徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究院,江蘇 南通 226001)

隨著新課程改革的進(jìn)一步深化,“核心素養(yǎng)”成為了教育熱詞,對(duì)于物理學(xué)科而言,物理核心素養(yǎng)則反映的是物理學(xué)習(xí)和知識(shí)內(nèi)化過程中帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),其要素包含“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面,核心素養(yǎng)的發(fā)展離不開這其中的任何一個(gè)方面．本文選擇“科學(xué)思維”這一視角進(jìn)行分析,“思維”即通常所說的“思考”,新課標(biāo)中“科學(xué)思維”要素,本質(zhì)包含“情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識(shí)、質(zhì)疑創(chuàng)新”等方面．因此,發(fā)展科學(xué)思維是學(xué)生在研究物理問題時(shí)運(yùn)用科學(xué)的思想與方法對(duì)問題所給的已知信息進(jìn)行加工,最終獲得新信息的思考過程．注重“科學(xué)思維”的高中物理教學(xué),知識(shí)、概念是學(xué)習(xí)活動(dòng)的載體而并非目標(biāo),其目標(biāo)在于能夠找到認(rèn)識(shí)和研究自己所處世界的科學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)的提升．本文結(jié)合具體的教學(xué)案例,就如何以“科學(xué)思維”主導(dǎo)高中物理教學(xué)架構(gòu)．

1 以“科學(xué)思維”主導(dǎo)高中物理教學(xué)架構(gòu)

物理并非只是概念、規(guī)律、理論及其它們形成的知識(shí)結(jié)構(gòu),與物理知識(shí)相比,科學(xué)思維更能體現(xiàn)人類理性和智慧,對(duì)于問題的研究與解決具有更為廣泛的遷移效應(yīng)．為此,筆者認(rèn)為高中物理教學(xué)可以以科學(xué)思維為主導(dǎo)組織課程教學(xué)架構(gòu),借此實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)學(xué)習(xí)與物理核心素養(yǎng)同步發(fā)展．

以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),知識(shí)是載體,學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo),通過創(chuàng)設(shè)知識(shí)學(xué)習(xí)情境,引導(dǎo)學(xué)生在研究具體問題的過程中實(shí)現(xiàn)“情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識(shí)、質(zhì)疑創(chuàng)新”,體驗(yàn)、內(nèi)化科學(xué)家研究自然所運(yùn)用的科學(xué)思想與方法,然后再創(chuàng)設(shè)知識(shí)應(yīng)用情境,引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用物理思想與方法解決問題的過程中形成穩(wěn)定的科學(xué)思維．整個(gè)過程中,學(xué)生不僅有科學(xué)思維的發(fā)展,在物理核心素養(yǎng)的其他3個(gè)方面也協(xié)同提升．

以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),可以分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié).

環(huán)節(jié)1:文化重演．文化重演提升學(xué)生“情境轉(zhuǎn)換”的思維水平,引導(dǎo)學(xué)生走近前人思考物理知識(shí)和探索物理規(guī)律的起源,即為什么要建立這樣的概念?在這一概念或規(guī)律建立前,解決問題時(shí)遇到了怎樣的困難?在情境轉(zhuǎn)換中,同時(shí)有初步的“質(zhì)疑創(chuàng)新”思維的參與．

環(huán)節(jié)2:邏輯推理．科學(xué)思維的發(fā)展以物理知識(shí)、實(shí)驗(yàn)、理論等作為支撐,邏輯推理的過程是“現(xiàn)象分析”的過程,以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu)領(lǐng)引學(xué)生進(jìn)行必要的邏輯推理,讓學(xué)生感受到科學(xué)思維的力量．

環(huán)節(jié)3:科學(xué)猜想．這是學(xué)生創(chuàng)新思維發(fā)展的重要環(huán)節(jié),科學(xué)猜想不是主觀臆斷,“證據(jù)意識(shí)”在此過程中得到充分的體現(xiàn),是基于邏輯推理后破舊立新的發(fā)端,通過該環(huán)節(jié)能夠展現(xiàn)科學(xué)思維的魅力．

