摘要：科學(xué)方法教育是初中物理開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)及其有效的途徑.本文以“神奇的升力”的教學(xué)實(shí)踐為例，闡釋了如何在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上顯化科學(xué)方法教育.根據(jù)教學(xué)難點(diǎn)和“對應(yīng)原則”，提出了引入與猜想的類比方法、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的演繹方法、突破飛機(jī)升力難點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方法，始終以科學(xué)方法引領(lǐng)的思維發(fā)展，以突出科學(xué)方法在物理教育中的價(jià)值.

關(guān)鍵詞：初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);科學(xué)方法;科學(xué)思維

作者簡介：許輝勇（1983-），男，廣東普寧人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向： 初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)方法教育.

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是一門方法學(xué)[1].建構(gòu)主義觀認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)上是一種科學(xué)探究活動.它強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識是暫時(shí)性的、主觀的、建構(gòu)的，它將不斷地被修正和推翻.因此，物理教學(xué)實(shí)際上就是讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過程與方法，掌握科學(xué)方法、樹立科學(xué)態(tài)度和弘揚(yáng)科學(xué)精神.實(shí)驗(yàn)包含了豐富的科學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)是科學(xué)方法及思想的感悟、學(xué)習(xí)、應(yīng)用.大量實(shí)踐證明，以實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行科學(xué)方法教育，它是實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效途徑.本文在分析教材內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，基于初中物理實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)實(shí)踐，以顯化科學(xué)方法來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維的視覺探討“神奇的升力”的教學(xué).

1對教材的基本分析

粵滬版物理八年級下冊第九章 浮力與升力在編排上，先讓學(xué)生學(xué)習(xí)浮力，再學(xué)習(xí)升力，這種編排有利于學(xué)生類比和區(qū)別浮力與升力.本節(jié)課的編寫思路是：先從飛機(jī)升空的現(xiàn)象提出問題：使飛機(jī)上升的力究竟是怎樣產(chǎn)生的[2]然后安排“活動1奇妙的實(shí)驗(yàn)”（幾個(gè)關(guān)于流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn)），激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，歸納出流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系.然后在觀察“活動2認(rèn)識升力”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，通過理論分析，得出飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因.最后，通過解釋一些與生活相關(guān)的現(xiàn)象從而加深學(xué)生對流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的理解.

教材的編排方式有以下兩個(gè)方面值得商榷.

（1）教材雖然突出了“探究性”，卻忽視了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，直接從問題“飛機(jī)升力是怎樣產(chǎn)生的”直接跳躍到“活動1”的幾個(gè)關(guān)于“流體的壓強(qiáng)與流速關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能夠聯(lián)想到“飛機(jī)的升力”與“流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”之間的聯(lián)系，教材對此問題的處理無疑增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷和教學(xué)難度.

（2）教材在“風(fēng)扇使機(jī)翼模型飛起來”的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上（如圖1所示），通過理論分析，得出飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因.初中生的思維正處于由形象思維向抽象邏輯思維的過渡階段.因此，初中生的思維總是從一定的感性材料的歸納中形成物理模型.該模型是基于形象思維并通過運(yùn)用物理模型進(jìn)行思維加工而形成的.在初中物理教學(xué)中過于強(qiáng)調(diào)理論分析，會抑制學(xué)生的思維興趣，使學(xué)生的思維能力停滯在形象思維階段.

首都師范大學(xué)邢紅軍教授認(rèn)為，物理教學(xué)要以科學(xué)方法為中心，并視科學(xué)方法為能力的核心，科學(xué)方法可分為物理方法和思維方法，這與心理學(xué)中強(qiáng)認(rèn)知方法與弱認(rèn)知方法是一致的.物理方法是客觀的，所以可以通過傳授的方法來掌握，而思維方法是主觀的和大腦的功能，這就需要訓(xùn)練才能使學(xué)生掌握，科學(xué)方法具有導(dǎo)源、突破、中介和建構(gòu)的功能，能夠通過顯化科學(xué)方法來解決目前一些物理教學(xué)邏輯的問題[3].筆者認(rèn)為，以“教材中的知識”與“科學(xué)方法”為主線，使“知識線”和“方法線”在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中同時(shí)進(jìn)行，有助于學(xué)生的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

