基于科学思维培育的物理抽象概念及规律的教学策略

赖佳颖

摘   要：科学思维是物理学科核心素养的核心内容，它是人脑对科学事物的相互关联和关系的间接与概括的反映。《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提及科学思维由模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新四个主要内容构成。在物理教学中，抽象概念和规律的学习需要经历更深刻的思维加工过程，是物理思维培育的重要途径。文章通过介绍掌握学生最近发展区、构建结构不良模型等多种策略，提升科学思维培育的有效性，以期解决教学难点。

关键词：科学素养;科学思维;抽象概念和规律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）11-0007-4

在物理学科核心素养的四个方面中，科学思维很早便受到教育者的重视。1932年全国教育联合会颁布了《初级中学自然课程纲要》，提及教师在教学中应多采用归纳、演绎的方法;1978年的《全日制十年制学校中学物理教学大纲（试行草案）》中则要求教学“培养思维能力和自学能力”。如今，作为学科核心素养中的重要部分，科学思维由模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素构成，其在《普通高中物理课程标准（2017年版）》（下文简称《标准》）中有详细界定，此处不再赘述。彭前程先生把科学思维简述为大脑对于科学信息的加工活动，他认为各种现代教育理论中都应给予思维教学充分的重视，这表明科学思维的教育在物理教学中占有极为重要的地位[1]。

在物理教学中，对于某些概念、规律，学生缺少感性的认识基础，甚至很难通过实验进行探究学习，如电学中的电源电动势、电势、电势能等。对于这些概念和规律的认识，学生必将经历更深刻的思维加工过程，将概念和规律进行改造，借助逻辑推理、综合分析等能力，逐步形成对事物的立体的、完整的认识，而这一过程正是物理学科核心素养中科学思维提升的关键期，而要抓住这些关键期，需要有更多的教学策略。本文以“电势能、电势”为课例，来谈谈笔者通过抽象概念、规律教学来培育学生科学思维的教学策略。

1    分析学情和教材，掌握學生最近发展区

学生情况和教材分析可以让教师更有目的性地开展教学活动，尤其是对于抽象概念和规律的教学。维果斯基的最近发展区理论告诉我们，有效教学应该开展在学生已有的认知水平上，并指向学生可能的发展水平，这一过程需要教师和学生间的共同参与。对于学生学习情况的分析，既要包含学生的心理活动特征，也要包含学生的已有知识，这有助于确定学生的现有认知水平;对于教材的分析，除了要确定教学内容在章节中的地位和作用外，还需要分析、掌握这些内容的必备知识和心理特征，从而教师才能确定课堂教学的重点和难点，规划出学生的最近发展区。

对“电势能、电势”一课的学情、教材分析简述如下：

学情分析：高中生思维能力更加成熟，抽象逻辑明显占优，并逐步向理论型抽象逻辑思维发展;从知识上看，学生已经掌握了做功与能量转换间的基本关系（重力与重力势能），了解了电场力的性质等内容。

教材分析：《电场》这章内容，可总结为“一条主线”“两大板块”。“一条主线”是指章节中所有的内容，都是围绕着电场的认识而展开的;“两大板块”则是指电场较为重要的两大特性，即力的性质与能的性质，这两部分知识相互关联，呈现螺旋上升式认知。电势、电势能、等势面等概念非常抽象，学习这些概念需要掌握做功与能量转化、电场力、电场线的特征等，其中电场力做功与电势能的概念形成可以通过调动学生的主观能动性，运用类比、迁移等思维方式，突出教学重点，见表1（具体教学可参见下文）;而电势能的特性则可以通过构建基于真实情境的问题逐步深入，结合科学思维方法的点拨，突破难点。