環(huán)節(jié)4:構(gòu)思實(shí)驗(yàn)．這是基于前3個(gè)環(huán)節(jié)后創(chuàng)新思維的展現(xiàn),構(gòu)思實(shí)驗(yàn)是“質(zhì)疑創(chuàng)新”的集中體現(xiàn)．構(gòu)思實(shí)驗(yàn)的方法有很多,通?？梢砸I(lǐng)學(xué)生采用置換背景的方式．物理規(guī)律的建立基于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu)讓學(xué)生自主構(gòu)思實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理思想與方法解決問題,有助于激活并形成穩(wěn)定的科學(xué)思維．

下面,筆者結(jié)合人教版必修1物理教材第2章第6節(jié)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”進(jìn)行教學(xué)案例分析．

2 教學(xué)案例——伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

2.1 基于科學(xué)思維發(fā)展的教材分析

教材分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一,教師要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際確定教學(xué)內(nèi)容,并在核心素養(yǎng)指引下分析教材內(nèi)容的設(shè)計(jì)特點(diǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效整合．以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),首先從科學(xué)思維的角度研究教材內(nèi)容．

本節(jié)課的主要內(nèi)容可以概述為“破而后立”,教材介紹了伽利略從邏輯的角度否定了亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí),在此基礎(chǔ)上提出自己的觀點(diǎn),并通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)推理進(jìn)行了證實(shí)．

本節(jié)內(nèi)容承接“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié),學(xué)生已經(jīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了正確的認(rèn)識(shí),再回溯理論的發(fā)現(xiàn)過程有何意義呢?筆者認(rèn)為,教材這樣設(shè)計(jì)的目的不再是對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索,而是要讓學(xué)生重新置身于伽利略所處的歷史年代,讓學(xué)生深刻思考并感悟伽利略探索的整個(gè)過程,從中發(fā)現(xiàn)隱含在其中的科學(xué)思想和方法．

教師教學(xué)時(shí),往往把它作為閱讀材料讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)．筆者認(rèn)為,教材編寫組既然以獨(dú)立的章節(jié)來呈現(xiàn)這節(jié)內(nèi)容,其目的就是對(duì)學(xué)生進(jìn)行方法引導(dǎo),引導(dǎo)學(xué)生感悟物理研究思想的價(jià)值．就自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律探索而言,在現(xiàn)在的技術(shù)條件下,很多操作是相當(dāng)簡(jiǎn)單的,對(duì)應(yīng)現(xiàn)象也是一目了然,因此對(duì)思維培養(yǎng)的力度相對(duì)較小．但是,如果將理論建立的過程放在伽利略的時(shí)代,不完備的概念框架,再加上粗陋的實(shí)驗(yàn)條件,要讓問題得以解決,就必須充分發(fā)揮思維的力量,比如伽利略采用反證法發(fā)現(xiàn)亞里士多德觀點(diǎn)的謬誤,用科學(xué)猜想和數(shù)學(xué)方法探索出正確的規(guī)律.這些都值得我們?cè)诮虒W(xué)中引導(dǎo)學(xué)生加以揣摩和探索,從中感悟科學(xué)思想的光輝．

2.2 以科學(xué)思維主導(dǎo)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容并不陌生,如果教師的引導(dǎo)不夠恰當(dāng),很容易讓學(xué)生的思維陷入停滯,他們只會(huì)被動(dòng)地獲取學(xué)習(xí)信息,卻不能積極主動(dòng)地進(jìn)行思考.這顯然是教學(xué)過程中必須要極力避免的．因此教師要巧妙設(shè)計(jì)課堂活動(dòng),有效促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展．

環(huán)節(jié)1:文化重演——“情境轉(zhuǎn)換”中追溯謬誤產(chǎn)生的根源.

問題情境1:有關(guān)落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),亞里士多德、伽利略分別給出了怎樣的結(jié)論?

學(xué)生簡(jiǎn)單思考,給出回答:亞里士多德認(rèn)為物體下落的快慢由其重量來決定,物體越重,下落的越快;伽利略則認(rèn)為物體下落的快慢與其重量沒有關(guān)系,重的物體和輕的物體下落得一樣快．

問題情境2:課前,教師讓學(xué)生帶調(diào)查問卷(圖1)回家請(qǐng)家長完成,能夠歸納出怎樣的結(jié)論呢?

