高中物理科学思维素养的文本分析与提升策略

周婷 尹文佳 李兰

摘 要：科学思维是物理学科核心素养的要素之一，同时也是物理教学的核心。将高中物理教材作为研究对象，从科学思维的四要素——模型建构、科学推理、科学论证及质疑创新入手，以小节为单位，对教材中科学思维的呈现情况进行统计分析，并探讨了目前高中物理教学的现状及普遍不足之处，最后结合各维度要素相关的教材内容和教学实例片段，对提升科学思维素养的方式进行探索，分别从“创设情境进行模型建构、开阔思维优化论证过程、启发思考增强推理意识、改进教法培养质疑创新能力”四个角度，提出了可行的策略以供参考。

关键词：高中物理；学科核心素养；科学思维素养；模型建构；科学推理；科学论证；质疑创新

中图分类号：G442;G633.7 文献标志码：A 文章编号：1673-5072（2023）03-0326-07

在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中，“科学思维”这一概念正式亮相，强调从科学的角度出发，联结相关的科学观念，构建适当的科学模型，使用正确的科学方法，进行科学推理论证，从而解决实际问题；并能对该过程进行反思、分析总结、检验修正、大胆质疑和积极创新，进而取得一定的成果［1］。这个过程不是教师在讲台上解释理论、展示模型就能完成的，必须要学生亲身参与其中，动手动脑，去感受、体验，将科学的推理归纳、论证综合等方法内化于心，根据事实依据，结合科学推理，对结论提出质疑，在不断试错中革新修正，以接近事实真相。

1 高中物理教材中的科学思维要素分析

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四大要素［1］。在中学物理教学中，体现四大科学思维要素的物理知识数不胜数，笔者对人民教育出版社出版的2019年6月第一版《普通高中教科书 物理 必修 第一册》（以下简称《必修一》）和《普通高中教科书 物理 必修 第二册》（以下简称《必修二》）进行了文本分析，并将体现各要素的知识点数量和占比进行了统计，具体如表1所示。统计结果显示，教材中体现科学思维四大要素的物理知识点数量有所差异，其中科学推理的培养占比最高，而质疑创新方面则略显薄弱。

1.1 模型建构

模型建构就是利用近似的方法建立真实世界情境的简化的、理想化的模型，从复杂的现象中抽取能描述该现象的元素，并找到元素间的正确关系［2］。在中学物理知识体系中，理想化模型是简单且常见的科学研究方法，着眼于所需研究的主要问题，忽略不影响结论的次要条件。理想化模型又可分为以下三类：（1）理想对象模型，如质点、点电荷等；（2）理想条件模型，如光滑平面、理想气体等；（3）理想过程模型，如匀速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动等［3］。在《必修一》和《必修二》中，理想模型建构的呈现情况如表2所示。

例如，质点是一种理想对象模型，当研究对象的形状和大小不影响或不显著影响物理问题的解决时，可以把物体当作质点——一个有质量但不存在体积或形状的点，这样能够使注意力集中在问题本质上，提高解决问题的效率。再如，通常情况下随着自由落体运动速度增加，空气阻力也逐渐增加，在“自由落体运动”一节中，忽略空气阻力的细微影响，只考虑主要的重力作用，简化受力情况，推导出自由落体运动的加速度为重力加速度，这就是一个理想条件模型。

1.2 科学推理

科学推理是由个别已知结论推出新结论的思维方式和科学研究方法［4］，在物理学中常见的推理方式有归纳推理、演绎推理和類比推理等。其中，归纳推理是从特殊到一般的推理，需要依据大量对特殊事物的观察和实验数据，发现其共同点，归纳得出一般性结论；演绎推理是从一般到特殊的推理，基于已知的普遍规律，明确演绎对象，进行数学和逻辑推理，演绎得出特殊性结论；类比推理也叫做“类推”，是从特殊到特殊的推理，通过寻找研究对象在某些方面相似或相同的特性，用比较推断的方法得出它们在别的特性上也具有相似或相同之处［5］。在《必修一》和《必修二》中，科学推理要素的呈现情况如表3所示。

例如，在《必修一》“共点力的平衡”一节中，多个共点力作用在同一研究物体上，通过在两个相反方向上分别进行力的合成，最后可以将多个共点力的作用等效为两个力的共同作用，利用二力平衡的概念，通过归纳推理的方式，得出在共点力作用下物体平衡条件是合力为0的一般性结论。在《必修二》“宇宙航行”一节中，从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律，将在地球附近物体绕地球运行的特殊运动简化为一般的匀速圆周运动，只考虑地心的引力作用，通过数学计算和演绎推理得出第一宇宙速度。