2彰顯科學(xué)方法、培養(yǎng)思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1“類比法”引課題，誘發(fā)思維

古人云：“學(xué)貴有疑”，“學(xué)則有疑”.質(zhì)疑是探索新知識的開始，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的開始.“需要作為人的積極性的重要源泉，它是激發(fā)人們進(jìn)行各種活動的內(nèi)部動力”[3].教師要善于創(chuàng)造情境，通過激趣設(shè)疑讓學(xué)生有“需要”的思考，調(diào)動他們思維活動的自覺性與積極性，才能使其思維得到很好的發(fā)展.

在“神奇的升力”一課的引入中，筆者以“聽話的乒乓球（如圖2所示）”和“吹水實(shí)驗(yàn)（簡易噴霧器實(shí)驗(yàn)如圖3所示）”的實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的前知識引導(dǎo)學(xué)生思考質(zhì)疑，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，明確思維指向，提供認(rèn)知起點(diǎn)，從而提出問題.

[教學(xué)片斷1]

教師取一個(gè)水杯，把一個(gè)乒乓球放入其中，要求不用手和借助任何器具，在不損壞容器的條件下將乒乓球球取出，并請學(xué)生到前臺嘗試.學(xué)生聽到可以嘗試就充滿興趣，當(dāng)然，學(xué)生經(jīng)過多次試驗(yàn)均未成功.這時(shí)，教師以“魔術(shù)”的演繹方式賦予乒乓球神秘的色彩，“我給乒乓球吹口仙氣，讓它自己跳出來”，教師在水杯口上方用力水平吹一口氣，乒乓球從杯底部快速地“跳了出來”，此時(shí)學(xué)生驚嘆不已.學(xué)生充滿著疑惑，恨不得馬上揭開這個(gè)謎底.

接下來，讓一個(gè)學(xué)生演示簡易噴霧器實(shí)驗(yàn).學(xué)生觀察到杯里的水升起從管口噴出.

這樣的情境創(chuàng)設(shè)誘發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生去思考、體味，誘發(fā)學(xué)生思維，促使學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題，提出問題“為什么乒乓球（水滴）會升起”，激發(fā)學(xué)生的強(qiáng)烈的求知欲.

2.2“類比法”助猜想，啟發(fā)思維

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，是檢驗(yàn)物理學(xué)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn).猜想與假設(shè)則是提出實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，也是科學(xué)想象的一種形式，科學(xué)想象是一種創(chuàng)造性的思維形式和研究方法.愛因斯坦指出：“想象比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世界上的一切，……嚴(yán)格地說，想象是科學(xué)研究中的重要因素”[1]. 猜想環(huán)節(jié)是學(xué)生根據(jù)已有的知識或經(jīng)驗(yàn)提出的，是創(chuàng)造思維的準(zhǔn)備期和醞釀期，也是思維加工的過程.在引導(dǎo)學(xué)生猜想“流體壓強(qiáng)與流速”關(guān)系時(shí)，由于學(xué)生缺乏“流體的壓強(qiáng)與流速有關(guān)”的“前概念”，學(xué)生很難提出“流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”，因此在課堂的引入階段的“乒乓球飛出杯子”和“簡易噴霧器”的實(shí)驗(yàn)，通過“激趣設(shè)疑”，有效誘發(fā)學(xué)生思維，學(xué)生能猜想“乒乓球（水滴）的升起”與“吹氣（流速）”有關(guān)，但學(xué)生就以上情境仍然難以聯(lián)想到“流體的壓強(qiáng)”與“流速”有關(guān)，從而產(chǎn)生了“升力”.粵滬版的教材中一句“流體流動時(shí)，在流速不同的地方會表現(xiàn)出一種奇妙的特性”[2]帶過就進(jìn)入實(shí)驗(yàn).在實(shí)際教學(xué)中，教師往往也是三言兩語帶過，學(xué)生則是被動地接受與跟著教師的思路去完成接下來的實(shí)驗(yàn)活動，更不明白為什么要通過這些實(shí)驗(yàn)去探究流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系.學(xué)習(xí)是一個(gè)連續(xù)的過程，任何學(xué)習(xí)都是在學(xué)習(xí)者已經(jīng)具有的知識經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，已經(jīng)獲得的動作技能，已經(jīng)習(xí)得的態(tài)度等基礎(chǔ)上進(jìn)行的[4].建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)遷移實(shí)質(zhì)上就是在新情境對知識的應(yīng)用.奧蘇貝爾認(rèn)為，“一切有意義的學(xué)習(xí)必然包括遷移”.為了讓學(xué)生能夠科學(xué)猜想，筆者采取繼續(xù)顯化類比法這一科學(xué)研究方法，緊抓“吸管吸飲料實(shí)驗(yàn)”和“簡易噴霧器實(shí)驗(yàn)”的共同之處，做大膽的猜想.

