覃揮光

摘? ?要：科學思維是高中物理學科核心素養(yǎng)之一，它是一種通過比較與分類、演繹與歸納、分析與綜合、抽象與概括來促進知識整合的大腦活動過程。通過分析整合物理知識在強化物理方法、激發(fā)物理思維和生成物理思想三方面的意義，說明知識整合的重要性。根據整合物理知識的機理，梳理出三種知識整合的類型：直線型、有中心網絡型和無中心網絡型。并以高中物理電場知識整合為案例，具體說明如何運用知識整合的三種類型，探索物理知識整合的教學方法。

關鍵詞：科學思維；教學研究；知識整合

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0007-5

物理知識在物理學中居于基礎與核心地位。一般而言，物理學家通過建立物理模型、引入相應的物理量描述，經推理論證以及實驗探索等科學方法得出具有規(guī)律性的結論。在這一過程中，相應的物理概念（物理量）和物理規(guī)律就是最基本的物理知識。由此可見，單獨聚焦于物理知識，則不免是孤立零碎的，需要用科學思維把物理知識充分整合，從而加強人們對物理學的整體理解，促進素養(yǎng)形成。

知識整合教學理論是由馬西婭·Ｃ·林發(fā)展出來的一套教學理論。他認為每個學生來到課堂之前都帶著來源于他們對日常生活經驗的思考和推理形成的某些想法，這些想法是他們學習新知識的首要資源。知識整合教學理論的核心目標是尊重學生原有的想法，并將其與新的想法進行對比，以幫助學生形成連貫性的科學理解［１］。知識整合教學的一般性過程為：誘出、添加、辨分、反思與整理；科學思維是分析綜合、抽象概括、推理論證的邏輯演繹過程，能將學習者碎片化的知識轉化為連貫性想法，促進知識整合。

1? ? 整合物理知識的意義

物理課堂教學中，傳授知識和方法比較容易，生成物理思想、物理觀念，發(fā)展物理思維則較為困難。在物理知識的教學中，應“誘出”學生已有知識，通過整合、不斷強化物理方法、激發(fā)物理思維、生成物理思想，實現知識與方法、思維與技能、思想與觀念三個層級的逐層遞進，將使知識更有價值，同時提升學生的思維品質。

1.1? ? 整合物理知識強化物理方法

物理方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出來的思維方式，是人們認識和改造自然的有效工具，對物理知識的建構有著重要作用。物理教學中常用的物理方法有比值定義法、控制變量法、分解方法等。整合物理知識很多時候就是對物理方法的不斷運用，在不斷應用物理方法的過程中自然強化物理方法。比如，很多概念都是用比值法來定義的，把這些用比值法定義的概念整合起來，可以更清楚地理解比值定義法，強化比值定義法等科學方法。

1.2? ? 整合物理知識激發(fā)物理思維

物理思維是科學思維在物理學上的一種展現形式，物理知識整合過程中往往需要模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等思維活動，學生在這些思維活動中得出新知識，同時也提高了自己的思維能力。

在知識整合過程中，讓學生通過分析、辯論等誘發(fā)物理思維的活動，在不斷的思想“碰撞”中，激發(fā)出思維“火花”。例如，在電場強度的教學過程中，“誘出”學生已知的密度定義方式（比值法），創(chuàng)設不同試探電荷位于電場中不同位置的情境，讓學生研究試探電荷所受靜電力大小和電荷量的關系。在這個研究過程中，學生的思維在“碰撞”，最后概括出靜電力與電荷量成正比的特點，抽象出靜電力和其電荷量之比與試探電荷無關的特征，使學生對電場強度概念理解得更好，激發(fā)學生思考用比值法定義的其他物理量是否也具有同樣特點。

1.3? ? 整合物理知識生成物理思想

“物理思想是在物理學發(fā)展過程中，由物理學共同體對物理知識、物理方法進一步概括而形成的關于物理學本質的深層認識，包括以下內容：對稱思想、守恒思想、可逆思想、等效思想、假說思想、比較思想等?！保郏玻菟槠貍魇谥R往往使得物理思想沒有凸顯的機會，通過物理知識整合將有助于物理思想在宏觀和整體意義上得以彰顯。例如，在學習豎直上拋運動的時候，通過分析、計算之后可以得到：物體上去又回到原來位置的時候，它的速度具有對稱關系；而帶電粒子在電場中運動，粒子速度減速到零之后，又加速回到原來位置，同樣具有對稱關系，通過整合這樣類似的知識，我們可以將其生成物理思想（對稱思想），在解決物理習題或物理問題時非常實用。