1.3 科学论证

科学论证是指引用各类数据资料，比较与他人论点的不同之处，提出主张并进行推理，质疑反驳他人论点并为自己观点辩护的过程［6］。在教材中多出现于“思考与讨论”和“说一说”栏目。在《必修一》和《必修二》中，科学论证要素的呈现情况如表4所示。

例如，在《必修二》“万有引力定律”一节中，牛顿在推出了“平方反比”的规律之后，继续思考使月球绕地球运动的力和使苹果落地的力是否为同种性质，通过计算证明了其猜想的合理性，从而将引力关系推广至整个宇宙，于是有了万有引力定律，经典力学理论体系得以创立。

1.4 质疑创新

质疑创新是科学思维的重要组成部分，是发展学生物理学科核心素养不可或缺的一环［7］。一般而言，质疑创新就是敢于怀疑权威、批判权威，具有独立思考能力，并能通过猜想、分析研究、设计等过程创造有价值的新内容。物理学的发展历程充满了对前人观念的不断质疑与颠覆，没有质疑和创新能力，任何学科都会如同一潭死水，无法发展。在《必修一》和《必修二》中，质疑创新要素的呈现情况如表5所示。

例如，在《必修二》“行星的运动”的“科学漫步”栏目中，教材介绍了日心说的发展史。托勒密、哥白尼、第谷、开普勒等大科学家都对前人的观点提出了质疑，通过实验论证和数学推导，承受着各界的压力提出了新理论，一场声势浩大的科学革命帷幕由此拉开，使人们的世界观产生重大变革。

2 中学物理科学思维素养的提升策略

2.1 结合教材情境，建构实际问题的物理模型

在高中物理教学中，教师要创设真实情境，引导学生建构模型并加强学以致用，提高学生的科学思维素养［8］。也就是说，在实际教学过程中，教师需要有意为学生创设情境，让学生明确观察点，并提示学生针对观察点细心观察，增强其感性认识。就学生科学思维素养的提升而言，是否具有抽象思维能力是带动学生从低阶思维跃进到高阶思维的关键，这就要求师生在分析物理问题时，能将其中的主要因素抽离出来，简化问题的条件因素，将原本复杂的多维条件问题转化为抽象的物理模型，进而促使学生解决问题。因此，在整个中学阶段，教师都应贯穿建模意识和抽象思维的培养。下面以《必修一》“自由落体运动”一节为例，说明如何在物理教学中创设情境，根据实际问题建构理想过程模型。

在“自由落体运动”的情境引入部分，教材中创设了物理学史情境：让同学思考高层建筑物上，轻重不同的两个物体哪个下落更快？当中就暗含了著名的比萨斜塔实验的猜想过程。这一问题马上能激起同学们的讨论，而且答案不一，有人说同样快，也有人说重的更快。这时将问题类比为“纸团和纸同样高度落下，哪一个更快？”这是一个非常贴近生活的思考题，同时也是一个简单的小实验，学生在好奇心的驱使下，马上会利用手头的材料进行验证。在进行教材中所演示的情景后，模擬比萨斜塔实验的操作过程也不失为一个好的教学活动，且能更好地将物理学史情境融入课堂；或问学生为什么在生活中有时重物下降速度快，有时轻物下降速度快。教师通过创设生活情境，引导学生思考：当考虑空气阻力这一因素后，物体的下落速度会发生什么变化？以此为建立自由落体运动的理想模型作好铺垫。

本节教材编排了一个演示实验和学生分组实验，为学生创设了实验情境。根据教材中的演示实验，教师可以依次向学生演示充满空气玻璃管内和真空玻璃管内羽毛、铁片等的下落情况，使学生产生认知冲突，进而启发学生得出结论：生活中的物体下落速度不同，是由于受到空气阻力；如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢都一样。在学生分组实验中，一方面，学生可以通过使用打点计时器复习对小车运动的研究，另一方面，通过唤醒已有的认知，将自由落体运动与其他形式的运动进行类比，从而发现其特殊之处，更深刻地理解理想过程模型当中的主要因素和次要因素。在“科学漫步”栏目中，教材介绍了伽利略研究自由落体运动的科学探究过程，使得学生们能够更加了解“简化复杂问题，突出运动本质特征”的科学研究思路。

2.2 基于教材案例，优化物理结论的推理过程

新时代对育人提出了新的挑战，为了使科学思维素养的培养落实到课堂教学中，需要广大教育人士扛起重担。一方面，教师需要更新教学理念，在课堂上以学生为中心、关注过程性评价；另一方面，教师需要充分挖掘理论知识背后所蕴含的核心素养，教学规律背后所蕴含的科学思维，实验操作背后所蕴含的科学道理。

