻辑培养学生科学思维.其中物理实验创新能力培养对学生科学思维的形成起到至关重要作用.物理是一门以实验为基础的学科，学生通过实验可以发现客观事物内在规律和本质属性，学生在探究过程中不断发现新问题，引起学生质疑，利用小组合作的优势培养学生推理论证能力、实验创新能力，从而内化其创造性能力促进科学思维的形成.

2 体现物理科学思维能力的实例分析

在初三中考一轮复习过程中，笔者查阅了近几年全国各省市中考试题，对部分能体现学生科学思维能力培养的试题进行筛选，并对物理科学思维的形成过程进行探究.下面以基于物理创新实验装置解决生活中实际问题为例，浅谈学生科学思维能力的培养.

2.1 抛“砖”引“玉”，从个别到一般的归纳思维

归纳推理是从个别到一般，从具体问题中抽象概括出普遍结论的推理，在初中阶段，学生思维能力较弱，教师要引导学生从个别到一般寻找物理规律，锻炼学生发现问题、解决问题能力.比如在初中物理教材“透镜”一节，教师通过实验探究得到透镜对光的作用.为了拓展延伸，教师给出透镜三种特殊入射光线，即：平行于主光轴的入射光线、过光心的入射光线、过焦点的入射光线，以凸透镜为例，它们的折射光线分别是过焦点、方向不变、平行于主光轴，如图1所示.

如果考查透镜对一般光线的作用（特殊光线以外），学生往往会形成定向思维，无法跳出旧的思维模式，面对新的情境无所适从.如图2所示，根据不同入射光线通过透镜后折射光线的方向，在虚线框里填入适当透镜.学生拿到试题，首先会想到凸透镜对光具有会聚作用，凹透镜对光具有发散作用.学生会根据前概念得出错误结论：即甲透镜为凹透镜，乙透镜为凸透镜.因此需要从透镜对个别特殊光线的作用到对一般光线的作用过渡，学生在归纳基础上还要进行科学拓展，不然就会陷入错误的理解区域.

如果没有透镜，光线将在同种均匀介质中沿直线传播，如图3中虚线所示.虚线框中放入甲透镜后，通过与原来的直线传播方向比较，明显可以看到光线向内侧发生偏折， 因此甲透镜对光具有会聚作用，为凸透镜;同理乙透镜对光线具有发散作用，为凹透镜.这种从个别到一般的归纳课程设计，符合中学生对物理知识的认知规律，而且教师循序渐进地引导可以培养学生的科学思维.教师在讲授透镜对光线的作用时，应该先讲解个别情况，让学生通过演示实验观察不同透镜对特殊光线的作用，再拓展到一般情况，对所有情况进行归纳总结，在脑海中构建一个完整的知识体系.

2.2 另辟蹊径，学生逆向思维的考查

学生在学习过程中由于习惯于正向思维，受自我认知的束缚，不能摆脱原有认知体系，因此常常缺乏分析问题能力.笔者认为在物理教学中有意识地加强对学生逆向思维训练，对提高学生核心素养，培养学生创造性思维能力具有很大帮助.

如图4所示，在甲图中用温度计测量液体温度.温度计利用液体热胀冷缩的原理，其玻璃泡受热膨胀，内部水银柱就会上升，最终显示温度的高低.学生在掌握温度计使用方法后，能快速地读数确定某时刻液体的温度.笔者在初三复习课中用到了乙图中的温度计，学生拿到试题无所适从，由于思维定势，不知道如何去测量物体温度.图乙中玻璃管液柱上方有部分空气，利用空气中玻璃泡测量气体温度，首先学生遇到的第一個问题，玻璃泡中没有液体怎么热胀冷缩？因此教师要打破学生思维定势，空气也可以热胀冷缩.接着就会有两种情况：其一是当玻璃泡外界大气压不变时，当外界气体温度升高时，玻璃泡内部气体受热膨胀，液柱下降，图乙中B点的温度高于A点温度;其二是当被测温度不变时，如果外界大气压减小，玻璃泡内部气压大于外界气压，在内部气压作用下，玻璃管中液注也会下降.因此，教师有意识地对学生进行逆向思维训练，不仅可以激发学生学习物理的兴趣，而且可以培养他们创新意识、科学思维和质疑习惯.

