发展“科学思维”素养的探索与思考——以“伽利略对自由落体运动的研究”教学为例

徐卫华

(南通市教育科学研究院,江苏 南通 226001)

随着新课程改革的进一步深化,“核心素养”成为了教育热词,对于物理学科而言,物理核心素养则反映的是物理学习和知识内化过程中带有物理学科特性的品质,其要素包含“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面,核心素养的发展离不开这其中的任何一个方面．本文选择“科学思维”这一视角进行分析,“思维”即通常所说的“思考”,新课标中“科学思维”要素,本质包含“情境转换、现象分析、证据意识、质疑创新”等方面．因此,发展科学思维是学生在研究物理问题时运用科学的思想与方法对问题所给的已知信息进行加工,最终获得新信息的思考过程．注重“科学思维”的高中物理教学,知识、概念是学习活动的载体而并非目标,其目标在于能够找到认识和研究自己所处世界的科学方法,实现素养的提升．本文结合具体的教学案例,就如何以“科学思维”主导高中物理教学架构．

1 以“科学思维”主导高中物理教学架构

物理并非只是概念、规律、理论及其它们形成的知识结构,与物理知识相比,科学思维更能体现人类理性和智慧,对于问题的研究与解决具有更为广泛的迁移效应．为此,笔者认为高中物理教学可以以科学思维为主导组织课程教学架构,借此实现物理知识学习与物理核心素养同步发展．

以科学思维为主导的教学架构,知识是载体,学科素养发展为目标,通过创设知识学习情境,引导学生在研究具体问题的过程中实现“情境转换、现象分析、证据意识、质疑创新”,体验、内化科学家研究自然所运用的科学思想与方法,然后再创设知识应用情境,引导学生在应用物理思想与方法解决问题的过程中形成稳定的科学思维．整个过程中,学生不仅有科学思维的发展,在物理核心素养的其他3个方面也协同提升．

以科学思维为主导的教学架构,可以分为以下几个环节.

环节1:文化重演．文化重演提升学生“情境转换”的思维水平,引导学生走近前人思考物理知识和探索物理规律的起源,即为什么要建立这样的概念?在这一概念或规律建立前,解决问题时遇到了怎样的困难?在情境转换中,同时有初步的“质疑创新”思维的参与．

环节2:逻辑推理．科学思维的发展以物理知识、实验、理论等作为支撑,逻辑推理的过程是“现象分析”的过程,以科学思维为主导的教学架构领引学生进行必要的逻辑推理,让学生感受到科学思维的力量．

环节3:科学猜想．这是学生创新思维发展的重要环节,科学猜想不是主观臆断,“证据意识”在此过程中得到充分的体现,是基于逻辑推理后破旧立新的发端,通过该环节能够展现科学思维的魅力．

环节4:构思实验．这是基于前3个环节后创新思维的展现,构思实验是“质疑创新”的集中体现．构思实验的方法有很多,通常可以引领学生采用置换背景的方式．物理规律的建立基于实验基础,以科学思维为主导的教学架构让学生自主构思实验,引导学生应用物理思想与方法解决问题,有助于激活并形成稳定的科学思维．

下面,笔者结合人教版必修1物理教材第2章第6节“伽利略对自由落体运动的研究”进行教学案例分析．

2 教学案例——伽利略对自由落体运动的研究

2.1 基于科学思维发展的教材分析

教材分析是教学设计的重要内容之一,教师要结合学生的学习实际确定教学内容,并在核心素养指引下分析教材内容的设计特点,进而实现有效整合．以科学思维为主导的教学架构,首先从科学思维的角度研究教材内容．

本节课的主要内容可以概述为“破而后立”,教材介绍了伽利略从逻辑的角度否定了亚里士多德对落体运动的认识,在此基础上提出自己的观点,并通过科学实验以及数学推理进行了证实．

本节内容承接“自由落体运动”一节,学生已经对运动规律有了正确的认识,再回溯理论的发现过程有何意义呢?笔者认为,教材这样设计的目的不再是对运动规律的探索,而是要让学生重新置身于伽利略所处的历史年代,让学生深刻思考并感悟伽利略探索的整个过程,从中发现隐含在其中的科学思想和方法．

教师教学时,往往把它作为阅读材料让学生进行自主学习．笔者认为,教材编写组既然以独立的章节来呈现这节内容,其目的就是对学生进行方法引导,引导学生感悟物理研究思想的价值．就自由落体运动的规律探索而言,在现在的技术条件下,很多操作是相当简单的,对应现象也是一目了然,因此对思维培养的力度相对较小．但是,如果将理论建立的过程放在伽利略的时代,不完备的概念框架,再加上粗陋的实验条件,要让问题得以解决,就必须充分发挥思维的力量,比如伽利略采用反证法发现亚里士多德观点的谬误,用科学猜想和数学方法探索出正确的规律.这些都值得我们在教学中引导学生加以揣摩和探索,从中感悟科学思想的光辉．

2.2 以科学思维主导的教学环节设计

学生对本节内容并不陌生,如果教师的引导不够恰当,很容易让学生的思维陷入停滞,他们只会被动地获取学习信息,却不能积极主动地进行思考.这显然是教学过程中必须要极力避免的．因此教师要巧妙设计课堂活动,有效促进学生的思维发展．

环节1:文化重演——“情境转换”中追溯谬误产生的根源.

