聚焦物理情境 培养科学思维

杜明荣 张格

摘   要：《普通高中物理课程标准（2017年版）》中明确提出了物理学科核心素养的培养目标。W老师是一位从教多年的高中物理教师，新课标的要求引发了W老师的思考与探索。如何在教学中处理好知识传授与素养培养的关系，W老师以核心素养中科学思维的培养为突破口，展开了教学实践的探索。科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，W老师针对科学思维的不同要素，发挥情境教学的优势，从实践层面探讨了凸显科学思维培养的高中物理情境教学设计，可以为高中物理教学中核心素养的培养提供有益的启示。

关键词：情境教学;科学思维;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）6-0077-4

与《普通高中物理课程标准（实验）》相比，《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]（以下简称新课标）在理念、目标、内容、评价等部分都有较大变化。课程目标由三维教学目标变为核心素养培养目标，其中，科学思维是核心素养的重要组成部分，包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四个维度。但是，在高考的压力之下，学生和老师更关注考试成绩，而往往忽略了物理学科本身的科学性和趣味性。因此，落实新课标要求，培养学生的物理学科核心素养，对于物理教学来说是新的挑战。本文将从以下四个方面来进行培养学生科学思维能力的探讨。

1    从形象到抽象，凸显模型构建思维能力的培养

“模型建构”主要指对一些客观复杂的物理

现象进行科学的抽象的处理，忽略一些次要因素，提炼出主要因素，从而得到能够凸显出事物本质属性的理想模型，将复杂问题简单化、抽象化。

本部分以磁感线模型的建立为例，探讨如何利用情境教学凸显“模型建构”思维培养的过程。因为磁场是看不见摸不着的客观物质，人们为了直观描述磁场强弱、方向以及分布情况，引进一种有方向的曲线即磁感线作为研究模型来定性分析。但是在教学当中，对于这种看不见摸不着的虚拟磁感线，教师应该怎样演示才能让学生对此模型理解深刻呢？W老师做了一个小实验还原了磁感线的轮廓，尽量让学生能够直接观察。

实验需准备一些碎铁屑（铁屑不能生锈且足够细）、一块玻璃、一块条形磁铁。W老师将玻璃平放在桌面上，然后将条形磁铁放在玻璃下，将铁屑均匀地撒在玻璃上，轻敲几下玻璃，学生便能观察到这些铁屑开始有规律地排列起来，缓缓呈现出一簇曲线的形状。通过这个小实验，学生对磁感线模型的建立有了新的认识和理解。接着W老师问学生：“如果没有这些铁屑，在条形磁铁的周围还存在磁场吗？我们引入磁感线是为了什么呢？”学生们齐声答：“存在。但是由于我们看不见也摸不着磁场，所以需要用磁感线来对磁场的性质进行描述。”W老师追问：“那么磁感线是真实存在的吗？为什么？”学生们答：“不是，没有那些铁屑的时候磁场也是存在的，磁感线是为了方便认知而引入的。”至此，一个能够描述磁场性质但不是真实存在的磁感线的模型已在学生脑海中初步形成。W老師接着讲，“其实呢，磁感线是闭合的立体的一条条曲线，但是同学们看到，我们的实验只能展示出磁感线在磁体外部的一个平面上的形状，那么，同学们课下能否以小组为单位查阅资料设计出来一个立体的实验模型呢？”

W老师的这种方法很容易就让学生记住磁感线不是一簇真实存在的曲线。学生的课堂参与度很高，成功激起了他们的学习兴趣，学生自然愿意在课下查阅资料进一步学习，从而在无形中提升了学生的思维能力。

2    从经验到新知，凸显科学推理思维能力的培养

“科学推理”的概念在哲学、心理学和教育学中均有研究，主要是指个体思维发展到一定程度时所具有的一种高级思维能力。科学推理能力实际上是一种不易显现的隐性能力，培养的是一种使学生终身受益的高级思维。本部分内容将以影响动能的因素为例，探讨如何利用情境教学凸显“科学推理”思维培养的过程。W老师在设置本节内容的时候，设置了两个教学环节。

环节一：W老师请一位学生到讲台前，直接用手轻轻地向此学生扔过去一枚玻璃弹珠，学生不明所以但顺手接住。接着，老师又拿了一枚一模一样的玻璃弹珠，放在弹弓里面，对着学生做出拉开弹弓准备发射的动作，学生本能地用胳膊放在身子前面遮挡。此时，W老师提出了问题：“一模一样的玻璃弹珠，为何第二种情况下这位同学却不愿顺手接着呢”？学生们齐声回答：“因为第二次的玻璃弹珠射出的速度更大，所具有的能量也更大”。W老师紧接着追问：“这个玻璃弹珠射出后具有的能量是什么能量呢？重力势能？弹性势能？还是动能呢？”学生很自然地回答出来：“动能。”接着，W老师加以引导：“那我们是不是可以说明，质量大小相同的物体，速度越大，所具有的动能就越大呢？”

