周秀波

(北京市第一○一中學(xué)懷柔分校,北京 100140)

2014年,教育部頒布了《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》,明確了要研究和找到學(xué)生在各階段培養(yǎng)核心素養(yǎng)的體系,使學(xué)生擁有適應(yīng)其自身終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需求的必備品格和關(guān)鍵能力,明確加強(qiáng)學(xué)生的個(gè)人修養(yǎng)、家國(guó)情懷教育,使學(xué)生具有參與到創(chuàng)新活動(dòng)中去的能力和素養(yǎng)[1].如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是教師需要完成的重要課題,引導(dǎo)學(xué)生由“知識(shí)”走向“智慧”的方法需要教師去探索.

1 解讀科學(xué)思維

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂版)》中明確了物理學(xué)科所應(yīng)有素養(yǎng)可簡(jiǎn)單歸納成四個(gè)維度:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[2].科學(xué)思維完全可以看做整個(gè)物理體系的中樞,它決定著物理學(xué)發(fā)展的方向、深度和廣度.科學(xué)思維是指從物理學(xué)的角度對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律和它們之間的相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式,是能夠把事實(shí)作為證據(jù)并結(jié)合科學(xué)推理的方法,對(duì)不同觀點(diǎn)、不同的結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,能進(jìn)一步提出創(chuàng)造性見解的能力與素質(zhì).

2 科學(xué)思維的評(píng)價(jià)

新課標(biāo)中對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維層次進(jìn)行了簡(jiǎn)單的劃分,把它分為三個(gè)層次:低階思維、中階思維和高階思維,它的子結(jié)構(gòu)如圖1所示.實(shí)際上,不同層次的思維可以在不同的問題情景中較自由地組合,從而產(chǎn)生新的思維火花,使思維層次的判定變得撲朔迷離,不易甄別.目前對(duì)學(xué)生思維層次的判定主要依據(jù)下面幾個(gè)方面:

圖1 科學(xué)思維分層結(jié)構(gòu)圖

(1)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出問題的深度和廣度.我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有的同學(xué)的問題只停留在理解和簡(jiǎn)單應(yīng)用層次上,而有的同學(xué)能夠質(zhì)疑和綜合,達(dá)到了較高的思維層次.

(2)在實(shí)驗(yàn)過程中也可以評(píng)判學(xué)生的思維層次.學(xué)生的理解和應(yīng)用能力在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)得是非常充分的,有許多無法完成學(xué)生實(shí)驗(yàn)的同學(xué)在選考的時(shí)候直接放棄了物理的學(xué)習(xí),一些思維好的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中充分展現(xiàn)了對(duì)規(guī)律的應(yīng)用能力、對(duì)事物的質(zhì)疑能力和創(chuàng)新能力.

(3)通過設(shè)計(jì)有針對(duì)性問卷,對(duì)學(xué)生的思維能力進(jìn)行評(píng)判,這種方式的有效性受到學(xué)生重視程度的影響較大,往往不能反映出學(xué)生的真實(shí)狀況.

(4)通過選擇、改編、設(shè)計(jì)不同層次和不同考查方向的習(xí)題來評(píng)定.其中客觀題更容易評(píng)判學(xué)生的思維層次,它可以較清晰地考查學(xué)生處理問題的各種方法,有量化的分?jǐn)?shù)體現(xiàn),評(píng)判效果比較準(zhǔn)確.由些可見,無論是思維的培養(yǎng)還是評(píng)價(jià)都不是一朝一夕的事情,是教師與學(xué)生長(zhǎng)期交流才能夠完成的.一題多解無疑是科學(xué)思維培養(yǎng)的有效途徑之一.

3 多解問題的功能

多解問題是指可以用不同的規(guī)律、不同的思維方法來解決的問題,往往承載了比一般試題更多的概念、規(guī)律、模型、思維方法和策略.教師是學(xué)生活動(dòng)的引導(dǎo)者,為提高教學(xué)的有效性,避免學(xué)生低效率的“刷題”,教師應(yīng)先于學(xué)生完成選題的任務(wù)[3],還要在“刷題”的過程中注意多解題的積累和歸納工作,同時(shí)注意一些可改編、可創(chuàng)造素材的積累.多解問題也可分為三個(gè)層次,對(duì)應(yīng)科學(xué)思維的三個(gè)層級(jí):

(1)較低難度(低階思維).這類題主要考查識(shí)記和單一知識(shí)點(diǎn).比如勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用,考查范圍較窄,主要是識(shí)記和應(yīng)用.

(2)中等難度(中階思維).這類問題涉及到的規(guī)律不再單一,需要一些分析、系統(tǒng)化的思維.比如恒力作用下的動(dòng)能定理相關(guān)問題,運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以解決,運(yùn)用動(dòng)能定理可以解決,運(yùn)用能的轉(zhuǎn)化和守恒也可能解決,這樣的多解問題可以很好地引發(fā)學(xué)生的評(píng)價(jià)思維.

