貴州 胡道成

科學(xué)思維是我國(guó)中學(xué)物理課程目標(biāo)的重要組成部分，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心。科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)知方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑并進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新幾個(gè)方面。教師在高考命題以科學(xué)知識(shí)為載體，以科學(xué)思維為核心，因此聚焦科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，是提高學(xué)生解題能力的關(guān)鍵。在高考備考復(fù)習(xí)中教師要充分開發(fā)知識(shí)內(nèi)容與思想方法的雙重價(jià)值，為學(xué)生的思維發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)最佳的情境，把思考和想象的空間留給學(xué)生，把認(rèn)知和理解的過程留給學(xué)生，讓他們?cè)讷@取知識(shí)的同時(shí)訓(xùn)練思維能力，有效提升學(xué)生的解題能力。

一、對(duì)“模型建構(gòu)”思維的考查

物理模型是一種理想化的物理形態(tài)，將復(fù)雜的實(shí)際情境抽象為理想模型是研究物理問題的基本方法，這個(gè)過程就是“模型構(gòu)建”，需要利用抽象化、理想化、簡(jiǎn)化、類比等方法把研究對(duì)象的物理學(xué)本質(zhì)突顯出來，形成概念或?qū)嵨矬w系，即為解題所需要的物理模型。建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法，教學(xué)過程中要讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過建構(gòu)模型來研究問題。從本質(zhì)上說，分析物理問題的過程就是將研究對(duì)象或過程加以合理地簡(jiǎn)化，突出主要因素，忽略次要因素，從而構(gòu)建物理模型。通過分析、判斷、比較等思維得出一幅清晰的物理圖景，把陌生問題通過類比轉(zhuǎn)化成熟悉的常規(guī)物理模型，是解決物理問題的關(guān)鍵。

【例1】(人教版3-2補(bǔ)充習(xí)題)如圖1所示，在操場(chǎng)上，兩同學(xué)相距L=10 m左右，在東偏北、西偏南11°的沿垂直于地磁場(chǎng)方向的兩個(gè)位置上，面對(duì)面將一并聯(lián)銅芯雙絞線，像甩跳繩一樣搖動(dòng)，并將線的兩端分別接在靈敏電流表上。雙絞線并聯(lián)后的電阻R為2 Ω，繩搖動(dòng)的頻率配合節(jié)拍器的節(jié)奏，保持f=2 Hz。如果某同學(xué)搖動(dòng)繩子的最大圓半徑h=1 m，電流表的最大值I=3 mA。

圖1

(1)試估算地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)并寫出B的數(shù)學(xué)表達(dá)式。(用R,I,L,f,h等已知量表示)

(2)將兩人的位置改為與剛才方向垂直的兩點(diǎn)上，那么電流表的讀數(shù)是多少？

【分析與解答】(1)想象我們站到兩個(gè)同學(xué)站立的直線上某同學(xué)的后面一定距離處，當(dāng)兩個(gè)同學(xué)搖動(dòng)雙絞線時(shí)，我們可以近似地認(rèn)為他們正在讓一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的直導(dǎo)線做最大圓半徑為h的圓周運(yùn)動(dòng)，得到如圖2所示的模型。

圖2

(2)將兩人的位置改為與剛才方向垂直時(shí)，搖動(dòng)一周穿過回路的磁通量的變化量為零，電流表的示數(shù)為零。

【點(diǎn)評(píng)】題目以搖繩發(fā)電為背景素材，考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力(圓周運(yùn)動(dòng)模型)，解題的關(guān)鍵在于將雙絞線抽象、簡(jiǎn)化后視為一根長(zhǎng)直導(dǎo)線，通過從同學(xué)背后去觀察而想象出長(zhǎng)直導(dǎo)線在做圓周運(yùn)動(dòng)。解決問題的過程，實(shí)際上就是還原命題者設(shè)置的物理模型的過程，抓住了“模型建構(gòu)”這個(gè)關(guān)鍵，也就把握了問題的實(shí)質(zhì)。在備考復(fù)習(xí)中我們講解習(xí)題時(shí)要注重把知識(shí)的來龍去脈及整體邏輯思維過程留給學(xué)生去探尋，提升學(xué)生認(rèn)識(shí)理解能力與遷移應(yīng)用能力，理清知識(shí)的“生長(zhǎng)點(diǎn)”和“延伸點(diǎn)”，才能通過想象和類比來“建立模型”。

涉及建立物理模型的試題本身充滿了“創(chuàng)新性”，可以肯定這種命題方式在未來會(huì)得到繼承和發(fā)揚(yáng)。復(fù)習(xí)階段要把斜面模型、傳送帶模型、子彈打木塊模型、板塊模型、圓周運(yùn)動(dòng)類模型、平拋運(yùn)動(dòng)類模型、運(yùn)動(dòng)的合成與分解模型、楞次定律模型、電磁感應(yīng)中的最終穩(wěn)態(tài)模型等讓學(xué)生熟悉化，樹立模型意識(shí)，增強(qiáng)模型識(shí)別與遷移應(yīng)用能力，為迅速解決問題提供保障。