學(xué)生交流調(diào)查結(jié)果,匯總發(fā)現(xiàn)不少家長依然給出和亞里士多德一樣的結(jié)論,所給出的理由主要是對(duì)生活經(jīng)驗(yàn)的直接總結(jié)．

調(diào)查問卷

家長您好，我們正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，需要了解大家對(duì)“物理下落現(xiàn)象的認(rèn)知程度”.所以懇請(qǐng)您花幾分鐘時(shí)間幫助我們回答以下兩個(gè)問題，本問卷不記名，但是希望得知答卷人的年齡學(xué)歷和職業(yè)，所有數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析，請(qǐng)您放心填寫，謝謝您的幫助.

圖1

師:亞里士多德結(jié)論從而何來?現(xiàn)在仍有許多人堅(jiān)持這一觀點(diǎn),原因是什么?

生:這些錯(cuò)誤結(jié)論源于對(duì)自然現(xiàn)象的直接觀察和總結(jié),沒有經(jīng)過詳細(xì)的分析和比較,這是其錯(cuò)誤的原因．

師:伽利略如何論證亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的?

生:采用邏輯推理和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等研究方法．

設(shè)計(jì)思路:科學(xué)思維對(duì)應(yīng)著科學(xué)的認(rèn)知活動(dòng),是對(duì)感性素材進(jìn)行加工和處理的基本過程．亞里士多德理論的錯(cuò)誤性就在于其認(rèn)識(shí)太過感性,引導(dǎo)學(xué)生探索這些問題就是要讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到科學(xué)思維的實(shí)質(zhì)．當(dāng)學(xué)生明晰這一點(diǎn)之后,教師再引導(dǎo)學(xué)生將思維導(dǎo)向伽利略的探索過程,讓學(xué)生以更加理性的思維展開分析和研究,這對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展大有裨益．

環(huán)節(jié)2:邏輯推理——“現(xiàn)象分析”中展示科學(xué)思維的力量.

問題情境:請(qǐng)大家自主閱讀教材內(nèi)容,簡(jiǎn)述伽利略否定亞里士多德觀點(diǎn)的基本操作．

學(xué)生思考并進(jìn)行討論,給出以下結(jié)論:伽利略從亞里士多德的觀點(diǎn)出發(fā),指出如果大石頭的下落速度快,小石頭下落的速度慢,如果將二者捆綁在一起,則大石頭運(yùn)動(dòng)會(huì)被小石頭拖慢,因此整體速度會(huì)比大石頭小一些;但是整個(gè)捆綁在一起時(shí),其總重量變大,則速度又應(yīng)該大于之前的大石頭速度．這種自相矛盾的結(jié)論,說明亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的．

師:上述研究方法有什么特點(diǎn)呢?

生:先認(rèn)為某種觀點(diǎn)是正確的,然后由此延伸出去得出自相矛盾的結(jié)論,進(jìn)而確認(rèn)原先觀點(diǎn)的錯(cuò)誤,這是反證法．

師:在此基礎(chǔ)上,伽利略有沒有提出自己的觀點(diǎn)?

生:有,他認(rèn)為輕重物體下落時(shí)應(yīng)該一樣快．

設(shè)計(jì)思路:伽利略推翻亞里士多德有關(guān)落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的結(jié)論在物理學(xué)史上是一個(gè)大事件.這充分彰顯了科學(xué)思維的力量,同時(shí)也從側(cè)面指明科學(xué)理論的第一準(zhǔn)則就是自洽性．學(xué)生對(duì)這段史實(shí)并不陌生,如果由教師來重新講述這段歷史,學(xué)生只會(huì)感到索然無味,直接讓學(xué)生自主閱讀,并進(jìn)行總結(jié),反而有助于學(xué)生自發(fā)體會(huì)其中的思維力量．此外,反證法是最能體現(xiàn)思維嚴(yán)謹(jǐn)性的科學(xué)方法,這一方法在物理教學(xué)中還有廣泛的運(yùn)用,比如有關(guān)等勢(shì)面與電場(chǎng)線的關(guān)系研究、靜電平衡規(guī)律探索等等都有所涉及,在此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方法總結(jié)是很有必要的．

環(huán)節(jié)3:科學(xué)猜想——“證據(jù)意識(shí)”下展現(xiàn)科學(xué)思維的魅力.

