摘 要:在高中物理教學中,建構概念的過程也是培養(yǎng)學生科學思維能力的過程。本文闡述了科學思維發(fā)展與高中物理概念教學的關系,通過分析教學現狀,提出在概念教學課堂的各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生科學思維能力的教學對策,從而促進核心素養(yǎng)的落地。
關鍵詞:科學思維;高中物理;概念教學
中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A文章編號:1673-260X(2024)06-0116-03
隨著教育理念的不斷發(fā)展,高中物理概念教學經歷了“雙基”時代,第八輪課程改革提出了三維目標以及當下包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”在內的核心素養(yǎng)的培育?!翱茖W思維”是“三維課程目標”中“過程與方法”的深化,也是貫穿學科核心素養(yǎng)的重要紐帶。在這個大背景下教師應該意識到,新時代的育人目標已經從重視掌握知識轉變?yōu)橹匾晫W生的總體素養(yǎng)的發(fā)展。
概念屬于物理知識的基礎構成部分,是學生進行深入學習與繼續(xù)探索的關鍵前提[1]。在高中物理的學習過程中,學生將會接觸到越來越多的物理概念,對于物理概念的學習,不能只是簡單地記住概念的定義,而是要理解概念,要從概念的內涵與外延體驗概念的形成、發(fā)展與運用過程。教師在教學中,不僅要讓學生掌握相關的物理概念,還要促進學生科學思維的發(fā)展和創(chuàng)造力的開發(fā),并在此過程中培養(yǎng)學生運用物理概念解決實際生活相關物理問題的綜合能力[2]。
1 科學思維發(fā)展與高中物理概念教學的關系
物理概念的學習和理解是分析、判斷、概括和推理等一切物理邏輯思維的出發(fā)點,即物理概念是科學思維發(fā)展的基礎。對于物理概念的學習不能僅靠感覺和記憶,形成科學思維才是關鍵。高中物理中的概念和規(guī)律大多是人類在工作和生活中通過物理現象直接分析、概括并總結出來的。學生在物理概念的學習中,需要經過觀察、概括、抽象等思維活動,才能實現對學生科學思維能力的培育。
抽象物體概念的形成過程是一個科學探索的過程。科學探索不可避免地需要使用源自科學思維指導的科學方法。當學生在學習過程中使用科學方法將他們的思維水平從低水平提升到高水平時,淺層次的學習就變成了深入的探究,這對學生理解物理概念非常重要[3]。也就是說,具備一定的科學思維能力有助于提高學生對物理概念的理解,提高學生對物理概念的應用能力。顯然,發(fā)展科學思維與學習物理概念是相輔相成的。
2 高中物理概念教學的現狀
教育實習階段,通過深入高中物理課堂聽課,與學生以及任課教師進行交流發(fā)現高中物理概念教學存在以下幾個問題。
(1)在日常授課中,物理概念課教學以講授法、公式推導法、PPT演示法等為主,課堂上與學生的互動情況較少。抽象枯燥的物理概念難以長時間吸引學生的興趣,使學生學習的主動性不夠,在學習過程中重習題輕概念,忽視概念的形成過程和物理概念的本質。
(2)前概念影響學生的物理概念建構,即學生在學習物理新概念之前腦海中已經形成的、缺乏科學依據的理解和認知,具有先入為主、范圍廣泛、根深蒂固的特點。其中錯誤的前概念會阻礙學生形成正確的認識。
(3)學生存在消極的思維定勢,即將頭腦中固有的思維方式不恰當地運用到新的物理情境中,不知變通,思維轉變不夠靈活。
(4)教師不注重培養(yǎng)學生的科學思維能力,不注重學生間的交流討論,課堂上缺少學生消化理解的時間,使得學生難以對物理概念進行透徹的了解。
3 在物理概念課教學中培養(yǎng)學生科學思維能力的策略
物理概念課教學的首要任務是解釋引入概念的原因。所以作為教師應該引導學生經歷一個概念從最早提出到最終應用的全過程,其中應該包含引入、建立、深化、應用過程。下面從概念課教學的四個環(huán)節(jié)中舉例探討如何培養(yǎng)學生的科學思維能力。
3.1 巧設情境,引入概念,激發(fā)學生的科學思維
