物理科学思维及其培养

张德炳

摘 要： 本文阐述物理课程中的比较思维、类比思维和设计思维以及对学生的培养。

关键词： 科学思维；比较思维；类化思维；设计思维

物理是融科学知识、科学方法与科学思维为一体的自然科学课程 [1 ]。如“牛顿第一定律”的建立，教材是设计如下斜面实验：让一滑块在同一斜面的同一高度自由滑下，然后在不同粗糙程度的水平面上滑行，水平面越光滑，滑块滑行的距离就越长。由此实验现象进行下面一系列的推理：①滑块由运动变为静止是由于受到摩擦阻力的作用；②在水平面运动的物体，如果不受摩擦阻力的作用，那么物体将永远运动下去；③如果不受力的作用，物体将保持静止或匀速直线运动状态。其中“力和运动的关系”就是科学知识，“控制滑块下滑条件”的实验就是科学方法，而由实验现象进行推理就是科学思维过程。应该说，物体在水平面滑动的事实是人们司空见惯的一种生活现象，然而伽利略却能设置特定的斜面实验并透过运动的表面现象而发现“力和运动”的本质联系，这就是科学方法和科学思维的力量。可见，在人们认识并改造自然的实践活动中，科学方法与科学思维比科学知识更重要，这也正是物理课程倡导探究性学习的教学目标所在，即重视科学方法的领悟与科学思维的培养。本文就物理课程中几种科学思维及其对学生的培养，谈谈个人的认识。

1 比值概念中的比较思维

比值概念，在物理量的定量描述方面，指某一个量等于其它两个量的比值。如密度ρ=、功率P=、电阻R=等。用比值方法来定量描述概念，不仅是物理中最常见的一种科学方法，也是其它学科的常见方法，如化学中的“溶液的质量分数=溶质的质量/溶液的质量”、经济学中的“经济增长率=当年的经济总增长量/上一年经济总量”等。应该说，物理中的比值概念，它体现的是某种事物的过程特征或属性特征等。

比值概念C=的认知基础是理解“”的含义，如速度概念，关键是能把“”理解为单位时间物体所所通过的路程，而要形成这样的理解又在于如何辨析运动快慢中的比较思维。所谓比较思维，就是指“同中辨异”或“异中求同”的思维方法，并从中发现问题的特征或特性。[2 ]在速度概念的建构中，教材是引导学生通过“比一比，跑一段相同的路程，看谁先到达终点”和“比一比，用相同的时间，看谁跑的路程长”来领悟比较运动快慢的方法，然后教材就直接陈述：“在物理学中，将物体在一段时间内通过的路程与这段时间的比值称为速度”，至于为什么可以利用路程与时间比值形式来表征運动的快慢，学生仍是一知半解。正是由于教材的这种编排，教师们很少在突破这个教学难点问题上下功夫，以至错过了培养比较思维的教学良机。

对于促进学生对速度比值概念的建构，教学中可以设计如下定量分析问题：

问题：物体A、B、C分别在水平面上运动，运动时间与所通过的路程分别为：sA=300m，tA=20s，sB=300m，tB=30s，sC=450m，tC=30s，哪个物体运动最快，哪个物体运动最慢？

对于A和B，学生可以通过“路程相同，比较时间长短”来比较两者的运动快慢，对于B和C，学生也可以通过“时间相同，比较路程长短”来比较两者的运动快慢，显然，这两种比较方法均是“同中辨异”的比较思维。然而对于A和C，时间和路程均不同，如何比较，学生往往不知所措，如果教学中提出“如何将A和C的运动转化为‘时间相同或路程相同的情形来进行比较”的问题，那么学生就有可能想到利用“”的方法来计算“单位时间里通过的路程”，或想到利用“”的方法来计算“单位路程里所用的时间”来比较两者的运动快慢。显然，这时学生对描述运动快慢的比值概念就会有着本质性的理解，这就是培养学生比较思维的有效教学。

2 问题分析中的类化思维

利用已有知识与方法来分析并认识新问题，即“以旧探新”的方法是学生开展有效学习的具体表现，然而学生能否将新问题转化为自己所熟悉的问题，其中去决定性作用的是学生的类化思维。所谓类化思维，就是指把新问题直接类同为熟悉的问题，或通过合理的变换而转化为已知的问题并纳入已有的知识建构中来认识新问题的思维方法 [2 ]。如“压强”概念，它与“压力”和“受力面积”这两个因素有关，其中一个是正相关关系，另一个反相关关系，而速度概念也正好是与“路程”正相关而与“时间反相关”，因此压强概念就可以直接类同于速度概念的来理解，即压力与受力面积的比值就可以描述压强的作用效果。而对于滑动摩擦力大小概念，它也与压力和接触面的粗糙程度两个因数有关，但它们都是正相关的关系，所以它就不能类同于速度概念来认知，也不能用“压力/动摩擦因素”的比值关系来描述摩擦力大小概念。再如在学生学习了“二力平衡”知识后提出“三力平衡”问题，如果学生能把其中的两个力等效看作是一个力，而且能领悟到这个等效力与第三个力“大小相等且方向相反”，那么这就是类化思维以促进认知的效果。至于这个等效力与这两个力具有怎样的关系，或怎样求算这个等效力，这正是促进学生发现新问题并提出新问题且开展进一步探究性学习的起步。