二、對(duì)“科學(xué)推理”思維的考查

科學(xué)推理是人們思維活動(dòng)的過程，是根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷及對(duì)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在某種情境和過程中推出可能性結(jié)論的思維過程。物理學(xué)中關(guān)于模型的構(gòu)建，需要學(xué)生根據(jù)已有的事實(shí)，經(jīng)過觀察、猜想、比較后，再進(jìn)行歸納、類比、估算等思維活動(dòng)，從而得出結(jié)論的過程。它不是完全憑空想象，而是根據(jù)一定的知識(shí)和方法作出探索性的判斷。選擇題是考查學(xué)生科學(xué)推理能力較為常見的命題形式，在備考復(fù)習(xí)中教會(huì)學(xué)生去經(jīng)歷基于證據(jù)的、嚴(yán)密的邏輯推理是一個(gè)值得推崇的復(fù)習(xí)策略。

【例2】(2019年全國(guó)卷Ⅰ15題)如圖3所示，空間存在一方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)，兩個(gè)帶電小球P和Q用相同的絕緣細(xì)繩懸掛在水平天花板下，兩細(xì)繩都恰好與天花板垂直，則

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圖3

A.P和Q都帶正電荷

B.P和Q都帶負(fù)電荷

C.P帶正電荷，Q帶負(fù)電荷

D.P帶負(fù)電荷，Q帶正電荷

【分析與解答】由于兩個(gè)帶電小球之間一定存在庫(kù)侖力的作用，同時(shí)也因?yàn)樗鼈兲幱谥亓?chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)中而必然要受到重力和電場(chǎng)力的作用。一旦選擇單個(gè)小球?yàn)檠芯繉?duì)象就難以找到突破口，轉(zhuǎn)而把兩個(gè)小球視為一個(gè)整體，則它們之間的相互作用力屬于內(nèi)力，可暫且不計(jì)。對(duì)P、Q整體而言，因?yàn)閮杉?xì)繩都恰好與天花板垂直，足以說明在水平方向上整體所受的電場(chǎng)力必然為零，根據(jù)F=qE可推知總電荷量q必為零，這只能是P、Q帶有等量異種電荷，選項(xiàng)AB錯(cuò)誤；然后隔離出P小球進(jìn)行受力分析，假設(shè)P帶正電荷，則Q帶負(fù)電荷，這樣勻強(qiáng)電場(chǎng)和電荷Q對(duì)它的作用力方向都向右，絕緣細(xì)繩不可能與天花板垂直，所以只能是P帶負(fù)電荷Q帶正電荷，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。

【點(diǎn)評(píng)】試題以帶電小球在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的受力平衡為背景，考查學(xué)生對(duì)電場(chǎng)力、庫(kù)侖定律、平衡條件、牛頓第三定律及受力分析的掌握情況，真正的難點(diǎn)在于能恰當(dāng)使用整體法和隔離法，對(duì)兩個(gè)小球的帶電情況需要進(jìn)行假設(shè)、推理、討論。備考復(fù)習(xí)中教師要強(qiáng)化學(xué)生的證據(jù)意識(shí)、重視培養(yǎng)學(xué)生在分析論證過程中遵循嚴(yán)密的邏輯推理思路，抓住基本的物理知識(shí)，在“識(shí)記、理解、應(yīng)用”的基礎(chǔ)上，達(dá)到“分析、綜合”的思維層次，從而得出可靠的結(jié)論。

三、對(duì)“科學(xué)論證”思維的考查

科學(xué)論證是面向未確定的科學(xué)問題，通過社會(huì)性的協(xié)作過程，為自己的觀點(diǎn)提供支持，并批駁相應(yīng)的觀點(diǎn)，以解決問題并獲取知識(shí)的活動(dòng)。物理解題過程中的科學(xué)論證能力，是個(gè)體面對(duì)具體的物理現(xiàn)象或問題時(shí)，根據(jù)物質(zhì)觀、能量觀、相互作用觀及相應(yīng)的物理概念、規(guī)律、原理等物理知識(shí)，通過嚴(yán)密的科學(xué)推理而得出自己結(jié)論的過程。教師通過有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型識(shí)別，根據(jù)物理規(guī)律結(jié)合物理方法列出相應(yīng)的表達(dá)式、進(jìn)行正確的計(jì)算等科學(xué)論證可以提升學(xué)生的解題能力。教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)自主參與、將物理知識(shí)與思想方法內(nèi)化、領(lǐng)悟后對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行歸納、整理并進(jìn)行遷移運(yùn)用的過程。

【例3】(2019年江蘇高考第8題)如圖4所示，輕質(zhì)彈簧的左端固定，并處于自然狀態(tài)。小物塊的質(zhì)量為m，從A點(diǎn)向左沿水平地面運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧后被彈回，運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)恰好靜止。物塊向左運(yùn)動(dòng)的最大距離為s，與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g，彈簧未超出彈性限度。在上述過程中