[教學(xué)片斷2]

如圖4所示，讓學(xué)生演示吸管吸飲料.

師：飲料為什么能夠上升到我們的嘴里呢？請解釋這個(gè)現(xiàn)象.

生：利用大氣壓.

師：怎樣利用大氣壓？

生：當(dāng)用吸管從瓶中吸飲料時(shí)，管內(nèi)的空氣被吸走，管內(nèi)的氣壓變小，外面的大氣壓不變，大氣壓大于管內(nèi)的氣壓，將飲料壓入嘴里.

......

如圖5所示，讓物理科代表演示“吹水實(shí)驗(yàn)（簡易噴霧器實(shí)驗(yàn)）”.

師：同學(xué)們觀察到什么？

生：水噴出來.

師：水要噴出來，首先水從下方如何運(yùn)動？

生：升上去.

師：同學(xué)覺得是誰把水壓上去的？

生：大氣壓把“水”壓上去.

師：大氣壓把“水”壓上去，那么說明管內(nèi)的氣壓發(fā)生什么變化？

生：管內(nèi)的氣壓“變小了”.

師：在實(shí)驗(yàn)中，管內(nèi)的氣壓變小了，在沒吹氣之前管內(nèi)的氣壓怎么沒有變小？

生：科代表剛才吹氣.

師：吹氣改變了什么？

生：空氣流動的速度？

師：也就是說，是什么原因?qū)е铝斯軆?nèi)的氣壓變??？

生：可能是空氣流速變大，壓強(qiáng)變小.

……

筆者借助“類比法”，通過問題鏈啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，溫故知新，讓學(xué)生思維經(jīng)歷對新舊知識的對比和分析的過程，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和概括能力，促成學(xué)生更有效的對知識進(jìn)行遷移.在思維中促成知識遷移，在遷移中激發(fā)思維，新舊知識之間的聯(lián)系和比較分析帶給學(xué)生的更多的是一種思維的習(xí)慣學(xué)習(xí)的方法，更有助于學(xué)生的發(fā)展.

上述兩個(gè)方面都體現(xiàn)了類比法的豐富內(nèi)涵.

類比法是一種由特殊到特殊或由一般到一般的推理，是根據(jù)兩個(gè)（或兩類）對象之間在某些方面相同或相似而推出它們在其他方面也有可能相同或相似的推理方法[1].

類比法具有觸類旁通、啟發(fā)思路、溝通新舊知識的作用，有效順接了學(xué)生學(xué)習(xí)新知的邏輯起點(diǎn)，降低了學(xué)生的思維難度，學(xué)生的思維活動逐漸從表層向深層轉(zhuǎn)移，培養(yǎng)學(xué)生的深層思維.同時(shí)水到渠成地向科學(xué)探究邁出了最關(guān)鍵的一步-“猜想和假設(shè)”，為接下來的學(xué)習(xí)與以后的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，避免了把科學(xué)方法當(dāng)做機(jī)械的知識來灌輸，使意義學(xué)習(xí)產(chǎn)生功效.由此可見，顯化“類比法”等科學(xué)方法并讓學(xué)生感受科學(xué)方法是富有潛在意義.