环节二：W老师拿了一个网球，向学生们抛出，并说：“哪位同学接到了这个网球，便将这个网球送给他（两人间距离较短，可视作同一平面上的运动）”，学生们均踊跃参加，伸出手来接网球。接着，W老师拿出一个与网球同样大小的铅球，说：“同样情形，谁若能接着这个铅球，我可以送给他两个网球”，但全班学生无一人敢伸手来接。W老师就问“为什么不敢接呢？”学生们回答：“铅球质量太大，蕴含的能量太大，被砸到了会受伤”。W老师接着追问：“那么这个铅球抛出之后蕴含的比网球大的能量是什么能呢？动能？重力势能？弹性势能？”学生们齐声回答：“动能”。W老师引导性地让学生总结：“速度相同的物体，质量越大，运动时所具有的能量是否也越大呢？那么，接下来请同学们根据刚才老师设置的情境自己总结一下可能影响动能的因素有哪些。”学生：“在物体的质量相同时，物体的速度越大，物体运动时所具有的动能就越大;当物体的速度相同时，物体的质量越大，物体运动时所具有的动能就越大。”

W老师这个教学环节很自然地使学生将物理知识与现实生活联系起来，也很好地培养了学生相关的推理能力。通过互动来引导学生推理得出影响动能的因素，活跃课堂气氛，激发学生对动能定理的学习兴趣，进而达到事半功倍的教学效果。

3    从论据到观点，凸显科学论证思维能力的培养

科学论证是诠释科学思维的关键要素[2]。培养学生的科学论证能力，有助于学生发展科学探究能力、建构科学知识，并促进科学概念转变和理解，进而提升学生的科学认识论水平和交流能力[3]。由于一些生活经验以及常识，学生在学习新知识之前便对相关知识有一定的认识和理解，即具有所谓的物理前概念。例如在讲牛顿第一定律之前，大多数学生与亚里士多德的观点一致，认为：“力是维持物体运动的原因，物体运动是因为有力的作用。比如，认为汽车的运动就是因为发动机对汽车提供了牵引力，当关闭发动机，不再给汽车提供牵引力，汽车不受到力的作用就会停止运动。”因此，需要教师在课堂上通过科学的论证来纠正学生常见的前概念。本部分以牛顿第三定律中的作用力与反作用力相关内容为载体，进行了从论据到观点，凸显科学论证思维能力培养的教学探索。

在进行本节课的学习之前，W老师了解到，大多数学生对本节的相关知识也具有一些片面的、甚至是错误的观点。所以，在讲过牛顿第三定律内容后，W老师通过课件向学生展示了一幅马拉着车向前奔跑的图片，并提问：“同学们认为马拉车与车拉马的这两个力大小关系如何呢？”甲同学提出了自己的观点：“我认为，马拉车的力要大于车拉马的力，因为车是向前运动的，如果这两个力一样大，那么车就不会向前运动，如果车拉马的力比马拉车的力大，车肯定会向后运动。就像是拔河比赛中胜利的一方肯定比输的一方力气大，才能把绳子拉到自己的一边，如果力气一样大就会一直僵持，若是力气小便会被对方拉走。”而乙同学认为：“马拉车与车拉马的力是属于作用力与反作用力，根据刚才所讲的牛顿第三定律，这两个力应该是大小相等方向相反的。”W老师说：“同学们说的似乎都有道理，我们能不能通过实验来验证一下呢？”在老师的帮助下，学生用小车等实验器材模拟出马拉车的物理模型，并通过DIS力传感器对马拉车与车拉马的力进行测量，通过力传感器所传递的信息，在计算机上观察两个力随时间的变化关系，最终发现，马拉车与车拉马的力是一对大小相等、方向相反的相互作用力。此时，W老师用带着疑惑的语气问学生：“既然两个力是等大反向的，为什么车子可以向前移动呢？”在老师的引导下，学生答道：“马拉车的力与车拉马的力作用在两个物体上，我们在分析时应该选取合适的研究对象才能进行分析。如果以车为研究对象的话，车在水平方向上受到马对它向前的拉力，和地面对它向后的阻力，车之所以能够向前走是因为受到向前的拉力大于地面对它向后的摩擦力。”W老师总结到：“同学们分析得非常好，物体做什么样的运动，与作用在该物体上的合力有关，而与该物体怎样反作用在其他物体上的力无关。由此也同样可以分析刚才提到的拔河问题。”

学生关于牛顿第三定律的错误认知在脑海中根深蒂固，W老师直接利用DIS力传感器，直观清晰地纠正了学生的前概念，与学生的错误认知形成强烈对比，有效地纠正了学生的认知误区，并使学生将科学知识与生活经验联系起来，学会用科学事实论证科学观点，是培养学生科学论证思维能力的好办法。