2.3 标新立异，从一般到个别的演绎思维

在历年中考试题中，传感器的使用、仪表的改装居多.大多数试题使用电压表或电流表来定性地判断力的变化情况，进而揭示力传感器的工作原理.在中考一轮复习中为学生精选一些试题，引导学生发现问题、解决问题，培养学生的科学思维.

情景1 如图5所示，甲是电子秤的原理图.Rx为压力传感器，它的特性是Rx的阻值随压力的变化而变化，其具体变化关系如图乙所示，压力传感器表面有压力承载范围限制，压杆与压力传感器的接触面积一定，其中托盘的质量、压杆的质量可以忽略不计.众所周知，通过实验创新，电子秤的出现给人们的生活带来了便利，直观快捷.电子秤的工作电路中结合压力传感器和欧姆定律相关知识.其原理是：压力表是由电流表改装而成，将压力变化转换为电流表的示数变化.从图乙中可以看到压力传感器的阻值随压力值呈非线性变化.从甲图中定性分析可以得出结论：当压力增大时，其阻值减小，电路中电流增大，电流表示数变化和压力大小之间呈正相关.学生通过电路分析得到压力变化与电流表示数的定性关系，此过程考查學生的逻辑思维和物理观念.

教师引导学生继续追问：我们只是定性地知道压力与电流表示数的关系，但是压力大小和电流表示数之间到底存在怎样的关系？进而引发学生的思考.教师给出另一个创新实验模型如图6所示，让学生通过小组探究首先分析物理模型，建构合理的表达式来定量计算仪表示数和力的对应关系，进而培养学生科学思维和实验创新能力.

情景2（中考题改编） 如图6所示，在物理实验课中，学生受到电子秤原理的启发，通过小组合作，探究设计了一款压力表.学生通过小组合作、交流得到了电压表示数U与托盘所受压力F的解析式.

学生分析：如图6所示，设滑片移动时，电压表所测得电压值随着滑片的移动而改变，电压表示数表征了电阻值为R′时其两端的电压值，其中R′大小与滑动变阻器长度有关，设总长度为l.压力为F时弹簧压缩量为x.

根据胡克定律可知：F=kx①

当P恰好位于R的最下端时托盘所受压力为F2.此时：F2=kl②

由①②得到：F=xlF2 ③

图6中电压表的示数U=ER+R0R′④

通过实验我们发现，如果不考虑电阻受到的温度影响，当导体的材料、横截面积一定时，导体的电阻值与导体的长度呈正相关关系.因此，长度为l时，导体的电阻为R，长度为任意值x时，导体的电阻值为R′=xlR⑤

由③④⑤得：U=ER+R0·RF2F.

通过上述推导得到了电压表示数和压力值之间的关系式，学生可以把抽象的压力变化转化为简单的逻辑关系式，从定性到定量，一方面符合学生的认知规律;另一方面通过建模、从一般到个别的演绎得到普遍规律，学生通过参与学习的过程可以促进其科学思维的形成，促进学生高阶思维发展.

总之，在物理教学中，教师首先要借助问卷前测、引导式提问等环节了解学生已有认知水平和能力水平.然后基于学生已有知识框架，以突破学生的思维障碍为目标设计课程，利用由个别到一般的归纳思维、学生逆向思维培养、从一般到个别的演绎思维对初中物理知识中传统实验进行创新，打破学生原有认知观念，通过科学建模、质疑、科学推理促进中学生科学思维的形成，提升学生的物理核心素养.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]许亚伟.高中物理教学中学生逆向思维能力培养的策略[J].中学教学参考，2017（08）：73.

[3]张羽燕.初中物理教学中学生科学思维的培养[J].物理教学探讨，2018，36（01）：32-35.

[4]刘鹏.实验教学中培养学生科学思维能力的思考[J].中学物理教学参考，2021，50（15）：47-48.

[5]汪文军.基于初中物理科学思维的错误前概念转化[J].数理化解题研究，2021（14）：48-49.

（收稿日期：2021-04-21）