在教學過程中根據教學需要,引入和創(chuàng)設一種真實、形象、具體、生動的情境,可以激發(fā)學生的學習興趣,啟發(fā)學生的思維,從而促使學生主動理解概念、建構知識。在引入概念的初始階段,大致有以下幾種創(chuàng)設物理情境的方式。
(1)以問題為導向創(chuàng)設情境。比如“質點”這一概念的引入,以flash或短視頻展示飛翔的老鷹,請學生描述鷹的機械運動情況。若要說明鷹的飛行路線,是否需要關注其翅膀、頭部等外形、位置或運動。
(2)用復習的方式創(chuàng)設情境。比如以一節(jié)“實驗:探究加速度與力、質量的關系”為基礎,歸納得到物體的加速度跟它的質量及合外力的關系,進而總結出牛頓第二定律及其數學表達式,通過知識回顧形成知識的連貫性。再比如學生通過回憶并驗證“力的作用是相互的”得出作用力和反作用力的概念。通過“直線運動”的概念引發(fā)學生聯想,引出“曲線運動”的概念。分析平拋運動問題采用的是運動的合成與分解,這種方法在“力的合成與分解”的學習中已有基礎,通過回顧讓學生主動嘗試應用這種方法來解決平拋物體運動規(guī)律這個新問題。
(3)利用日常生活現象創(chuàng)設情境。比如在“機械運動”概念的教學中,通過動圖或視頻展示行駛的汽車、飛翔的小鳥、滾動的足球等生活中隨處可見的機械運動引入概念,建立形象而直觀的物理情境,在此過程中學生對概念的感性認識被充分激活,為接下來對概念本質的理性認知奠定基礎。同時培養(yǎng)學生運用物理的眼光觀察生活,利用物理思維分析生活現象的能力。
(4)借助真實實驗現象創(chuàng)設情境。例如在“自由落體運動”的教學中,引導學生對懸掛在鐵架臺上的小球進行受力分析,然后用火將懸線燒斷,讓學生觀察小球的運動,再演示石塊、粉筆頭在手中落下的過程,引導學生得出結論,進而引入新課。在這個過程中培養(yǎng)學生觀察、概括能力以及抽象的科學思維能力。
(5)借助錯誤的前概念引發(fā)沖突創(chuàng)設情境。例如,自由落體運動在生活中比較常見,學生很容易根據生活經驗形成錯誤的前概念,即“物體越重,下落越快”,這種前概念對于學生建立“自由落體運動”的正確概念是非常不利的,這是本節(jié)課的難點所在,也是一種消極的思維定勢。教師要糾正學生的錯誤認識,改正學生錯誤的物理前概念,引導學生轉變思維,使學生對于新概念的掌握更加深刻。
當學生意識到需要建構一個物理模型來研究問題,或者需要改變原有認知以重新適應新的問題情境時,就掌握了概念建構的關鍵。接下來需引導學生建立概念。
3.2 引導分析,建立概念,經歷科學思維過程
通過創(chuàng)設情境引入概念的階段,學生已經對概念有了基本的認識,教師接下來可以通過一連串各種不同情境下的問題幫助學生進行分析和概括,抓住問題的主要因素,找出問題之間的共同特征,建立相關的物理概念,揭示物理本質,并明確指出物理概念的內涵和外延。
如在描述老鷹的運動情況時,學生可以自然地忽略某些次要因素(如大小、形狀),只關心主要的方面(如一個有質量的物體從某處運動到另一處)。教師借此引發(fā)學生思考忽略大小和形狀的前提。在研究地球公轉時,可以忽略大小、形狀以及自轉的情況;但在研究地球自轉時,地球本身的大小和形狀不可忽略。為了突出主要因素,忽略次要因素,在某些情況下將物體抽象成一個只有質量的點,叫做“質點”,在這個過程中學生經歷了抽象科學思維的應用過程。
又比如在“加速度”概念的形成階段,引導學生思考用什么物理量去表征物體速度變化快慢的問題。從表面上看,單位時間的速度變化好像與初速度和末速度都有關,其實并沒有必然的聯系。速度為零時,加速度有可能不為零,速度小時,加速度可能是大的。在教學中引導學生擯棄這些非本質的屬性,突出單位時間速度的改變,即用以衡量物體速度變化快慢的本質屬性。這個過程主要應用類比推理的科學思維。
在“牛頓第一定律”的概念教學中,引導學生重演人類認識力與運動關系的歷史過程,講述物理史上的科學家對力與運動關系的研究過程,從開始的感性認識上升到用理想模型去推翻感性認識的不可靠,進而通過大量的實驗分析上升到理性認識,最終在前人的經驗和積累的基礎上厘清力與運動的關系,在學生親身經歷“牛頓第一定律”概念建構的過程中培養(yǎng)他們“質疑創(chuàng)新”“科學推理”“科學論證”等科學思維能力。
3.3 設疑討論,深化概念,強化科學思維訓練
