物理科学思维培养的教学策略

梁俊敏

【摘 要】本文在阐明物理科学思维的内涵及其基本要素的基础上，以“抛绣球”运动为例，阐述培养学生物理核心素养的方法，以提高学生运用所学知识解决问题的能力。

【关键词】物理 科学思维 培养策略

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）01B-0143-02

“抛绣球”运动作为一项广西民族传统体育项目而走进校园，其物理运动规律为斜向上抛体运动。本文以“抛绣球”运动为教学内容，以物理核心素养中的科学思维培养为教学研究对象，通过采取小组合作交流的课堂教学形式，探讨培养学生物理科学思维素养教学策略，以提高学生运用所学知识解决问题的能力。

一、物理科学思维的内涵

（一）物理科学思维的内涵

物理核心素养包含物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任四个方面。其中，科学思维是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。

（二）物理科学思维的基体要素

科学思维包含四个组成部分，分别是建构理想模型、科学推理、科学论证和质疑创新。

1.理想模型。理想模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体，分为对象模型、条件模型和过程模型三类。对象模型是用来代替研究对象实体的理想化模型，如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源、光线、薄透镜以及关于原子结构的卢瑟福模型、波尔模型等。条件模型是把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型叫做条件模型。如光滑表面、轻杆、轻绳、均匀介质、均强电场和均强磁场等。过程模型是由于实际的物理过程都是诸多因素作用的结果，忽略次要因素的作用，只考虑主要因素引起的变化过程叫做过程模型。学生在高中物理学习中，要学会对物理现象、物体运动等物理问题建立与之对应的理想模型，从而抓住问题的主要因素，忽略次要因素。建构理想模型是物理研究的重要手段。

2.科学推理。科学推理是一种方法。物理学中，常常有难以达到条件的时候，这时，常常需要借助将实验想象为理想情况下的实验，以此来达到实验目的，并在实验基础上经过概括、抽象、推理得出规律，这种研究问题的方法就叫科学推理法。比如高中物理中的牛顿第一定律就是通过科学推理，在模拟出没有摩擦力的环境下，物体将永远运动下去。

3.科学论证。

科学论证是一种方法。科学论证法是指事实论证、道理论证、正反对比论证、比喻论证、事例论证等多种论证方式的总称。在高中物理学习中，常常都会用到这些论证方式。

事实论证是一种从材料到观点，从个别到一般的论证方法，是从对许多个别事物的分析和研究中归纳出一个共同的结论的推理形式。

理论论证的逻辑形式是演绎推理，就是将归纳所得的论点，用人类已知的科学原理去论证。

比较论证是一种由个别到个别的论证方法，分为类比法和对比法两类。

因果论证是根据客观事物之间都具有这种普遍的和必然的因果联系的规律性，通过提示原因来论证结果的方法。有时某种结果是由多种原因引起的，这时就必须分析和抓住其中的主要原因，提示引起结果的本质的核心的因素来论证论点。

道理论证是运用讲道理的方法，用被人们公认的科学原理、定理、公式等来证明观点的方法。

高中物理教材中设置的学生实验，就是让学生通过动手实验，在体验和感受实验过程中学会运用理论论证、事实论证等方法。高中物理学习中，在物理概念的建构过程、物理规律的探索过程中，让学生知道物理知识及其运用的思维方法。通过各种类型的题型训练，让学生学会运用科学论证的各种方法，培养学生的创新能力。

4.质疑创新。质疑是提出疑问，创新是指以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向，利用现有的知识和物质，在特定的环境中，本着理想化需要或为满足社会需求，而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境，并能获得一定有益效果的行为。

二、“抛绣球”运动与科学思维培养的联系

（一）“抛绣球”运动简介

“抛绣球”作为广西民族传统体育运动项目之一，已经进入日常体育课教学活动中。其比赛要求是将绣球以一定的角度和合适的速度抛出，使其准确地穿过所设置的投球圈。“抛绣球”的投球圈是在竖直的一根高 9 m 的杆的顶上安上的一个直径为 1 m 的圆圈。

（二）“抛绣球”运动的物体运动规律

高中物理课本把物体以一定的初速度斜向上或者斜向下抛出，只有重力作用的运动定义为抛体运动。在不考虑其他力的影响下，“抛绣球”运动可以看成斜向上的抛体运动。

斜向上的抛体运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动。水平方向运动的位移与时间规律为 x=vt；竖直方向位移与时间规律为 y=v0t+at2，其中 a 为加速度；竖直方向速度与时间规律为 vt=v0+at。在这个过程中 a=g，g 为重力加速度。

（三）“抛绣球”运动与科学思维的培养

1.理想模型建构的培养。“抛绣球”运动是一项受诸多因素影响的运动，如受气流、场地因素等影响，同时也受球自身的因素、球在运动过程的因素等影响。建构“抛绣球”运动理想模型，即把绣球看成一个质点，并忽略外界影响因素，如气流、场地等。认为绣球在運动过程中只受重力作用，建构“抛绣球”运动的条件模型。根据“抛绣球”运动轨迹，建构“抛绣球”运动的曲线过程模型。