问题情境1:有关落体运动的特点,亚里士多德、伽利略分别给出了怎样的结论?

学生简单思考,给出回答:亚里士多德认为物体下落的快慢由其重量来决定,物体越重,下落的越快;伽利略则认为物体下落的快慢与其重量没有关系,重的物体和轻的物体下落得一样快．

问题情境2:课前,教师让学生带调查问卷(图1)回家请家长完成,能够归纳出怎样的结论呢?

学生交流调查结果,汇总发现不少家长依然给出和亚里士多德一样的结论,所给出的理由主要是对生活经验的直接总结．

调查问卷

家长您好，我们正在进行一项研究，需要了解大家对“物理下落现象的认知程度”.所以恳请您花几分钟时间帮助我们回答以下两个问题，本问卷不记名，但是希望得知答卷人的年龄学历和职业，所有数据用于统计分析，请您放心填写，谢谢您的帮助.

图1

师:亚里士多德结论从而何来?现在仍有许多人坚持这一观点,原因是什么?

生:这些错误结论源于对自然现象的直接观察和总结,没有经过详细的分析和比较,这是其错误的原因．

师:伽利略如何论证亚里士多德的观点是错误的?

生:采用逻辑推理和科学实验等研究方法．

设计思路:科学思维对应着科学的认知活动,是对感性素材进行加工和处理的基本过程．亚里士多德理论的错误性就在于其认识太过感性,引导学生探索这些问题就是要让学生领会到科学思维的实质．当学生明晰这一点之后,教师再引导学生将思维导向伽利略的探索过程,让学生以更加理性的思维展开分析和研究,这对学生的思维发展大有裨益．

环节2:逻辑推理——“现象分析”中展示科学思维的力量.

问题情境:请大家自主阅读教材内容,简述伽利略否定亚里士多德观点的基本操作．

学生思考并进行讨论,给出以下结论:伽利略从亚里士多德的观点出发,指出如果大石头的下落速度快,小石头下落的速度慢,如果将二者捆绑在一起,则大石头运动会被小石头拖慢,因此整体速度会比大石头小一些;但是整个捆绑在一起时,其总重量变大,则速度又应该大于之前的大石头速度．这种自相矛盾的结论,说明亚里士多德的观点是错误的．

师:上述研究方法有什么特点呢?

生:先认为某种观点是正确的,然后由此延伸出去得出自相矛盾的结论,进而确认原先观点的错误,这是反证法．

师:在此基础上,伽利略有没有提出自己的观点?

生:有,他认为轻重物体下落时应该一样快．

设计思路:伽利略推翻亚里士多德有关落体运动规律的结论在物理学史上是一个大事件.这充分彰显了科学思维的力量,同时也从侧面指明科学理论的第一准则就是自洽性．学生对这段史实并不陌生,如果由教师来重新讲述这段历史,学生只会感到索然无味,直接让学生自主阅读,并进行总结,反而有助于学生自发体会其中的思维力量．此外,反证法是最能体现思维严谨性的科学方法,这一方法在物理教学中还有广泛的运用,比如有关等势面与电场线的关系研究、静电平衡规律探索等等都有所涉及,在此引导学生进行方法总结是很有必要的．

环节3:科学猜想——“证据意识”下展现科学思维的魅力.

问题情境:伽利略指出轻重物体下落同样快之后,是否止步于此了呢?

教师引导学生阅读教材内容,回顾伽利略的探索过程,并在对话中引导学生感悟科学思维的强大魅力．

师:伽利略在研究过程中首先遇到的困难是什么?

生:伽利略首先遇到的困难是概念上的缺失．为了更加有效地完成研究,伽利略建立了描述运动所需要的概念,包括平均速度、瞬时速度和加速度等等．

师:伽利略对落体运动的规律有何猜想呢?

生:伽利略相信,自然规律是简洁明了的．据此,他提出落体运动是一种最简单的变速运动,即速度变化是均匀的．

师:如何描述这种“均匀”?

