楊 軍

（遼寧省農(nóng)村實驗中學(xué)）

物理學(xué)科核心素養(yǎng)指的是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的、帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。而科學(xué)思維能力是構(gòu)成物理核心素養(yǎng)的四個要素之一，科學(xué)思維能力包括分析、綜合、抽象、概括、推理（演繹、歸納、類比）、論證等能力，而我們常用到的等效、外推、控制變量、比值定義等，屬于上述科學(xué)思維能力在物理教學(xué)中的具體體現(xiàn)。物理作為一門重視實驗及邏輯推理的自然科學(xué)類基礎(chǔ)學(xué)科，其教學(xué)目的不僅僅是為學(xué)生科普物理方面的知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力。高中階段正是學(xué)生思維能力和邏輯能力發(fā)展的高峰期，把握這個時期學(xué)生在思維意識上的敏捷性并加以提高，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。在高中物理教學(xué)中，要將科學(xué)思維能力的培養(yǎng)貫穿在其每個環(huán)節(jié)中，可從培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四個能力入手。

一、引領(lǐng)學(xué)生體驗理想模型的建構(gòu)過程

建構(gòu)理想化模型在物理教學(xué)中也稱為理想模型法，即通過建立模型把復(fù)雜的問題簡單化，摒棄次要因素，抓住主要因素，對實際問題進行理想化處理，從而發(fā)現(xiàn)和表達物理規(guī)律。有時，為了更加形象地描述所要研究的物理現(xiàn)象和規(guī)律，需要在物理課堂教學(xué)中引入一些模型。在高中物理課程中，建構(gòu)理想化物理模型的方式包括理想研究對象模型（質(zhì)點、點電荷），理想條件模型（光滑斜面、理想氣體、勻強電磁場），理想裝置模型（理想變壓器、單擺、彈簧振子）、理想運動模型（勻速直線運動、勻變速直線運動，自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程等）。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對學(xué)生的模型建構(gòu)能力要求分為5個層次：一是能說出簡單物理模型；二是能在熟悉的情境中應(yīng)用常見物理模型；三是能在熟悉的情境中選用恰當(dāng)模型解決簡單問題；四是能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型；五是能將較復(fù)雜實際問題的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型。

在針對各種模型的教學(xué)中，教師不能只是直接給出物理概念，讓學(xué)生死記硬背，而是要事先精心設(shè)計好建模的過程，逐步引導(dǎo)學(xué)生將生活中的復(fù)雜問題提煉成引領(lǐng)建模步驟的簡單問題。讓學(xué)生在建模的過程中，了解物理基本規(guī)律在建模中的運用，感悟模型建構(gòu)的各種科學(xué)思維方法，這樣的教學(xué)才能逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。以“平拋物體豎直方向運動規(guī)律”一課為例，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力應(yīng)包含三個過程：經(jīng)歷建模過程，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，領(lǐng)悟思維方法。

（一）經(jīng)歷建模過程，產(chǎn)生直觀模型影像

教師可以從任意角度向空中拋出一個粉筆頭，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察，確定粉筆頭做的是曲線運動，運動中受到重力和空氣阻力的作用。教師提出問題：生活中有哪些運動與粉筆頭的運動相類似？這時學(xué)生可聯(lián)想到許多場景：被運動員投擲的鉛球，飛機在空中投下的炸彈等。教師要再引導(dǎo)學(xué)生對所舉實例進行分析歸類，并指出：有水平速度、只受重力的曲線運動才是平拋運動。生活中平拋的物體，只有在忽略空氣阻力時，才可以看成是平拋運動。學(xué)生經(jīng)歷這種模型建構(gòu)過程，就會在頭腦中形成平拋運動模型清晰的直觀感受，為學(xué)習(xí)新知識奠定牢固的基礎(chǔ)。

（二）透過現(xiàn)象看本質(zhì)，提煉正確的觀點

教師可用實驗儀器演示平拋運動，如圖1所示，教師用小錘敲擊金屬片，提示學(xué)生觀察兩球的運動狀態(tài)，注意聽兩球落地的聲音。學(xué)生通過觀察和聽可以初步確定：A球做曲線運動，B球做落體運動，球落地聲音只有一個，兩球同時落地。