科学推理是指能够灵活地运用归纳、类比以及演绎三种推理方法，根据物理实验现象以及现实数据对物理概念、规律以及应用方法进行推理分析，是一种十分重要的物理思维能力［9］。在高中物理教材中，很多内容并不是单一的物理问题，而是如动能定理、共点力平衡条件、圆周运动等综合性问题，与之相关的有多个概念，概念层次和概念间的逻辑关系也相对复杂，教师应更加重视其结论的推理过程，客观对待学生处理具体问题时的表现，不以简单的正确与否进行评判。下面以《必修一》“圆周运动”一节的教学实例为例，说明如何具体化思维的发散过程，从而优化物理结论的推理过程。

演示实验：将粉笔用线系住一头，另一头固定在黑板一点上，拉直细线让粉笔在黑板平面上做圆周运动，得到运动轨迹，引入课题“圆周运动”。

列举实例：钟表是生活中常见的物品，表盘三根指针长短不一，思考时针、分针、秒针无时无刻不在做圆周运动，那么圆周运动的快慢应如何表述？

思考讨论：将自行车后轮架起，如图1所示，转动踏板，观察A、B、C三点，可以用哪些方案来判断三点运动快慢。学生分组讨论，教师总结方案：

方案一：比较三点转完一圈所需时间长短。

方案二：比较三点在同一段时间中所转的周数。

方案三：比较三点在同一段时间内所经过的圆弧长度。

方案四：比较在同一段时间内三点所在半径转过的角度大小。

在此教学实例中，首先在情境引入部分，就创设了学生们熟悉的、与生活经验挂钩的圆周运动问题，学生对于这类话题更熟悉，有过相关的思考，愿意发表自己的看法。在思考讨论环节，分别使用四种方案来表达、证明观点，充分开阔学生思维，不拘泥于单一的物理问题解决方法，并充分利用类比、演绎和等效替代的思想，将圆上各点运动的快慢化为更加直观、简单可比的物理量，增强了科学推理的多样性。

在方案一中，运用的是“周期”的概念，即在匀速圆周运动中，研究对象旋转一周所需的时间长短。在方案二中，运用到了“转速”的概念，生活中常用转速来描述物体运动快慢，即物体转动圈数和所用时间之比。在方案三中，运用了“弧长”的概念，与前面直线运动中所学习过的“路程”概念相似，都是物体在一段时间内运动的路径长度，由此能更深一步对应“线速度”的概念。在方案四中，对应了“角速度”的概念，由于大小齿轮边缘一段时间内所转过的弧长相等，即线速度相等，但由于半径不同，同一段时间内转过的角度必然不同，即用来描述在圆周运动中物体绕圆心转动的快慢。在该教学过程中，教师通过让学生观察不同大小半径的齿轮上各点的运动情况，提出可行的比较方案，四种方案的证据来源都相对直接，是可以通过学生独立或小组合作得出的结论，加深了学生们对于本节内容各概念的理解。

2.3 紧扣学生思维，培养科学论证的证据意识

科学论证是科学思维的要素之一，基于科学论证为基础进行的教学为论证式教学，其对于培养学生的科学思维、逻辑表达能力和交流能力都有很好的促进作用［10］。科学论证的科学思维要求学生有意识地使用科学推理证据，并能够判断证据的可行性和适用性，合理使用物理公式、定理、规律和研究方法进行数学推演和逻辑推理。证据是科学论证的基础，科学论证的关键在于证据的掌握和使用，本节以《必修一》“牛顿第二定律”一节教学实例为例，分析如何在教学中启发学生思考，从而培养学生科学推理的证据意识。

演示实验：将细绳或纸带与一重物相连，向上匀速提起重物，这时细绳没有断裂；向下匀速放下重物，细绳也未受到影响；接着用手牵着绳子突然向上加速运动，可以看到细绳断裂，重物落地。

提问：细绳为什么有的情况下没断，有的情况下却会断裂呢？

学生对现象进行科学推理，小组讨论得出结论。

实验：利用如图2所示的实验装置，两个质量相同的小车，一个和三个钩码分别系在绳子的一端，在同一起点处摆放小车，放手一段时间后使两小车同时停止，记录位移距离。提问：松手前、小车运动时、停止后的加速度，与小车受到的力有何关系？

课标对本节科学推理方面的要求是“能分析和推理动力学问题并获得结论，用牛顿第二定律相关论据表达自己的看法”。在演示实验提问环节中，通过实验和生活常识，学生很快能够理解“是物体突然的加速运动使纸带破裂”。结合生活经验，类比绳子、头发丝会断的原因，便能找出证据证明“细绳受到的力大于可以承受的范围，于是细绳发生断裂”。由此将问题定性为“沿某方向突然加速运动”，利用二力平衡和牛顿第二定律进行演绎推理，可以知道重力存在。学生在研究过程中，紧扣“力太大导致细绳断裂”这一原因，结合“加速”这个物理特征，为学习运动与力的关系打下基础，培养了科学推理过程中的證据意识。