2.科学推理的培养。学生在实际“抛绣球”运动中观察到的绣球运动是类似斜向上抛体运动，因此可以把研究“抛绣球”运动的问题推理为斜向上抛体运动问题。然后让学生用已经学习过的平抛运动知识，解决这个斜向上抛体运动问题。

3.科学论证（计算）的培养。学生在体育课或者比赛中见过或进行过“抛绣球”运动，容易知道“抛绣球”运动的运动轨迹是曲线运动。建构模型，对“抛绣球”运动进行受力分析，对其抛出的初速度大小和方向进行论证和计算，得出绣球的初速度的范围及方向。

4.质疑创新的培养。发生在学生身边的物理现象有很多，怎样去把这些现象进行提炼出来，再运用所学物理知识加以解决，这就需要有质疑与创新精神。

“抛绣球”运动为什么能当作斜向上抛体运动呢？如何解决绣球初速度大小的问题呢？这些都是需要学生运用物理知识去解决的问题，也让学生从中知道，如何更好地求解出与具有实际指导意义的结论。“抛绣球”运动的模型建构、分析、解答的过程，其本身就是对学生进行质疑和创新能力的培养。

三、 在“抛绣球”运动课堂教学中培养学生科学思维的过程

（一）以物体运动情景再现和分析培养学生建构理想模型能力

课堂教学时，播放民族传统体育项目“抛绣球”运动的录像，让学生对“抛绣球”运动进行完整观察。组织学生对观察到的“抛绣球”运动现象的运动物体、运动轨迹、受力情况进行分析，列举影响“抛绣球”运动的各种因素以及这些因素对物体运动的影响。分析这些因素，找到主要因素和次要因素，构建“抛绣球”运动的理想运动模型。

（二）以“抛绣球”运动性质分析培养学生科学推理能力

学生对斜向上抛体运动了解不多，但对平抛运动的了解有一定基础。经过理想化之后，围绕“抛绣球”运动全过程，分析绣球的曲线运动轨迹，推理得出“抛绣球”运动是斜向上抛体运动。斜向上抛体运动有一个上升和下落过程，物体在最高点只有水平方向的速度，其下落过程是平抛运动，而物体上升阶段为平抛运动的逆过程。推理出解决问题的关键点是求物体上升到最高点时的速度。因此，课堂教学中让学生抓住起点、最高点和落地点的速度，结合平抛运动知识，推导出运动规律。

（三）以“抛绣球”运动相关计算培养学生科学论证能力

“抛绣球”运动中的投球圈的直径为 1 m，因而让学生考虑投球圈的直径对问题解决的影响。学生在进行探究讨论后，形成结论：把投球圈的最低处和最高处分别设置为绣球运动最低点和最高点，明确“抛绣球”运动中的速度不是某个值，而是一个取值范围，运动时间也相应为一个取值范围。

明确斜向上抛体运动问题可以用平抛运动的规律进行解决，组织学生对“抛绣球”运动进行分解，分析运动中物理量的变化，寻找解决“抛绣球”运动的主要物理量。学生通过分析，得出在水平方向上，绣球能穿越投球圈最低点和最高点都各有一个水平速度。考虑到绣球刚好碰到投球圈的最低点或最高点情形，因此其初速度在竖直方向上有一个竖直向上的速度范围。不在此速度范围的绣球，会因为速度太小或太大而从投球圈底下或顶上飞出。

通过对“抛绣球”运动的物理量进行研究，发现研究的物理量有物体运动的时间、位移和速度。而速度，不仅有大小变化，而且还有方向（角度）的变化。考虑到此，学生提出将对速度研究中的角度变化作为学生课余探究内容，把物体运动的时间、位移和速度大小变化作为课堂中探究的内容。

（四）以问题为导向培养学生质疑创新能力

在进行“抛绣球”运动分析解答过程中，以“抛绣球”运动是怎样的物体运动、可以用什么物理规律解决、针对投球圈会对“抛绣球”运动有什么影响、应该着重计算哪些物理量、身边还有哪些类似“抛绣球”运动等进行问题设置，让学生以小组为单位对提出的问题进行思考、分析、交流、讨论，形成结论并提出可行的解决办法，最终得出正确结果。通过问题拓展，如对投篮、飞镖等物体运动进行类比，将“抛绣球”运动的研究进行延伸。

四、课堂教学中科学思维培养的思考

如何在课堂上进行物理核心素养的培养，一直是物理课堂教学中探讨的问题。本节在课堂上组织学生通过对“抛绣球”运动进行分析，运用学生已学的平抛运动的规律，解答斜向上抛体运动的问题。这不仅有效解决抛体运动，而且为学生在物理学习和物理问题探究中提供科学的解决思路与方法。课堂教学中，采取了小組合作形式对学习内容进行探究，使小组之间、学生之间进行互动，并使学生主动参与到学习探讨中，从运动的性质和规律对“抛绣球”运动进行分析，从而掌握斜向上抛体运动的解决方法，从而触类旁通，掌握抛体运动规律。

（责编 卢建龙）