2.3“演繹法”設(shè)實(shí)驗(yàn)，鍛煉思維

實(shí)驗(yàn)探究的過程其實(shí)是思維加工的過程，通過培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和手腦并用的能力，從而加強(qiáng)學(xué)生思維能力的培養(yǎng).學(xué)生學(xué)習(xí)一種方法或技能需要進(jìn)行模仿性訓(xùn)練，在訓(xùn)練中思維也獲得鍛煉與提升.“由于表象具有動搖性、模糊性”[2]，教師要為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法建立提供豐富的表象和反復(fù)呈現(xiàn)表象，以期表象更加豐富、清晰和穩(wěn)定.因此教學(xué)時(shí)，教師通過“演繹法”來固化這種表象.

[教學(xué)片斷3]

師：現(xiàn)在，小組討論，如何利用桌上的儀器來探究流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，驗(yàn)證猜想.請幾個(gè)小組派代表向大家展示一下你們的設(shè)計(jì).

（學(xué)生進(jìn)行討論.各小組的儀器有：裝有水的水槽、礦泉水瓶蓋、吸管、紙片、蠟燭、打火機(jī)、漏斗、乒乓球等）

師：在探究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中，首先有一個(gè)關(guān)鍵的地方，你覺得這是什么呢？

生：我們要驗(yàn)證“流體的流速越大、壓強(qiáng)越小”的猜想是否正確，所以關(guān)鍵是要讓氣體或者液體流動起來.

師： 很好，相信很多同學(xué)都注意到了這個(gè)問題.那么怎樣使氣體或者液體流動起來呢？現(xiàn)在，按照你們剛剛制定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使氣體或液體流動起來.

（學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)，老師巡回指導(dǎo)）

……

師：請第一小組的代表上來展示他們所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn).

生： 我們小組是用吸管和點(diǎn)燃的蠟燭，用吸管對準(zhǔn)兩根蠟燭的火焰的中間吹氣，令人驚奇的是兩個(gè)火焰靠攏在一起.分析其原因是：吹氣時(shí)，兩根蠟燭的火焰中間的空氣流動加快，壓強(qiáng)變小，火焰外側(cè)的大氣壓保持不變，火焰內(nèi)外側(cè)存在壓強(qiáng)差，把火焰壓向兩個(gè)火焰中間.此實(shí)驗(yàn)說明：流速大的地方壓強(qiáng)越小.（同時(shí)另一學(xué)生在旁邊演示）

……

通過上述的情境可以看出，學(xué)生要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“流體的流速越大、壓強(qiáng)越小”的猜想，需要厘清以下幾個(gè)問題：

（1）實(shí)驗(yàn)的流體是什么？

（2）吹氣改變了哪部分流體的流速？怎么變？

（3）觀察到什么現(xiàn)象，判斷出壓強(qiáng)發(fā)生了什么變化？

（4）分析現(xiàn)象得到什么結(jié)論.

通過演繹法，筆者抓住“流速”這個(gè)關(guān)鍵詞設(shè)置問題， ，引導(dǎo)學(xué)生帶著“怎樣使它流動”的疑問去自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與展示方案，又進(jìn)一步讓學(xué)生在探究活動中嘗試運(yùn)用“觀察法、分析法”等科學(xué)方法，從而在學(xué)生的頭腦中形成更穩(wěn)定的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，把獨(dú)立思考和分析問題的科學(xué)方法潛移默化的滲透到學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)中，使學(xué)生的思維得到了訓(xùn)練與發(fā)展，為顯化科學(xué)方法教學(xué)奠定了豐厚的基礎(chǔ).

2.4“轉(zhuǎn)換法”破難點(diǎn)，提升思維

本節(jié)課的一個(gè)難點(diǎn)是學(xué)生難以理解飛機(jī)的機(jī)翼模型上凸下平會導(dǎo)致機(jī)翼的上方流速大，下方的流速小.純理論的分析學(xué)生理解難度大，很多課例采取的是動畫講解，一定程度上幫助了學(xué)生理解，但是學(xué)生接受起來依然有些吃力.科學(xué)家丁肇中說過，“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，理論不能推翻實(shí)驗(yàn)”.筆者通過轉(zhuǎn)換法的實(shí)驗(yàn)思想，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，變抽象為直觀，幫助學(xué)生理解.