生:伽利略有两种设想,其一是速度随时间均匀变化,其二是速度随位移均匀变化．但是如果采用后一种观点,则只会让运动变得更加复杂,伽利略采用了第一个设想．

设计思路:科学猜想不是胡乱臆想,它是科学思维的重要结晶．我们指导学生研究伽利略的探索过程,就要指导学生体会伽利略研究过程中的整个猜想思路．在上述设计中,学生先体会到伽利略建构物理概念的重要意义,然后再分析猜想提出的过程,教师要让学生明确伽利略猜想的形成缘由．

环节4:置换背景——“质疑创新”中推高稳定的思维水平.

问题情境:猜想是否成立,伽利略是如何通过实验来检验的呢?

伽利略当时的实验条件相当简陋,也正因为如此,科学思维在其中发挥了相当重要的作用,教师要引导学生设身处地回到当时的背景,引导学生明确伽利略问题处理的困难,引导学生在思考中重新领会伽利略实验设计的闪光点．

师:伽利略在实验设计中遇到哪些困难?

生:在当时的技术条件下,伽利略无法准确地测定物体运动的速度;且计时手段也非常简陋,不足以记录落体运动发生的时间．

师:伽利略是如何克服困难的呢?

生:虽然无法测定速度,但是伽利略采用数学手段,确认如果速度与时间成正比,则位移就正比于时间的平方,以此可以完成对猜想的证明．另外,考虑到落体运动的进程太快,伽利略在斜面上进行实验,以此来冲淡重力的影响,延缓运动发生的时间．实验结论表明,物体在斜面上的运动确实是匀变速直线运动．

师:上述结论是在斜面上实验得到的,怎样得出落体运动的规律呢?

生:伽利略对已有结论进行了合理外推,即逐步增大斜面的角度,当角度趋近于90°时,运动场景就是落体运动,因此可以明确这一结论也适用于落体运动．

最后,我们教师可以进一步拓展,如果按照现在的实验条件,你会如何进行实验方案的设计?(可以作为作业布置给学生去课后思考,促进学生内化前面学习的研究匀变速直线运动规律的实验方法与思想,同时学生又能够升华伽利略的研究过程,感受科学思维的魅力)

设计思路:伽利略对落体运动的探索开创了人们将实验探究和数学推理整合起来研究物理的先河,其中蕴含着丰富的科学思维内涵．在教学过程中,教师要注意指导学生分析伽利略实验中所面临的困难,并由此来领会伽利略设计的精妙之处,从中收获思维的启迪．

3 科学思维素养培养的思考

如何更好地发展学生的科学思维,是众多物理教师在教学中一直在思考和探索的．物理习题的解答,探究问题的解决,实践活动的实施等等,这些都可以成为学生思维发展的重要平台．那么在常态化的物理课堂上,我们还有那些细节值得进一步发掘,以便对学生的思维发展起到更好地促动呢?

3.1 重视物理学史在科学思维培养中的价值

物理学史记载着物理理论的发展进程,其中每一项突破都对应着科学家超凡的智慧和灵动的思维,我们在教学过程中,引导学生回溯历史,重新经历科学家发现结论的过程,让学生感受知识背后的方法和思想．

借助学史内容来引导学生学习,关键要让学生重新回到当时的历史背景下,明确理论突破的重要意义,感受探索过程的艰难．事实上,如果脱离了历史背景来感受物理规律的形成,学生将很难体会科学思维的力量．

比如,伽利略推翻亚里士多德有关落体运动的观点,这不但需要智慧,更需要勇气,因为当时亚里士多德的理论在西方文明中占据着主导性到位,伽利略所做的工作必须要从思维的角度,一针见血地指明问题的存在,这样的处理才能彰显科学思维的强大力量,学生才能真正获得触动．

3.2 领会物理实验对科学思维培养的意义

在核心素养的框架下,科学探究与科学思维本是一组平等的存在,但是两者又相互交融,共同推动着理论的发展．在物理教学中,教师要善于引领学生感悟实验设计的内在意义,让学生深刻领会思维浸润其中,并以此让学生的思维得到培养．

笔者一直认为,高中物理实验不单纯只是操作,更多应该是设计、改进、分析,以及实验过程中的问题处理,而这些都对应着科学思维运用．

比如,伽利略为什么用斜面实验间接进行研究,如何进行合理外推等等,这些都是科学思维的体现．我们在教学中引导学生分析这些内容,就是在对学生的思维进行发掘和培养,也是对学生探究意识的发展．

3.3 在互动与对话中激活学生的思维

高中物理教学中,科学思维有沉静的一面,更有火热的一面．面对一个物理问题,我们强调学生能够静下心来深度思考,更要通过对话与互动进行激发和促动．教师要通过问题设计激活学生的思维,让学生主动展开探索和研究,并在学生的思维陷入僵局时,对学生予以必要的点拨,帮助学生突破思维障碍．

互动与对话对学生的思维发展意义重大,教师不仅要通过自己的力量引导和启发学生思维,同时也要指导学生在生生、师生互动中碰撞思维,引导学生更新思维方法,提升思维品质．