(3)較高難度(高階思維).題目涉及到知識(shí)綜合多、情景新、過程復(fù)雜、解決時(shí)需要較復(fù)雜數(shù)學(xué)方法和建立模型的思想.比如動(dòng)量和能量、電場(chǎng)和磁場(chǎng)、微觀和宏觀相結(jié)合的問題等,它們不僅僅要求學(xué)生真正掌握高中物理的較難知識(shí)點(diǎn),還需要用到高階思維才能很好地完成.

4 實(shí)例分析

下面我們通過一道多解問題來看一看它在考查學(xué)生學(xué)科思維中的功效.

例題如圖2所示,在底座上固定一光滑桿,放置在水平地面上,光滑桿沿豎直方向,桿上套一輕彈簧.一圓環(huán)套在桿上,圓環(huán)從距彈簧上端H處無初速度釋放,接觸彈簧后,將向下壓縮彈簧,彈簧的形變始終在彈性限度內(nèi).已知圓環(huán)的質(zhì)量為m,底座和光滑桿的總質(zhì)量為3m,彈簧的勁度系數(shù)為k,重力加速度為g,忽略空氣阻力.取圓環(huán)剛接觸彈簧時(shí)的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O,選豎直向下為正方向建立x軸.

圖2 例題裝置圖

(1)在圓環(huán)壓縮彈簧的過程中,圓環(huán)所受合力為F,請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出F隨x變化的示意圖;

圖3 F-x坐標(biāo) 圖4 問題(1)答案

解析圓環(huán)接觸彈簧后受到重力和彈力的作用,結(jié)論如圖4所示.

點(diǎn)評(píng)本問設(shè)置的目的是對(duì)胡克定律和合力概念的考查,胡克定律是在彈性限度內(nèi)彈力與形變量成正比關(guān)系,合力是在同一直線上的兩個(gè)力合成問題,相對(duì)容易,它屬于科學(xué)思維中的低階思維.

(2)類比v-t圖像求位移的方法,可以通過F-x圖像求合力做功,試求圓環(huán)在下落過程中最大速度vm;

解析在圖5中,圖線與縱軸的交點(diǎn)表示圓環(huán)剛接觸彈簧的位置,與橫軸的交點(diǎn)表示速度最大的位置.設(shè)圓環(huán)達(dá)到速度最大時(shí)彈簧形變量為x0,圓環(huán)的合力為零,即mg-kx0=0

圖5 問題(2)解答示意圖

(3)嘗試用多種方法說明,當(dāng)圓環(huán)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),底座對(duì)地面的壓力FN>5mg

方法1若以圓環(huán)開始下落的位置為坐標(biāo)原點(diǎn),選擇向下為正方向建立x軸,圓環(huán)從靜止開始下落到最低點(diǎn)的過程中所受合力與位移關(guān)系如圖6所示,根據(jù)動(dòng)能定理,圓環(huán)在整個(gè)過程中W合=0

圖6 方法-示意圖

圖像中S2表示當(dāng)圓環(huán)重力與彈力相等前合力所做的功,S3表示此后到最低點(diǎn)的過程中合力所做負(fù)功的大小,S2=S3,則必有最低點(diǎn)時(shí)合力大于mg,設(shè)彈簧對(duì)圓環(huán)的支持力大小為F1,則有F1-mg>mg,即F1>2mg

輕彈簧對(duì)底座的彈力大小也等于F1,以底座和桿整體為研究對(duì)象有FN=3mg+F1>5mg

再根據(jù)牛頓第三定律可證.

點(diǎn)評(píng)本解法是由上一問中圖像的應(yīng)用到解決新問題的跨越式遷移,充分體現(xiàn)歸納演繹的物理思維,是對(duì)圖像法解題的升華,讓整個(gè)解題過程形象直觀,富有創(chuàng)意,屬于高階思維.

即可證明地面對(duì)底座的支持力FN>5mg

點(diǎn)評(píng)本解法為分析綜合的物理思維,結(jié)論的得出并沒有解出支持力大小的具體數(shù)值,而是利用了非凡的數(shù)據(jù)分析能力,避免了復(fù)雜的求值計(jì)算,使結(jié)果更一目了然,屬于高階思維.

圖7 方法三示意圖

即可證明地面對(duì)底座的支持力FN>5mg

點(diǎn)評(píng)本解法為思維遷移的方法,聯(lián)想到簡(jiǎn)諧振動(dòng)的對(duì)稱性,沒有過多的運(yùn)用能量方面的知識(shí),使解題過程舉重若輕,屬于高階思維.