2    设计基于真实情境的结构不良问题，提升建模与科学论证的能力

美国科学教育界以培养学生科学思维为目的，将理科问题进行了划分，除了常见的结构良好问题，还非常关注结构不良问题，这类问题可能具有目标不明确性、解决问题的途径不唯一性、结果多样性等特征。由于结构不良问题往往需要复杂的分析过程，并调用多种概念和规律进行科学论证，因此可以锻炼学生的科学思维能力。对于真实情境的问题则包含多种干扰因素，需要学生从丰富的情境中以物理的视角提炼问题，建立模型，形成概念和规律间的关联，这也是锻炼科学思维能力的良好机会。综上所述，即便是在抽象的概念、规律课中，教师也应该尽力去设计具有真实情境的结构不良问题。在“电势能、电势”一课中，笔者设计的问题如下：

情境：（观察，不阐述）将一个小球与头发摩擦后，用绝缘细绳悬挂在铁架台下方，将两个金属网平行放置，连接并摇动手摇感应起电机，如图1所示。更换接线柱，再次实验。

问题：请观察小球的运动情况，分析产生这一现象的原因;你是否能从能量的角度重新审视这一现象？作出哪些猜测？得到哪些结论？

解答：实验可观察到小球在电场力的作用下运动起来。从能量角度看，小球在电场力的作用下，速度从无到有，动能增加，根据能量转化与守恒可知，有其他形式的能量转化为动能，这一过程中电场力做正功。

设计思想：设计该基于真实情境的结构不良问题的目的有三个。首先，该问题基于一个实验演示，教师言语不多，学生需要自行从物理视角观察现象，通过分析、综合、类比等科学思维的方法，建立模型，提出问题;其次，学生看待现实的思考角度各不同，绝大多数学生会从力与运动的角度分析、解释，但是方法、依据也各不相同，这一过程可以提升学生科学论证和质疑创新的能力;再者，在教师的引导下，学生最终将关注点转移至能量，建立起力、运动与能量间的联系，并运用曾经在《机械能》一章中掌握的分析方法，重新经历思维认知的过程，建立电场力做功与电势能变化间的关系;最后，对该问题的最终解答可放在课堂的最后，是学生在整堂课的学习中逐步建立的知识框架，既贯穿了课堂的学习，也可以让学生在掌握规律之后再次分析和评价这一现象。

3    运用“比较—归纳—综合”，实现科学思维的方法点拨

《标准》[2]中指出：“教师引导学生经历物理概念的构建过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的重要途径。例如电场强度的教学，应创设不同试探电荷位于电场中不同位置的情境……学生在处理以上信息的过程中，经历了‘比较—概括—抽象的过程，发展了科学思维。”比较、概括、抽象等是自然科学在长期发展过程中形成的一系列基本思想方法，也是科学推理中重要的组成部分，《标准》解读中也明确提出高中生应该从定性和定量的两个方面正确理解和应用上述科学思维方法。

笔者认为，掌握这些方法不能光靠学生自己体会、总结，更应该创设条件，在课堂中进行思维方法的点拨。在“电势能、电势”一课中，笔者分别设置了“比较—归纳—综合”方法的教学环节。

（1）比较方法的教学设计

在一个竖直向下的匀强电场中，将一个带正电的小球（不计重力）由A点沿着三条路径运动到B点（AB、ACB、其中AC与电场线垂直，BC平行于电场线），如图2所示，引导学生发现电场力做功与路径无关，从而与重力做功进行类比，得到表1。

设计思想：比较是指确定事物之间的差异点和共同点的思维方式，可分为类似比较、差异比较和系统比较。此环节以竖直向下的电场力为切入口，唤起学生对于重力做功、重力势能特点等概念、规律形成的记忆，类比电场力做功与重力做功间的相似点，推导出电场力与电势能的关系。

（2）归纳方法的教学设计

根据公式，在图2中假设以B点为电势能零点，则将3个电荷依次放置在A点，分别计算各个电荷在A点时具有的电势能，并引导学生归纳影响电势能的因素，以及是否可以类似电场强度E得到一个反映电场能的性质的物理量？