实验当中，测定加速度的方式很多，如打点计时器，但相对复杂费时，于是需要寻找一个更适合课堂演示的方法。根据位移与加速度的关系，教师将加速度大小用位移大小来代替，于是加速度和力的关系可替换为更直观的相同时间内的位移来体现。教师通过对小车的三种状态下加速度的提问，使学生受到启发，既能思考整个牛顿第二定律的推理过程，是从“对于一个不受力的物体加速度为零”到“受力后加速度不为零”再到“速度越大则表明物体所受合力越大”，又能理解“多个变量出现在问题中时，研究其中一个变量则要控制其余变量不变”的控制变量物理思想。在树立了科学推理的证据意识后，考虑成立的条件和适用的情境，利用实验对所持证据进行反复验证，回答运动物体加速度和所受外力及自身质量的关系，得出牛顿第二定律的具体内容表述和数学表达式。

2.4 改进教学方法，提升学生质疑创新的能力

质疑创新思维是指对物理现象进行观察、分析，对已有的结论形成有理有据的质疑，并从多个角度进行论证研究，用不同的物理方法来解决问题，并有目的地形成新奇、独创的解决问题思路和方式。质疑创新与科学论证紧密相连，相辅相成。质疑创新必须基于已有的物理规律和科学论证，而科学论证的过程也需要质疑创新的思维能力作为推动。物理学科在培养学生科学思维尤其是质疑创新思维方面，具有独特优势，教师可以通过辨析物理前概念、展示物理学史、拓展科学探究、改进物理实验等途径发展学生质疑创新思维［11-12］。下面以《必修一》“相对论时空观与牛顿力学的局限性”一节为例，说明改进教学方法，以达到培养学生质疑创新思维能力的目的。

本节教材首先介绍高速运动状态下经典的力学体系不成立，接着介绍了量子化现象和广义相对论。内容相对较多，属于重难点后的介绍性内容。教师不能将教学目标局限为对相对论和量子力学体系的理解，应该要让学生感悟到科学如同滚滚向前的车轮，处于发展进程中，由于观念和科技的限制，其本身局限性无法避免，一切科学理论都是一部“尚待完善的大部头”。作为经典力学的第一条定律，牛顿第一定律颠覆了长达两千年的错误观点，扭转了人类的世界观。并不是牛顿力学过时或者错误，而是两种体系的视角和适用的情况不同。让学生在科学探究过程中，通过相对论和量子论的颠覆性，认识到科学思维的无限魅力，领悟质疑创新的重要意义。

实际教学中，可以通过以下计算思考题引入。

引入：如果河水以v的速度流动，河上的船以相对于河水v的速度行进，则船相对于岸的速度为多少？

举一反三：如果人类正乘坐以0.1c速度的飞船飞往太空，朝前方一星球射一束光，则该星球上观测到的光速为多少？

以船相对于岸的速度推及星球上观测到的光速，让学生产生认知冲突，意识到两个看似相同的情景却隐藏着不同的物理过程。接着创设物理学史情境，演示法和讲授法相结合，以生动的多媒体课件展示为主，辅以教师的讲授，将相对论时空观的探索发展过程展现出来。在此情境下，经过了自己的思考和教师的讲授，学生能够充分感受物理发展史中质疑创新思维的魅力。在往后的学习中，敢于质疑，从多样视角解决物理问题，找到新颖的解决途径。

参考文献：

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Abstract：Scientific thinking is one of the physics core competencies and the core of physics teaching.Taking the senior high school physics textbook as the research object and the subsection as the unit，this paper makes statistical analysis on the present situation of scientific thinking in the textbook，and analyzes the current situation and general shortcomings of physics teaching in senior high school from the four elements of scientific thinking，including model construction，scientific reasoning，scientific argumentation and questioning innovation. Finally，this paper discusses the ways to improve scientific thinking competency in combination with the relevant textbook contents and teaching example segments of all dimensions，and puts forward feasible effective strategies for reference from four aspects，including creating the situation to construct the model，opening up the process of thinking optimization，inspiring thinking and enhancing reasoning consciousness，and improving teaching methods to cultivate the ability of questioning and innovation.

Keywords：senior high school physics；subject core competencies；scientific thinking competency；model construction；scientific reasoning；scientific demonstration；questioning innovation

基金項目：湖南省教育厅科学研究项目（湘教通〔2022〕323号，22C0397）；四川省教育厅一般项目（CJF18052）；衡阳师范学院2020年校级教改项目（JYKT202017）

作者简介：周婷（1992—），女，助教，主要从事物理课程与教学论、教师教育方面的研究。

通信作者：李兰（1981—），女，编辑，主要从事物理课程与教学论、教师教育方面的研究。E-mail：wxylilan@163.com

引文格式：周婷，尹文佳，李兰.高中物理科学思维素养的文本分析与提升策略［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2023，44（3）：326-332.