問題情境:伽利略指出輕重物體下落同樣快之后,是否止步于此了呢?

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容,回顧伽利略的探索過程,并在對(duì)話中引導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)思維的強(qiáng)大魅力．

師:伽利略在研究過程中首先遇到的困難是什么?

生:伽利略首先遇到的困難是概念上的缺失．為了更加有效地完成研究,伽利略建立了描述運(yùn)動(dòng)所需要的概念,包括平均速度、瞬時(shí)速度和加速度等等．

師:伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有何猜想呢?

生:伽利略相信,自然規(guī)律是簡(jiǎn)潔明了的．據(jù)此,他提出落體運(yùn)動(dòng)是一種最簡(jiǎn)單的變速運(yùn)動(dòng),即速度變化是均勻的．

師:如何描述這種“均勻”?

生:伽利略有兩種設(shè)想,其一是速度隨時(shí)間均勻變化,其二是速度隨位移均勻變化．但是如果采用后一種觀點(diǎn),則只會(huì)讓運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜,伽利略采用了第一個(gè)設(shè)想．

設(shè)計(jì)思路:科學(xué)猜想不是胡亂臆想,它是科學(xué)思維的重要結(jié)晶．我們指導(dǎo)學(xué)生研究伽利略的探索過程,就要指導(dǎo)學(xué)生體會(huì)伽利略研究過程中的整個(gè)猜想思路．在上述設(shè)計(jì)中,學(xué)生先體會(huì)到伽利略建構(gòu)物理概念的重要意義,然后再分析猜想提出的過程,教師要讓學(xué)生明確伽利略猜想的形成緣由．

環(huán)節(jié)4:置換背景——“質(zhì)疑創(chuàng)新”中推高穩(wěn)定的思維水平.

問題情境:猜想是否成立,伽利略是如何通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)的呢?

伽利略當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件相當(dāng)簡(jiǎn)陋,也正因?yàn)槿绱?科學(xué)思維在其中發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用,教師要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)身處地回到當(dāng)時(shí)的背景,引導(dǎo)學(xué)生明確伽利略問題處理的困難,引導(dǎo)學(xué)生在思考中重新領(lǐng)會(huì)伽利略實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的閃光點(diǎn)．

師:伽利略在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中遇到哪些困難?

生:在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下,伽利略無法準(zhǔn)確地測(cè)定物體運(yùn)動(dòng)的速度;且計(jì)時(shí)手段也非常簡(jiǎn)陋,不足以記錄落體運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間．

師:伽利略是如何克服困難的呢?

生:雖然無法測(cè)定速度,但是伽利略采用數(shù)學(xué)手段,確認(rèn)如果速度與時(shí)間成正比,則位移就正比于時(shí)間的平方,以此可以完成對(duì)猜想的證明．另外,考慮到落體運(yùn)動(dòng)的進(jìn)程太快,伽利略在斜面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以此來沖淡重力的影響,延緩運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間．實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明,物體在斜面上的運(yùn)動(dòng)確實(shí)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)．

師:上述結(jié)論是在斜面上實(shí)驗(yàn)得到的,怎樣得出落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律呢?

生:伽利略對(duì)已有結(jié)論進(jìn)行了合理外推,即逐步增大斜面的角度,當(dāng)角度趨近于90°時(shí),運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景就是落體運(yùn)動(dòng),因此可以明確這一結(jié)論也適用于落體運(yùn)動(dòng)．

最后,我們教師可以進(jìn)一步拓展,如果按照現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)條件,你會(huì)如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)?(可以作為作業(yè)布置給學(xué)生去課后思考,促進(jìn)學(xué)生內(nèi)化前面學(xué)習(xí)的研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法與思想,同時(shí)學(xué)生又能夠升華伽利略的研究過程,感受科學(xué)思維的魅力)

