科学探究: 思维不能缺席——对“牛顿第一定律”教学的深度思考

王 高

(江苏第二师范学院，江苏 南京 210013)

科学探究是人们发现规律、获取知识的主要过程和重要方法,是物理教学的重要目标、内容和手段．科学探究是物理学科核心素养重要内容之一,也是物理观念、科学思维、科学态度与责任素养培育的基础．然而,中学物理实际教学中大部分老师搞的是“速成探究”而不是科学探究,即老师带着学生快速地完成探究程序,有“形式”却鲜见效果,欲速而不达．究其原因主要是在科学探究中让“思维”缺席了,学生不能形成自己的思考,被动地跟着老师“探究”,这种状况急需变革．本文以“牛顿第一定律”的教学为例做一深度探究．

1 格物致理: 物理的本质特征

物理学是基于观察、实验来建构物理模型,通过科学推理、论证来揭示自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律,即:格物致理,格物——探究自然界的万事万物,致理——搞清其中的道理(客观规律、客观方法、客观理性)并加以运用,可见,科学探究是物理学的本质特征．

物理教育应该尊重物理学发展的历程,引领学生体验物理学发现、发展的探究过程．人类很早以前就对力和运动的关系进行了研究,基于不同的研究方法,产生了不同的认识,其中以亚里士多德、伽利略、笛卡尔、牛顿的观点最具代表性,见表1．师生通过查阅物理学史资料、辩论、实验探究等方式了解他们的观点、研究方法以及认识发展变化,体验到物理学是以真实证据为基础,通过归纳与演绎推理、理想实验等科学方法来建立合理性关系的过程．物理学总是在探究中不断发展、完善的,进一步理解牛顿“是站在巨人的肩膀上”的意义．

表1

科学探究充分体现了物理本质与教育本质的结合．物理本质的探究是不断追求真理和修正错误、不断地创新,学习物理如果忽视了对科学探究过程的理解和体验, 就难以理解物理的本质;教育本质的探究是促进人的发展, 即通过探究具体情境,获得知识、方法、技能以及客观理性,促进人的科学素养的全面提升．所以,核心素养背景下的物理教学更应重视科学探究!

2 理性思维:科学探究的灵魂

物理的发展是以实验为基础、以思维为中心的,两者在探究过程中是互为融通的,伽利略的“理想斜面实验”正是实验和思维有机结合的事例．

科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素,它有两种形式:实验探究和理论探究．实验探究不仅是观察、操作、记录和处理信息, 其中,提出问题、形成猜想和假设、设计实验和制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思等更是一种自觉的创造性活动, 自始至终闪耀着理性思维的光辉,所以,理性思维是物理实验的生命,它始终贯穿在基于实验的物理概念的形成、理论的建立过程中, 离开了理性思维, 物理实验就会因为盲目而丧失力量．

在牛顿第一定律教学中,基于真实的情境,抓住问题、证据、解释、交流等要素,展开探究教学,具体设计为.

(1) 情境.

情境包括生活实际情境和学习探索情境．情境必须是真实的并且与研究的内容相关．例如:推箱子、敲铁钉、踢足球、火车进站等都是与力有关的学生生活的真实情境．对于这些生活情境,教师首先需要“翻译”成物理语言来表述,比如:“汽车从刹车到停下来”表述为汽车刹车时速度减小到0．然后发现这些情境中的共同特征:运动物体的速度都减小为0．再从共同特征中发现问题、提出问题．即真实情境—物理语言表达—归纳出共同特征—发现问题、提出问题．

(2) 问题.

基于情境或实验现象分析提出科学问题,这些问题大体分为3个层次．同样,根据已有的经验和知识对问题解决形成猜想与假设,也可以分为3个层次(见表2)．

表2

教学中根据学生的情况循序渐进,逐步提高．

(3) 证据.

为验证假设选择实验器材、设计实验,操作实验,并能从实验中全面、客观地获取信息,分为3个层次进行(见表3)．

表3

续表

表4 滑块在不同表面上运动的距离

证据不仅是为归纳特征、获得结论提供必要的信息,还是通过实验等途径获得证据进行证明的过程,让学生获得物理知识的同时能够经历推理等思维过程体验,发展高阶思维能力,提高科学思维品质,这是实验探究中应该高度重视的内容．

(4) 解释.

科学地处理证据,能客观、直观地呈现信息,运用科学的思维进行概括、推理,进而得出结论(见表5)．

表5

(5) 交流.

让学生准确地表达出自己的观点,并认真倾听别人的观点,对结论、过程、方法以及结论进行反思(见表6)．

表6

交流中问题的提出、方案的设计、信息收集和处理、结论的得出及解释、反思等,以及文字、表格、图像、公式等都需要准确和富有逻辑性．

本课题探究中我们清楚地看到:“实验”帮助我们收集一些证据,包括:现象发生的条件、现象的重要特征、现象变化的量值、影响现象变化量值的关键因素．但是,这些证据并不能揭示出事物的本质规律．而“理性思维”帮助我们分析、归纳、概括,得出了合理的推论．“理性思维”是指把收集到的证据,通过大脑“加工处理,去粗取精,去伪存真”的过程,即发现事物中最本质的东西．

可见,牛顿第一定律是在理想条件下,借助理想实验,通过逻辑推理的方法得到的．理性思维在揭示事物本质过程中起到关键性、决定性的作用,所以说,思维是科学探究的灵魂．

3 实验探究:思维生长的沃土

德波诺说过: 思维就是为了某一目的的探究.实验操作不仅是在思维控制下的一种思维的“外现”,更重要的是在实验操作过程中,对思维相关因素的活跃以及品质产生一种刺激的作用．

从实验探究目的看,检验物理理论、发现物理规律或物理特征、测定物理量等,都需要巧妙构思、精心设计出科学的探究方案,以求对探究的问题做出客观真实的回答,这实际上是一个缜密的思维过程;从实验的操作看,测量什么、如何测量及保证实验的精度?以及如何控制变量、获得信息等,理性思维仍需占据主导地位;从实验数据的分析处理看,更是显示了理性思维的突出地位,且对实验结果作恰当正确的理论解释和概括,无疑是更高层次理性思维的产物,往往由此导致新的科学发现,所以说实验探究是思维生长的沃土．

在牛顿第一定律教学中,实验中活化思维,通过实验进一步优化思维,处处促进学生思维的生长．思维生长的主要着力点见表7．

表7 牛顿第一定律教学中思维训练着力点

续表

科学家的探究总是从问题开始,又以问题结束．教学中的科学探究既能让物理魅力增加,课堂更精彩,更能让学生的思维得到发展、生长,科学开展探究教学正是物理核心素养落地的重要抓手,值得我们深度思考、有效实施．