[教學(xué)片斷4]

教師用“飛機(jī)的升力演示儀器”演示飛機(jī)起飛.

師：老師提供兩個(gè)儀器：風(fēng)速表和壓強(qiáng)計(jì)，它們可以分別測量風(fēng)速的快慢和壓強(qiáng)，測量的結(jié)果將顯示在液晶顯示屏上.接下來，把這風(fēng)速表和壓強(qiáng)計(jì)交給第一小組的同學(xué)，讓他們分別測出機(jī)翼上、下方的流速和壓強(qiáng).

……

通過“轉(zhuǎn)化法”化抽象為直觀，對比、分析機(jī)翼上、下方的氣體壓強(qiáng)與流速，學(xué)生很好地接受了機(jī)翼模型對于流速的影響，此時(shí)再引導(dǎo)學(xué)生抽象出機(jī)翼模型進(jìn)行分析，更有利于學(xué)生理解現(xiàn)象的本質(zhì)，提升學(xué)生的思維能力.

3教學(xué)的反思

方法是通向能力的橋梁，能力既依賴于知識，更依賴于方法;在某種意義上，方法本身就是能力的一部分[1].反思整個(gè)過程，筆者認(rèn)為，教學(xué)邏輯程序、物理知識的建構(gòu)，難點(diǎn)的突破都可以找到對應(yīng)的科學(xué)方法.“神奇的升力”以“類比法—演繹法——轉(zhuǎn)換法”方法為知識的內(nèi)核與脈絡(luò)組織教材，安排教學(xué)的過程，讓知識的建構(gòu)水到渠成.

4實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯化科學(xué)方法注意的問題

4.1教師要學(xué)會分析與挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)中的科學(xué)方法

張憲魁教授在《物理科學(xué)方法教育》和邢紅軍教授在《初中物理科學(xué)方法教育》的著作中都提到，目前很多教材都沒有顯性地提示科學(xué)方法.因此，通過分析和挖掘教材中的科學(xué)方法，才有可能給學(xué)生“顯性”總結(jié)和傳授科學(xué)方法.而實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)方法是按科學(xué)實(shí)驗(yàn)的程序伴隨學(xué)生的認(rèn)知過程呈現(xiàn)，比較切合科學(xué)研究的實(shí)際，因此我們可以沿實(shí)驗(yàn)探究過程理出“方法線”和“知識線”，根據(jù)科學(xué)方法邏輯設(shè)計(jì)和開展教學(xué)活動.

4.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科學(xué)方法顯化應(yīng)當(dāng)遵循適度原則

科學(xué)方法教育是以知識教學(xué)為載體的滲透教育，并不是“重方法，輕知識”， 更不是要求把教材中所涉及的所有方法均顯化處理.因此，進(jìn)行科學(xué)方法的顯性教育，一方面要注意寓方法教育于知識教育中，把方法視為知識的內(nèi)核與脈絡(luò)來安排教學(xué)活動;另一方面，教師需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，抓住對學(xué)生思維發(fā)展有益的“方法”，以此為主其他方法為輔進(jìn)行方法教育.

英國教育家愛德華德波諾認(rèn)為“教育就是教人思維”.初中的物理教學(xué)不僅僅是通過實(shí)驗(yàn)掌握知識，更重要的是使學(xué)生掌握科學(xué)的思維方式.針對學(xué)生思維特點(diǎn)，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中通過顯化科學(xué)方法，促進(jìn)了學(xué)生的知識學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社.2015.

[2]華東地區(qū)初中物理教材編寫組.物理（八年級下冊）[M].廣東：廣東教育出版社，2015.

[3]邢紅軍.初中物理科學(xué)方法教育[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社.2015.

[4]陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.