圖1 平拋運動軌跡

師：忽略空氣阻力的影響，A球B球分別做什么運動？

生：A球在金屬片的打擊下獲得水平初速度后只在重力作用下運動，是平拋運動。B球被松開后沒有任何初速度，且只受到重力的作用，是自由落體運動。

師：兩球同時落地能說明什么？

生：A球雖然有水平速度，但豎直方向的初速度是零，而且只受重力作用，說明A球豎直方向與B球運動性質(zhì)完全一樣，即平拋運動豎直方向的分運動是自由落體運動。

從上述課例中可以看出，學(xué)生依據(jù)兩個小球產(chǎn)生的直觀現(xiàn)象，結(jié)合兩球各自的運動規(guī)律，經(jīng)過縝密的思考，探究出兩球之間的相互聯(lián)系，并得出正確的結(jié)論。這樣的教學(xué)使學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了有效提升。

（三）領(lǐng)悟思維方法，達到舉一反三

教學(xué)中構(gòu)建理想模型，需要教師對學(xué)生進行相關(guān)物理知識的引導(dǎo)，也需要學(xué)生領(lǐng)悟解決復(fù)雜問題的科學(xué)思維方法。在得出實驗結(jié)論后，教師要繼續(xù)引導(dǎo)，使學(xué)生能夠舉一反三，促使科學(xué)思維能力得到進一步提升。

師：構(gòu)建理想化模型是進行物理科學(xué)研究的常用方法，在前面的學(xué)習(xí)中，有哪些類似的建模？

生：質(zhì)點、勻變速直線運動、自由落體運動等。

師：本節(jié)課突出了哪些物理科學(xué)的一般思想方法？

生：實驗裝置中斜槽末端應(yīng)保持水平、小球每次都從斜槽同一高度處由靜止開始釋放，這是“控制變量”的思想方法。前面學(xué)習(xí)的如何探究“加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗就是采用這種方法。

師：還有嗎？將復(fù)雜的曲線運動轉(zhuǎn)化成已知的直線運動的規(guī)律來研究，這是“化曲為直”“化繁為簡”的方法；將平拋運動分解為水平勻速直線運動和豎直方向自由落體運動，是“等效代換”“正交分解”的思想方法。

這樣的教學(xué)能使學(xué)生對物理知識的理解產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，使學(xué)生的思維方式更加科學(xué)、合理，使其科學(xué)思維能力得到有效提升。

二、引導(dǎo)學(xué)生進行類比推理

科學(xué)推理指的是由一個或幾個已知結(jié)論推出另一個新結(jié)論的思維方式?？茖W(xué)推理的方式很多，高中物理使用較多的是歸納推理、演繹推理和類比推理等。以類比推理為例，類比推理基本過程為：明確類比的對象；理清各自屬性；對比分析，得出結(jié)論。在教學(xué)中讓學(xué)生經(jīng)歷這三個過程，能夠使他們感悟科學(xué)思維方法，形成科學(xué)思維能力。

以“電壓的作用”一課為例，教學(xué)中運用類比推理發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力應(yīng)包含三個過程：明確類比的對象，形成感性具象思維；理清各自屬性，形成抽象邏輯思維；通過對比分析，形成理性具象思維。

（一）明確類比的對象，形成感性具象思維

這里的感性具象思維指的是學(xué)生在接觸外界事物時感官直接感覺到的具體表象。在物理教學(xué)中可通過讓學(xué)生動手操作實驗和教師演示實驗兩種方式來使學(xué)生明確類比的對象，用感官直接感覺到具體實驗現(xiàn)象，形成感性具象思維。