概念建立完成后,教師還需要通過設置層層遞進的疑問,讓學生進一步對概念進行深化理解,真正讓學生達到理解的程度。首先,要從字面上對物理概念中的關鍵語句進行解析,強調該概念的適用范圍和適用條件。然后還要與相似概念進行比較,讓學生真正理解它們之間的區(qū)別和聯系。
比如在講解將物體看做質點的條件時,可以舉一些復雜、易錯的問題。例如,研究由于地球自轉造成的季節(jié)變化時,能否將地球視為質點;研究火車從重慶到北京的運行時間時,能否將火車看成質點;研究火車通過一個大橋的時間時又能否將火車看成質點,從而引導學生得出將物體看作質點時的條件。
又如在“牛頓第三定律”的概念教學中,教師可以引導學生對定律中的“總是”進行理解;闡明在“平衡狀態(tài)”的概念中,“靜止”要滿足的條件;“保持”某狀態(tài)不等于“瞬時”的某狀態(tài);“矢量”既有大小又有方向,同時遵循“平行四邊形定則”,“電流”有大小又有方向,但它不遵循“平行四邊形定則”,所以“電流”是一個標量;剖析“牛頓第一定律”中的關鍵詞“一切”“總”“或”。運用這樣的方式可以有效地避免學生對概念的片面理解,在運用多角度思考問題的過程中培養(yǎng)學生的科學思維能力。
再如教師在教學中可以讓學生對相關概念進行理解并辨析,比如相對靜止和靜止;相對運動和運動;相互作用力與平衡力的比較;加速度與速度變化快慢、速度變化率的關系;電場力與重力、電勢能與重力勢能的類比。
教師應引導學生從“如何探索物理概念”和“物理概念的形成經歷了怎樣的過程”這兩個方面來進行探索討論[4],鼓勵學生大膽暴露思維過程,大膽表達自己的一切猜想、質疑并勇于提出問題和探究問題,從而有針對性地訓練學生的科學思維,提高學生的科學思維素養(yǎng)。
3.4 運用概念,解決問題,提升科學思維水平
概念教學不能僅僅滿足于學生理解概念,更要求學生能夠應用新概念解決問題,解釋和預測生活中常見的物理現象。解決的問題可以是來自生活中的現象,比如講到圓周運動時,可以分析兒童樂園里的過山車,也可以是具有真實情景的物理問題。這些都能幫助學生提升其科學思維能力。
比如,在“曲線運動”概念的鞏固環(huán)節(jié)中,讓學生運用所學的物理概念,解釋在自行車或者電動摩托的前后輪上安裝擋泥板的原因。在“彈力”這個概念的應用環(huán)節(jié),讓學生從“形變”與“彈力”的知識出發(fā),研究撐竿跳高運動員跳得高的原因,以及決定跳水運動員在空中滯空時間的主要因素。設置開放性問題,布置課外自制彈簧秤的任務,并組織評比活動。這些都有利于培養(yǎng)學生的科學思維能力。
在“加速度”概念的鞏固練習環(huán)節(jié),除了基本的習題練習之外,可以讓學生發(fā)散思維,利用手機中的加速度傳感器測一測生活中的加速度,比如測量自己甩手時或者交通工具啟動時的加速度,另外還可以調查自然界中存在的加速度和科研過程中的加速度,使學生將物理概念與現代科技相聯系,學會以物理的眼光看世界,從不同角度分析、比較抽象的物理現象,從而讓學生的科學思維能力得到更大的提升。
所以,在物理概念課堂教學中,教師可以通過創(chuàng)設情境、引導分析、設疑討論、解決實際問題等這一系列連貫的教學策略,讓學生經歷建模、分析、歸納、總結、應用等思維過程,培養(yǎng)學生科學思維能力中的創(chuàng)建模型能力、科學推理能力、科學論證能力、質疑創(chuàng)新能力等。
4 結語
思維是人們認識客觀事物的抽象過程,科學思維是學生在真正意義上掌握知識的必經之路[5]??茖W思維的培養(yǎng)屬于學生心智技能之一,它是一個內在思維訓練過程,而這個訓練的過程不是一蹴而就的,僅僅幾堂課的教學并不能明顯看出學生思維的變化,而是需要在物理教學中進行長期的滲透和應用,才能取得一定的效果。教師需要清楚地知道科學思維能力培養(yǎng)的長期性,堅持對學生科學思維能力的培養(yǎng)[6]。在物理課堂中教師要鼓勵學生主動參與、善于思考、樂于探究、勤于動手,不僅要注重知識的學習,更要讓學生經歷知識的發(fā)現過程。不但要授人以魚,更要授人以漁,后者是長期目標,更具深遠意義。
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