這道題目中，有了對稱思想，可以很容易地知道小球從Ｍ點到達同一直線上的Ｎ點，水平方向上具有相同大小的速度，即在Ｎ點的速度ｖ分解到水平位置必等于ｖ０，知道了這點，才能解決這道題。物體在“場”中運動，經過同一高度（等勢面），“場力”不做功，具有對稱性，把重力場、電場、復合場等類似的知識整合后生成對稱思想，這樣的整合非常有意義，既幫助學習者掌握物理思想，又為他們解決問題提供一條高效的思路。

2? ? 科學思維整合物理知識的機理

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)之一，是人類大腦活動的過程，它不是毫無章法的狂想，要按照合理的規(guī)則進行規(guī)范，必須具有邏輯性。而有邏輯性的思維過程包含以下三種最為基本的方法：演繹、歸納和類比。從演繹、歸納和類比三種方法中，我們可以得出“科學思維本質上是邏輯思維在科學探索活動中的應用，科學思維是應用的邏輯思維”［３］。

知識整合的一般教學過程包括誘出、添加、辨分、反思與整理?？梢赃@么理解：教學過程中，在學習新知識之前先“誘出”學生頭腦中基于經驗對該知識已有的認識，經過演繹、類比和歸納等科學思維的邏輯性梳理，達到重新對“已有認識”的理解或生成新的知識［２］。知識整合的過程就是人腦活動的思維方式之一，是邏輯思維的具體應用，要真正完成對某些知識的整合，必然有科學思維在其中起促進作用，這是科學思維的本質使然。具有邏輯性的物理知識整合過程，正是科學思維整合物理知識的機理。

從科學思維對知識整合的機理來看，可以分為三種類型：

（1）直線型。誘出學生的原有知識，通過添加相似知識，然后再進行辨分，最后歸納整理出新的知識。這種類型一般在新課教學中使用，它體現知識整合的一般過程，融合了演繹、類比和歸納的科學思維，如圖2所示。

（2）有中心網絡型。圍繞某一個學生熟悉、理解透徹的核心知識，通過它統(tǒng)攝、凝聚學生已經學過但不太熟練的知識，構建知識網絡，讓學生更好地理解知識、存儲知識，如圖3所示。

（3）無中心網絡型。也可以是沒有核心知識統(tǒng)攝，而將幾個知識用演繹、類比和歸納等方法進行整合，用科學思維加強知識間的相互聯系，找出記憶的核心，方便存儲于大腦中，如圖4所示。

這種類型每個知識是平行的，無核心知識，但卻有一個無形的“核心”在組織它們，即可以歸納出每個知識點的共同之處。

從三個圖中可以看出，知識整合過程離不開科學思維，要通過分析、綜合、抽象、概括、比較、判斷、假設、推理、直覺、想象等思維方式，才能真正整合知識。

3? ? 以科學思維整合高中物理電場知識案例分析

物理學科核心素養(yǎng)中的物理觀念包含：物質觀、運動與相互作用觀、能量觀。其中的物質觀告訴人們，物質包含看得見和看不見兩類，或者是宏觀物質和微觀物質，又或者是物質和“場”。

電場知識是學生第一次研究“看不見摸不著”的物質，學生理解起來比較困難，屬于高中重點物理知識。我們用科學思維把電場知識整合起來，可以幫助初學者理解這個“新生物”，同時又將在其中運動的帶電粒子和宏觀物體的運動與相互作用觀、能量觀聯系起來，降低初學者學習的難度，實現更好的教學效果。

3.1? ? 類比整合“發(fā)現”電場存在

教學過程：

“誘出”：學生已經知道同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，也就是沒有直接接觸的兩個電荷會有力的作用。