4    从趣味到探讨，凸显质疑创新能力的培养

“质疑创新”是指运用批判性的思维看待相关问题，善于独立思考并形成自己的判断和见解，从而推动事物的创新和发展。质疑是创新的前提，敢于质疑是创新型人才所应该具有的品质。质疑创新能力即在已有的知识结构和理论之上，加入自己的判断、思考，内化、重构知识的一种能力。要想使学生有质疑问难的激情，首先要做的就是在课堂上创设出一个民主和谐、愉悦轻松的气氛。然后由老师给学生创造出提出问题的机会，并对学生进行鼓励。也就是需要以一种教师引导下的自主探究、合作学习的教学模式，来培养学生的质疑能力，进而提高学生的创新精神。因此，W老师在本部分准备通过小组合作来给学生创设出质疑创新的情境，以一个探究性的趣味实验——“气球连通器”来进行说明。

在实验开始之前，W老师手里有一个实验道具：用带有夹子的管子连接的一个大气球和一个小气球，管子中间用夹子夹紧以保证气球两端不漏气。展示完实验器材以后，W老师让学生们猜想如果把管子中间的夹子拿掉，两端气球会怎样变化，并说出猜想理由，由此引发学生参与和提出问题的积极性。学生们踊跃参与，甲同学信誓旦旦地说：“根据我的生活常识，我认为，夹子拿下之后大的气球會变小，小的气球会变大，最终两个气球会趋向于一种平衡，变得一样大。”这个答案获得了大多数学生的认可。W老师说：“甲同学的猜想是根据他的生活常识，有没有同学对甲同学的生活经验产生了质疑呢？”乙同学站起来说：“我认为大的气球会变得更大，小的气球会变得更小，因为在吹气球的过程中会发现气球在比较小的时候吹起来比较费力，也就是这个时候气球的压强较大，在气球被吹大的过程中会发现越来越好吹，这就说明小的气球里面的压强大，而大的气球里面的压强小。因此，在拿掉夹子的时候，小气球里面的气就会跑到大气球里面。所以大气球会变得更大，小气球会变得更小。”W老师接着让其他学生表达自己的观点，丙同学的观点正好与乙同学的观点相反，他认为：“大的气球压强大，小的气球压强小，凭借生活常识来判断压强大小并不科学，所以最后的结果可能是大气球变小，小气球变大，最终大小不确定，但气球大小的改变会因为两气球内的压强趋于平衡而停止。”W老师对学生们的踊跃参与进行了表扬，并说：“同学们刚才的猜想听起来都特别有道理，大家也都想到了压强，并结合生活常识进行了合理的质疑与推理，有句话叫做‘实践是检验真理的唯一标准，接下来我们通过手中的实验来一起探究一下真理到底花落谁家吧。”学生们纷纷动手来证明自己的观点，发现手中的气球果然是大的变得更大，小的变得更小，这个结果令他们感到诧异。W老师说：“同学们刚才也都猜到了气球大小与压强有关，那我们有没有办法测量出气球内的压强？以小组为单位讨论一下。”A小组认为：“我们可以直接用气压表进行测量。”B小组同学的代表补充说：“气压表我们在生活中不方便找，但是我们可以用一个带有气压表的打气筒来代替。”C小组认为：“带有气压表的打气筒虽然方便，但不够精确，我们可以在课下到实验室用实验室的压强计测量。”……最后，W老师说：“那就请同学们在课下用自己的方法测一测气球的压强吧，下次课我们来比一比哪个小组的方法简单并且准确。”

气球是学生们都玩过的玩具，由于这个实验看似简单且操作难度低，学生们的参与度很高，也很容易就提出了自己的思考与见解。W老师对学生们的质疑创新能力给予肯定，学生受到鼓舞，积极投入实验去证明自己的观点和想法。

质疑型学习是产生研究新领域的主要途径，是产生新观念和培养创新人才的前提[4]。这就要求教师在教学过程中注重对学生质疑创新能力的培养，教学中不仅要主动提出能够激发学生质疑的问题，帮助学生纠正“等老师讲”的思维惰性，也要积极面对学生提出的天马行空的问题，从而帮助学生养成发散思维的习惯和质疑创新的意识。

5结  语

对于学生科学思维的培养不是一朝一夕便能实现的教学目标，它需要长期的教学经验的积累，需要在课前花费大量的时间与精力去准备，更需要教师孜孜不倦地去学习积累相关的理论与实践知识，这对于教师而言是一项不小的压力。随着新课标核心素养的提出，对于高中生科学思维的培养工作迫在眉睫，国家号召培养新世纪创新型人才，而创新型人才的基础就是具有完备的科学思维能力。然而，我们并没有特定的标准去衡量显化科学思维的效果，应该如何处理好知识传授与思维培养的关系，仍需要我们不断地进行探索。因此，作为一名教育工作者，我们肩上的工作任重而道远，落实对学生核心素养的培养需要学校、教师和学生等多方面的不懈努力和密切配合。

参考文献：

[1]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.

[2]郑颖，张军朋，张玉发.高中生物理科学论证能力表现——基于Rasch模型的测试评价[J].物理教师，2019，40（01）：2-6.

[3]郭玉英.中学理科课程标准国际比较与研究（物理卷）[M].北京：北京师范大学出版社，2014.

[4]宋金花.质疑型学习：创新人才培养的路径探析[J].郑州大学学报（哲学社会科学版），2012，45（05）：48-51.

（栏目编辑    李富强）