設(shè)計(jì)思路:伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的探索開創(chuàng)了人們將實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)學(xué)推理整合起來研究物理的先河,其中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維內(nèi)涵．在教學(xué)過程中,教師要注意指導(dǎo)學(xué)生分析伽利略實(shí)驗(yàn)中所面臨的困難,并由此來領(lǐng)會(huì)伽利略設(shè)計(jì)的精妙之處,從中收獲思維的啟迪．

3 科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)的思考

如何更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維,是眾多物理教師在教學(xué)中一直在思考和探索的．物理習(xí)題的解答,探究問題的解決,實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)施等等,這些都可以成為學(xué)生思維發(fā)展的重要平臺(tái)．那么在常態(tài)化的物理課堂上,我們還有那些細(xì)節(jié)值得進(jìn)一步發(fā)掘,以便對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展起到更好地促動(dòng)呢?

3.1 重視物理學(xué)史在科學(xué)思維培養(yǎng)中的價(jià)值

物理學(xué)史記載著物理理論的發(fā)展進(jìn)程,其中每一項(xiàng)突破都對(duì)應(yīng)著科學(xué)家超凡的智慧和靈動(dòng)的思維,我們?cè)诮虒W(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生回溯歷史,重新經(jīng)歷科學(xué)家發(fā)現(xiàn)結(jié)論的過程,讓學(xué)生感受知識(shí)背后的方法和思想．

借助學(xué)史內(nèi)容來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),關(guān)鍵要讓學(xué)生重新回到當(dāng)時(shí)的歷史背景下,明確理論突破的重要意義,感受探索過程的艱難．事實(shí)上,如果脫離了歷史背景來感受物理規(guī)律的形成,學(xué)生將很難體會(huì)科學(xué)思維的力量．

比如,伽利略推翻亞里士多德有關(guān)落體運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn),這不但需要智慧,更需要勇氣,因?yàn)楫?dāng)時(shí)亞里士多德的理論在西方文明中占據(jù)著主導(dǎo)性到位,伽利略所做的工作必須要從思維的角度,一針見血地指明問題的存在,這樣的處理才能彰顯科學(xué)思維的強(qiáng)大力量,學(xué)生才能真正獲得觸動(dòng)．

3.2 領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)思維培養(yǎng)的意義

在核心素養(yǎng)的框架下,科學(xué)探究與科學(xué)思維本是一組平等的存在,但是兩者又相互交融,共同推動(dòng)著理論的發(fā)展．在物理教學(xué)中,教師要善于引領(lǐng)學(xué)生感悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)在意義,讓學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)思維浸潤其中,并以此讓學(xué)生的思維得到培養(yǎng)．

筆者一直認(rèn)為,高中物理實(shí)驗(yàn)不單純只是操作,更多應(yīng)該是設(shè)計(jì)、改進(jìn)、分析,以及實(shí)驗(yàn)過程中的問題處理,而這些都對(duì)應(yīng)著科學(xué)思維運(yùn)用．

比如,伽利略為什么用斜面實(shí)驗(yàn)間接進(jìn)行研究,如何進(jìn)行合理外推等等,這些都是科學(xué)思維的體現(xiàn)．我們?cè)诮虒W(xué)中引導(dǎo)學(xué)生分析這些內(nèi)容,就是在對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行發(fā)掘和培養(yǎng),也是對(duì)學(xué)生探究意識(shí)的發(fā)展．

3.3 在互動(dòng)與對(duì)話中激活學(xué)生的思維

高中物理教學(xué)中,科學(xué)思維有沉靜的一面,更有火熱的一面．面對(duì)一個(gè)物理問題,我們強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠靜下心來深度思考,更要通過對(duì)話與互動(dòng)進(jìn)行激發(fā)和促動(dòng)．教師要通過問題設(shè)計(jì)激活學(xué)生的思維,讓學(xué)生主動(dòng)展開探索和研究,并在學(xué)生的思維陷入僵局時(shí),對(duì)學(xué)生予以必要的點(diǎn)撥,幫助學(xué)生突破思維障礙．

互動(dòng)與對(duì)話對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展意義重大,教師不僅要通過自己的力量引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思維,同時(shí)也要指導(dǎo)學(xué)生在生生、師生互動(dòng)中碰撞思維,引導(dǎo)學(xué)生更新思維方法,提升思維品質(zhì)．