教師可組織學(xué)生進行小組合作實驗，讓學(xué)生觀察小燈泡通電、斷電時亮度的變化。學(xué)生通過實際操作，依據(jù)實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論：電壓使電路中形成電流，電源是提供電壓的裝置。教師提出類比對象：電壓能使電路形成電流，水壓能使管道有水流，它們有哪些相同之處呢？下面我們通過實驗再來觀察一下水流的產(chǎn)生。教師演示抽水機抽水實驗，學(xué)生觀察水流形成的現(xiàn)象。這樣，通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生充分觀察，明確了類比的對象，形成了感性具象思維。

（二）理清各自屬性，形成抽象邏輯思維

這里的抽象邏輯思維指的是以抽象的概念、判斷、推理為形式的思維，是人類最基本也是運用最廣泛的思維方式。在物理教學(xué)中用類比推理，可通過讓學(xué)生在充分經(jīng)歷觀察的基礎(chǔ)上，去理清觀察到的物理現(xiàn)象背后的各自屬性，形成概念、合理判斷、正確推理，最終形成抽象邏輯思維。

在學(xué)生小組合作動手實驗和教師演示實驗的過程中，學(xué)生要仔細觀察這兩種實驗所產(chǎn)生的現(xiàn)象，并依據(jù)觀察到的電流產(chǎn)生和水流產(chǎn)生現(xiàn)象進行分析類比，教師要使學(xué)生理清這兩種現(xiàn)象的各自屬性：抽水機—水壓—水流；電源—電壓—電流。這樣，學(xué)生在頭腦中就會形象地形成抽水機、水壓、水流、電源、電壓、電流這六個核心概念。同時，在理清這兩種現(xiàn)象各自屬性的過程中，學(xué)生也需要去合理判斷其中的核心概念是如何關(guān)聯(lián)的，最終通過推理，得到實驗原理，形成抽象邏輯思維。

（三）通過對比分析，形成理性具象思維

這里的理性具象思維指的是在感性具體觀察基礎(chǔ)上經(jīng)過思維的分析和綜合，達到對事物多方面屬性或本質(zhì)的把握。由抽象上升到具體的方法，就是由抽象的邏輯起點經(jīng)過一系列發(fā)展和擴散，達到思維具體的過程。在物理教學(xué)中用類比推理，可通過讓學(xué)生在充分經(jīng)歷觀察、理清觀察到現(xiàn)象背后各自屬性的基礎(chǔ)上，經(jīng)過思維的分析和綜合，實現(xiàn)對實驗現(xiàn)象和概念本質(zhì)的掌握，形成理性具象思維。

在本課教學(xué)的最后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生仔細對比分析，得到結(jié)論：水流的形成與電流的形成很相似，因此電壓等同于水壓，抽水機等同于電源。這樣的類比教學(xué)，意圖很明顯：把電壓形成電流這一抽象的現(xiàn)象變成了學(xué)生熟悉的、直觀的水壓形成水流現(xiàn)象，學(xué)生通過對比和分析，形成了理性具象思維。

三、培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識

在物理教學(xué)中，證據(jù)意識是學(xué)生學(xué)習(xí)探究物理規(guī)律必不可少的素養(yǎng)，實驗數(shù)據(jù)的收集和處理，物理結(jié)論、規(guī)律的獲取都必須依賴于證據(jù)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識的要求分五個層次：一是能區(qū)別觀點和證據(jù)；二是能使用簡單和直接的證據(jù)表達自己的觀點；三是能恰當(dāng)使用證據(jù)表達自己的觀點；四是能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論；五是能考慮證據(jù)的可靠性，合理使用證據(jù)。教師在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，可以從以下兩個方面入手。