设计思想：归纳推理指由一些个别的、特殊的判断推出一般性判断的思维方式。在本环节中，学生通过计算可以获得3个电荷在A点具有的电势能分别为Eqlcosθ、2Eqlcosθ、-Eqlcosθ，教师可以鼓励学生根据3个电荷在同一点电勢能的表达形式，归纳推理出电势能与哪些因素有关，并寻找出反映电场能的性质的物理量，即电势。

（3）综合方法的教学设计

在掌握电场力做功、电势能、电势等概念和规律后，给出情境1：如图3（a）所示，将一个正电荷沿着电场线方向运动，分析电场力做功情况及电势能、电势将如何变化;情境2：如图3（b）所示，将一个负电荷沿着电场线方向运动，分析电场力做功情况及电势能、电势将如何变化。两种情境的对比，引导学生综合运用所学知识，了解电势、电势能等变化的本质和规律，最终得出电势能与电荷位置、电性、电量等有关，但是电势却反映电场本身的性质，即该问题可以印证正负电荷的电场力做功及电势能变化各不同，但在沿电场线方向电势始终降低。

设计思想：综合是指在分析的基础上，把研究对象的各个组成部分或者要素在思维中重新结合成一个整体，从而在整体上把握事物的本质和规律。该环节中，学生不仅可以通过“电场力做功—电势能变化—电势变化”得出结论，也可以反过来，方法各不相同，但是却能综合运用多方面的知识，而学生正是要在不同方法的应用中，体悟不变的本质和特征。

4    建立多样性的信息流向，形成对科学事物立体的、完整的认识

科学思维的对象是一个多层次、多结构、多序列的完整网络，而人们对科学事物的反映和认识，即形成科学思维，总是从一个点、一个方面、一个角度累积地进行。因此，在学生进行科学思维训练时必须从不同的方面、不同的角度获得关于科学本质属性的外部表现信息，并加工改造。而所谓的多元信息流向是指在课堂中不全以教师为中心，信息交互的路线是多边的、全面联系的，存在于教师与每个学生以及学生与学生间[3]。因此，通过多阶段的信息交流方式，可以让学生全面地、多角度地、多方式地认识事物，有利于抽象概念、规律的教学。在“电势能、电势”（下转第12页）（上接第9页）一课中，笔者特地加入了多阶段信息流向的小组学习和课堂交流。

本课的教学设计中共有3个环节的学生互动交流：（1）在引入新课时，鼓励学生个体对图1所对应的物理现象进行描述和解释，同时交流从能量角度如何分析这一现象;（2）在科学思维的方法点拨时（图2），鼓励学生分小组解决问题，并交流讨论;（3）在应用环节中，给予学生足够的信息情况，并鼓励学生讨论为何在微电子生产中的技术工们都穿着特殊的防静电服。

设计思想：引入环节中的讨论是希望学生能集思广益，开拓视野，建立物理模型，有效搭建问题解决的框架。在思维方法点拨时，每组学生综合运用多个知识解决问题的途径可以通过交流得以展现，从而使所有参与者都可以从多角度、多方面实现对知识和规律的认知;在应用环节，交流与讨论不仅可以应用知识，还可以达到信息互通，增强学生在丰富情境中提取信息的能力。

科学思维是学生问题解决与实现创新的重要能力和品质，郭玉英教授认为，必备品格和关键能力的培养，均需以具体的学科课程为载体，通过精心设计的教学来促进学生发展[4]。本文为笔者在解决高中物理教学中关于抽象概念和规律教学的点滴思考，希望与一线教师们共同探讨。

参考文献：

[1]彭前程.谈对“学生发展核心素养及物理学科核心素养”的理解[J].中学物理教学参考，2017，46（10）：1-4.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]林崇德.心理学大辞典（上卷）[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]郭玉英，苏明义.新版课程标准解析与教学指导（高中物理）[M].北京：北京师范大学出版集团，2018.

（栏目编辑    赵保钢）