“添加”：現實生活中，我們很容易得出兩個物體間力的作用有兩種方式，一種是直接作用（接觸），一種是間接作用（不接觸）。間接作用，就是要借助第三個物體。比如說，路人甲對物體乙要有力的作用，可以直接用手掌打一下，也可以拿一條長棍打一下。

“辨分”：很明顯，兩個電荷之間的作用是間接作用，它們必須要借助第三者，才能有力的作用，這個第三者是看不見摸不著的，科學家們把看不見摸不著的物質，都叫作“場”。

“反思與整理”：磁鐵之間相互作用的第三者叫作磁場，當然，電荷之間相互作用的第三者叫作電場。

通過誘出、添加、辨分、反思與整理的整合過程，我們“發(fā)現”了電場的存在。這樣具有邏輯性的推理過程，正是物理學科核心素養(yǎng)的科學思維過程，這樣的過程有利于學生理解知識，激發(fā)物理思想，形成“場”的觀念，屬于直線型。

3.2? ? 模型建構引出電勢能的表達式

３.3? ? 邏輯推理整合電場知識

由圖１1可知，用來描述電場力的性質的物理量Ｅ，簡單地乘以d就可以得出描述電場能的性質的物理量。對于d的不同理解分別得到了電勢和電勢差，再乘以ｑ就分別得出電勢能和電場力做的功。功和能之間有等量關系，這就構成了一張“網”，整合了電場的知識。在這個過程中，以比較容易理解的電場強度Ｅ為核心知識，運用了科學思維的核心內容——演繹和歸納來促進知識的整合，屬于有中心網絡型，使學生對看不見摸不著的場的理論有更深的認知。

4? ? 總結與反思

初中物理教學根植于實驗歸納和形象思維，而高中物理教學根植于邏輯演繹和實驗歸納，側重科學思維。高中重點物理知識整合是在遵守三個基本原則（過程的邏輯性、方法的辯證性、綜合的一致性）的基礎上運用比較與分類、演繹與歸納、分析與綜合、抽象與概括得出的一張“邏輯網”。這張網是以學生原有的知識作為新知識的生長點，引導學生從原有知識中生成出新的知識為縱線，以培養(yǎng)學生的演繹思維能力為橫線的“智慧網”。在構“網”過程中，以類比激發(fā)學生的好奇心和求知欲，歸納整理出新的知識，體會收獲的喜悅。而科學思維由于它本身的特點，能夠促進知識的整合，經常用科學思維的演繹、歸納、類比等方法，去整合重點知識，反過來也能促進思維的發(fā)展，這就是所謂的“戶樞不蠹”，在整合知識的過程中，激發(fā)思維的創(chuàng)新，對物理知識的認知會更加深刻。

參考文獻：

［１］劉玨． 促進知識整合的變構學習設計研究［Ｄ］．成都：四川師范大學，２０２０．

［２］邢紅軍．物理學科核心素養(yǎng)：透視、商榷與重構［Ｊ］．教育科學研究，２０１８（１１）：５－１４．

［３］杜國平．何謂科學思維［Ｊ］．重慶理工大學學報（社會科學版），２０２２，３６（１）：５９－６５．

［４］翟彥芳，邢紅軍．從習題到原始物理問題：物理關鍵能力培養(yǎng)的有效途徑［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（５）：８０－８３．

［５］高飛，邢紅軍．以科學方法引領初中重點物理知識的教學［Ｊ］．中國現代教育裝備，２０１１（４）：８８－９０．

［６］鄧浩儀，張軍朋．國內物理課程視角下科學思維研究現狀、熱點及啟示——基于ＣＮＫＩ中文文獻的可視化分析［Ｊ］．物理通報，２０２２（８）：１４４－１４９，１６１．

［７］王慧，寧成，邢紅軍．“電勢差”教學的高端備課［Ｊ］．物理教師，２０１３，３４（７）：２６－２７，３０．

［８］邢紅軍，陳清梅．論中學物理教學中的科學方法教育［Ｊ］．中國教育學刊，２００５（８）：３３－３６．

［９］邢紅軍．中學物理教學法［Ｍ］．北京：北京大學出版社，２０２０：１０.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）