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圖4

A.彈簧的最大彈力為μmg

B.物塊克服摩擦力做的功為2μmgs

C.彈簧的最大彈性勢(shì)能為μmgs

【點(diǎn)評(píng)】本題考查受力分析、論證能力，涉及功的計(jì)算和能量守恒定律、動(dòng)能定理的應(yīng)用，體現(xiàn)了考查核心素養(yǎng)的“能量觀念”要求，意在考查學(xué)生的理解能力與科學(xué)論證能力。備考復(fù)習(xí)中教師要注意引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)物理情境分析清具體的運(yùn)動(dòng)過程及其滿足的基本規(guī)律，在“過程剖析”前后階段速度關(guān)系”上認(rèn)真分析，充分利用“能量觀念、相互作用觀念”及具體的物理概念、規(guī)律作為推理論證及列式進(jìn)行求解。

四、對(duì)“質(zhì)疑創(chuàng)新”思維的考查

質(zhì)疑創(chuàng)新是運(yùn)用創(chuàng)新思維綜合已有的研究成果和證據(jù)對(duì)他人的結(jié)論提出否定意見，提出新觀念、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律，建立新理論模型的過程。高中物理概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都蘊(yùn)含著物理創(chuàng)新思維的成分，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要價(jià)值。在核心素養(yǎng)背景下，高考題有意考查學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的意圖已初見端倪，值得備考復(fù)習(xí)時(shí)予以足夠的關(guān)注。

【例4】(2019年北京卷21題節(jié)選)(1)伽利略曾研究過平拋運(yùn)動(dòng)，他推斷：從同一炮臺(tái)水平發(fā)射的炮彈，如果不受空氣阻力，不論它們能射多遠(yuǎn)，在空中飛行的時(shí)間都一樣。這實(shí)際上揭示了平拋物體________。

A.在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)

B.在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)

C.在下落過程中機(jī)械能守恒

(2)牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn)，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星。同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會(huì)從做平拋運(yùn)動(dòng)逐漸變?yōu)樽鰣A周運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)分析原因。

對(duì)于(2)小題，結(jié)合實(shí)際情境，物體初速度較小時(shí)，其運(yùn)動(dòng)范圍很小，我們是站在“地面”上來研究問題的，實(shí)際上我們的視域是基于地面而把它視為一個(gè)只在重力作用下、以某個(gè)初速度水平拋出的物體來看待的，也就粗略地認(rèn)為地球引力是個(gè)恒力——重力(實(shí)際上地球引力與重力并不相同)，這就滿足了課本中所說的“只在重力作用下，初速度沿水平方向的運(yùn)動(dòng)——平拋運(yùn)動(dòng)”，但隨著物體初速度的增大，運(yùn)動(dòng)范圍將會(huì)變得越來越大，在“地面”上的問題也就變成了在“地球”上的問題，地球?qū)ξ矬w的引力便不能看作方向豎直向下的恒力；當(dāng)物體初速度達(dá)到第一宇宙速度時(shí)，物體將繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)而成為人造地球衛(wèi)星。

【點(diǎn)評(píng)】這種意在考查學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的問題往往需要學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律、原理的由來非常清楚，而且要求學(xué)生具有獨(dú)立思考意識(shí)、能夠基于充足的證據(jù)下提出不同的見解，擁有深厚的物理學(xué)知識(shí)的同學(xué)才能順利作答。可以預(yù)見，許多實(shí)驗(yàn)題會(huì)從“質(zhì)疑創(chuàng)新”能力要求方面來命題，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生深刻理解和熟悉各種基本概念和基本規(guī)律，認(rèn)真分析題目所給的問題情境及物理現(xiàn)象，然后以理論和事實(shí)為依據(jù)，一步步的進(jìn)行邏輯推理和論證，闡釋自己充足的理由。當(dāng)然，教會(huì)學(xué)生表達(dá)也至關(guān)重要，許多學(xué)生大致知道理由，但不能用物理語(yǔ)言來作出準(zhǔn)確的表達(dá)，需要教師平時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生使用物理概念、規(guī)律、原理的物理語(yǔ)言表達(dá)能力。

總之，只有學(xué)生的科學(xué)思維能力得到實(shí)質(zhì)性提高，懂得怎樣去尋找解決問題的方法，才能使解題的思維活動(dòng)得到應(yīng)有的改善和更新，才能獨(dú)立地解決更多的新問題。教師培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力要從思維的深刻性、廣闊性、獨(dú)立性、靈活性和邏輯性等方面著手，要以具體題目為載體，引導(dǎo)學(xué)生在深刻理解物理基本概念和規(guī)律的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確提取解題所需信息，明晰物理過程，增強(qiáng)建模意識(shí)，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，自覺運(yùn)用物理思想方法，善于使用證據(jù)實(shí)現(xiàn)符合邏輯思維的推理、論證和列式計(jì)算，在實(shí)踐中提升自己的科學(xué)思維能力，才能適應(yīng)核心素養(yǎng)背景下的新高考。