（一）提高學(xué)生對證據(jù)重要性的認識

證據(jù)是物理科學(xué)發(fā)展的重要支撐，也是科學(xué)思維的重要支點。在物理課堂教學(xué)中，教師可通過講述物理史中一些典型事例來提高學(xué)生對證據(jù)重要性的認識。例如，可講述著名的“泊松亮斑”的故事。法國物理學(xué)家菲涅爾還是學(xué)生的時候，寫了一篇關(guān)于波動說中衍射方面的論文。時任評委的泊松對菲涅爾的理論嗤之以鼻，并通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，指出其衍射理論的漏洞：按照你的說法，圓形擋板后面陰影的圓心處應(yīng)該有一個亮斑。在那個時代，從來沒有人見過陰影中心有亮斑的現(xiàn)象。因此，菲涅爾對自己的理論也產(chǎn)生了懷疑。在朋友的鼓勵下，菲涅爾開始認真做實驗，結(jié)果真的證實了陰影中心有亮斑的現(xiàn)象。在證據(jù)面前，泊松無可辯駁。可見，尋找證據(jù)對于科學(xué)研究來說是多么重要。這樣，學(xué)生就能夠認識到證據(jù)在物理科學(xué)研究中的重要性，也能夠在后續(xù)的物理學(xué)習(xí)中提高證據(jù)意識。

（二）提高學(xué)生對證據(jù)說理的認識

證據(jù)說理是科學(xué)思維的重要組成部分，也是物理發(fā)現(xiàn)的重要表達方式之一。在物理課堂教學(xué)中，教師要創(chuàng)造證據(jù)說理的機會，提高學(xué)生證據(jù)說理的意識。例如，在教學(xué)“失重、超重”時，我和學(xué)生做了一個小互動：我將兩本書分頁插在一起，問學(xué)生能否將兩本書拉開。有幾名男生上來反復(fù)嘗試都失敗了，最后有一名學(xué)生上來，只見他兩手平拉著書，迅速下蹲，書立刻被他輕松地拉開了。該學(xué)生解釋其中的原理：當(dāng)物體處于完全失重狀態(tài)時，物體間的壓力為零，所以書頁之間的摩擦力為零。其他學(xué)生聽了半信半疑，不少人上來嘗試，結(jié)果并沒有順利拉開?？吹綄W(xué)生陷入困惑之中，我及時進行點撥：剛才這名學(xué)生敘述的原理是對的，只是缺少讓人足夠信服的證據(jù)。我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生做另一個小實驗來證明：我取出一個飲料瓶，在瓶下端四周扎幾個眼，然后裝滿水站在凳子上并將瓶子高高舉起，水從瓶眼四處噴射。我提醒學(xué)生注意觀察后，一松手，瓶子自由落下。學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)：瓶子自由落下的過程中，水竟然不往瓶外流出了。這時，所有的學(xué)生都明白了那名學(xué)生講的原理。但我還是糾正了他的說法：他的迅速下蹲還不能達到完全失重，只是失重使書頁間壓力減小，最大靜摩擦減小。所以，有時迅速下蹲也無法保證一定會把書分開。

在物理課堂教學(xué)中，教師要善于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)證據(jù)意識，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，展開深度探究，使證據(jù)意識與物理教學(xué)有效融合，這樣的教學(xué)有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展與探究能力的提升。

此外，科學(xué)探究起于質(zhì)疑，我們還應(yīng)該通過引導(dǎo)學(xué)生不斷質(zhì)疑，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。質(zhì)疑的行為大致可以分為兩個層次：一是對知識了解不夠，沒有弄懂，無法解決具體問題，提出疑問，這是低層次的；二是發(fā)現(xiàn)所觀察到的現(xiàn)象與已有認知不吻合，或者發(fā)現(xiàn)已有認知之間不能相融合，從而對現(xiàn)有認知的科學(xué)性和合理性提出疑問，以至于萌發(fā)出新的猜想，這是高層次的。教學(xué)中，我們應(yīng)倡導(dǎo)高層次的質(zhì)疑行為，因為歷史上物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)都是由高層次的質(zhì)疑行為引發(fā)的。例如，伽利略質(zhì)疑亞里士多德“重的物體下落得快”的論斷。他先通過邏輯推理，指出亞里士多德對落體認識的問題，然后得出重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快的結(jié)論，最后用著名的“比薩斜塔實驗”證實了自己的結(jié)論。

總之，物理課堂教學(xué)中學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是十分重要的，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，不斷創(chuàng)新課堂教學(xué)方式，采用多種教學(xué)方法對學(xué)生進行科學(xué)思維的訓(xùn)練，不斷促進學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。