类化思维不仅在促进学生分析并认知新问题方面有着良好的作用，而且在引导学生分析与解决问题方面也有这独特的效果。如《光的折射》，教材是以“铅笔的一段置于装有水的杯中，铅笔在水面处‘折断，水中的那一段明显变粗”的现象作为课题导入，对于水中那段明显“变粗”现象，学生往往感到困惑，然而在学习了《科学探究：凸透镜成像》课题后，教师就可以引导学生分析“变粗”原因，如果学生能把水杯类化为凸透镜，那么学生就能立即能领悟铅笔“变粗”是凸透镜成放大虚像的原因。

对学生类化思维的培养，教学中要有意识地渗透思维训练。如在《压力的作用效果》课题教学中，当学生算出了一张报纸平放在水平桌面所产生的压强为0.5Pa后，再要求学生估算物理课本放在桌面上所产生的压强，如果学生能采用“课本总页面数÷2”而迅速地估算出压强值，这何以不是类化思维而形成的计算智慧！

从类化思维的形式而言，它可以分为物理模型的类化（如水杯类化为凸透镜）、物理条件的类化（如三力平衡类化为二力平衡）、事物特征的类化（如压强比值特征类化为速度比值特征）、研究对象的類化（如把课本对桌面的压强类化为一叠报纸对桌面的压强），等等。但不论哪一种类化形式，两者之间必定存在着某种相同点或相似，而这种相同点或相似点正是形成类化思维的基础，教学中必须让学生对此有着明确的认识。

3 科学实验中的设计思维

物理是以生活事实为基础并以科学实验为主要手段的科学课程，不论是物理概念的形成或建构，还是物理规律的导出，几乎都离不开科学实验。教材中的实验探究过程，既是前人科学探究过程的模拟再现，也是学生获取知识并提升科学素养的学习过程。尤其是其中的实验设计原理与方法，不仅是前人科学家的科学思维与智慧的结晶，而且是启迪学生对科学实验设计思维的良好载体。

诚然，实验设计一种创造性的活动，教材实验中的奇思妙想，它可能是科学家数日或数月乃至数年的思维产物，更多的是课程研究专家对前人实验设计的改造并使得实验原理与方法达到了至善至美。然而要求学生在有限的课堂学习时间里想到能与教材实验设计相媲美的实验方案，确实有天方夜谭之嫌。作为促进学生科学素养形成的物理课程教学，培养学生的科学实验中的设计思维，不仅关乎课程的教育效益，更关乎科学创新人才的培养乃至国家与民族的振兴。在课堂学习过程中，虽然学生对科学探究实验的设计不如教材，或欠妥，甚至幼稚，但它仍然是对实验设计的一种经历，一种体验，而这种经历与体验中反思或教训正是催发智慧性思维的酵母，随着训练的增多，学生的对科学实验的设计思维能力自然会得到一定的提升。

引导学生对科学实验的设计，关键是使学生有着明确的实验目的，而引导学生明确实验目的的教学原则是促进学生对科学问题的猜想，一旦猜想正确，那么实验设计仅是有关知识与方法的灵活运用。即使所设计的方案欠妥，但它离科学创造的河岸也距之不远。

促进学生对科学问题的猜想，它可以是引导学生对事物或现象的认真观察，也可以是教师创设某种问题情境或提出具有启发性的问题而加以暗示。如“研究平面镜成像特点”的实验设计，教学中就可以让学生认真观察物体在平面镜中的所成的像，如果学生能猜想到“物像大小相等”和“物像到镜面的距离相等”，那么学生对实验的设计思考就会聚焦在“如何确定像的位置”和“如何比较物像的大小”这两个问题上，如果教师再展示既可以成像又可以透视的毛玻璃，那么学生们就可能设计出多种实验方案。再如促进学生对“阿基米德原理”的猜想，教学中就可以创设这样的问题情境：以推导液体压强公式中的液柱为研究对象，然后提出如下问题：这个液柱受到那些力的作用（液柱侧面受到的压力互相抵消，竖直方向受到液柱重力与液体浮力这两个力的作用）？你能猜想到浮力的大小与什么因素有关？这是一种教学暗示，如果学生能猜想到浮力等于所排开液体的重力，那么学生就能形成对探究“阿基米德原理”实验设计的顿悟或灵感。从思维培养的角度而言，既可以启迪学生对模型建构的抽象思维，又可以促进学生对科学实验的设计思维。

物理科学思维是人类思维智慧的宝贵结晶，它是物理课程的精髓，不仅能引导人们探索自然并改造自然，更是人们从事现代化技术创造发明的有力武器。它可以使知识变活，更可以给知识赋予强大的力量。因而，注重对学生科学思维的培养，是物理课程教学贯彻创新教育的具体表现。

参考文献：

[1]王较过.物理教学论[M].西安：陕西师范大学出版社， 2009：2-3.

[2]黄建明.科学思维法[M].成都：四川辞书出版社，2007：132-143.