以科学思维整合高中重点物理知识的教学研究

覃挥光

摘   要：科学思维是高中物理学科核心素养之一，它是一种通过比较与分类、演绎与归纳、分析与综合、抽象与概括来促进知识整合的大脑活动过程。通过分析整合物理知识在强化物理方法、激发物理思维和生成物理思想三方面的意义，说明知识整合的重要性。根据整合物理知识的机理，梳理出三种知识整合的类型：直线型、有中心网络型和无中心网络型。并以高中物理电场知识整合为案例，具体说明如何运用知识整合的三种类型，探索物理知识整合的教学方法。

关键词：科学思维；教学研究；知识整合

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0007-5

物理知识在物理学中居于基础与核心地位。一般而言，物理学家通过建立物理模型、引入相应的物理量描述，经推理论证以及实验探索等科学方法得出具有规律性的结论。在这一过程中，相应的物理概念（物理量）和物理规律就是最基本的物理知识。由此可见，单独聚焦于物理知识，则不免是孤立零碎的，需要用科学思维把物理知识充分整合，从而加强人们对物理学的整体理解，促进素养形成。

知识整合教学理论是由马西娅·Ｃ·林发展出来的一套教学理论。他认为每个学生来到课堂之前都带着来源于他们对日常生活经验的思考和推理形成的某些想法，这些想法是他们学习新知识的首要资源。知识整合教学理论的核心目标是尊重学生原有的想法，并将其与新的想法进行对比，以帮助学生形成连贯性的科学理解［１］。知识整合教学的一般性过程为：诱出、添加、辨分、反思与整理；科学思维是分析综合、抽象概括、推理论证的逻辑演绎过程，能将学习者碎片化的知识转化为连贯性想法，促进知识整合。

1    整合物理知识的意义

物理课堂教学中，传授知识和方法比较容易，生成物理思想、物理观念，发展物理思维则较为困难。在物理知识的教学中，应“诱出”学生已有知识，通过整合、不断强化物理方法、激发物理思维、生成物理思想，实现知识与方法、思维与技能、思想与观念三个层级的逐层递进，将使知识更有价值，同时提升学生的思维品质。

1.1    整合物理知识强化物理方法

物理方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的思维方式，是人们认识和改造自然的有效工具，对物理知识的建构有着重要作用。物理教学中常用的物理方法有比值定义法、控制变量法、分解方法等。整合物理知识很多时候就是对物理方法的不断运用，在不断应用物理方法的过程中自然强化物理方法。比如，很多概念都是用比值法来定义的，把这些用比值法定义的概念整合起来，可以更清楚地理解比值定義法，强化比值定义法等科学方法。

1.2    整合物理知识激发物理思维

物理思维是科学思维在物理学上的一种展现形式，物理知识整合过程中往往需要模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等思维活动，学生在这些思维活动中得出新知识，同时也提高了自己的思维能力。

在知识整合过程中，让学生通过分析、辩论等诱发物理思维的活动，在不断的思想“碰撞”中，激发出思维“火花”。例如，在电场强度的教学过程中，“诱出”学生已知的密度定义方式（比值法），创设不同试探电荷位于电场中不同位置的情境，让学生研究试探电荷所受静电力大小和电荷量的关系。在这个研究过程中，学生的思维在“碰撞”，最后概括出静电力与电荷量成正比的特点，抽象出静电力和其电荷量之比与试探电荷无关的特征，使学生对电场强度概念理解得更好，激发学生思考用比值法定义的其他物理量是否也具有同样特点。

1.3    整合物理知识生成物理思想

“物理思想是在物理学发展过程中，由物理学共同体对物理知识、物理方法进一步概括而形成的关于物理学本质的深层认识，包括以下内容：对称思想、守恒思想、可逆思想、等效思想、假说思想、比较思想等。”［２］碎片化地传授知识往往使得物理思想没有凸显的机会，通过物理知识整合将有助于物理思想在宏观和整体意义上得以彰显。例如，在学习竖直上抛运动的时候，通过分析、计算之后可以得到：物体上去又回到原来位置的时候，它的速度具有对称关系；而带电粒子在电场中运动，粒子速度减速到零之后，又加速回到原来位置，同样具有对称关系，通过整合这样类似的知识，我们可以将其生成物理思想（对称思想），在解决物理习题或物理问题时非常实用。

这道题目中，有了对称思想，可以很容易地知道小球从Ｍ点到达同一直线上的Ｎ点，水平方向上具有相同大小的速度，即在Ｎ点的速度ｖ分解到水平位置必等于ｖ０，知道了这点，才能解决这道题。物体在“场”中运动，经过同一高度（等势面），“场力”不做功，具有对称性，把重力场、电场、复合场等类似的知识整合后生成对称思想，这样的整合非常有意义，既帮助学习者掌握物理思想，又为他们解决问题提供一条高效的思路。

2    科学思维整合物理知识的机理

科学思维是物理学科核心素养之一，是人类大脑活动的过程，它不是毫无章法的狂想，要按照合理的规则进行规范，必须具有逻辑性。而有逻辑性的思维过程包含以下三种最为基本的方法：演绎、归纳和类比。从演绎、归纳和类比三种方法中，我们可以得出“科学思维本质上是逻辑思维在科学探索活动中的应用，科学思维是应用的逻辑思维”［３］。

知识整合的一般教学过程包括诱出、添加、辨分、反思与整理。可以这么理解：教学过程中，在学习新知识之前先“诱出”学生头脑中基于经验对该知识已有的认识，经过演绎、类比和归纳等科学思维的逻辑性梳理，达到重新对“已有认识”的理解或生成新的知识［２］。知识整合的过程就是人脑活动的思维方式之一，是逻辑思维的具体应用，要真正完成对某些知识的整合，必然有科学思维在其中起促进作用，这是科学思维的本质使然。具有逻辑性的物理知识整合过程，正是科学思维整合物理知识的机理。

从科学思维对知识整合的机理来看，可以分为三种类型：

（1）直线型。诱出学生的原有知识，通过添加相似知识，然后再进行辨分，最后归纳整理出新的知识。这种类型一般在新课教学中使用，它体现知识整合的一般过程，融合了演绎、类比和归纳的科学思维，如图2所示。

（2）有中心网络型。围绕某一个学生熟悉、理解透彻的核心知识，通过它统摄、凝聚学生已经学过但不太熟练的知识，构建知识网络，让学生更好地理解知识、存储知识，如图3所示。

（3）无中心网络型。也可以是没有核心知识统摄，而将几个知识用演绎、类比和归纳等方法进行整合，用科学思维加强知识间的相互联系，找出记忆的核心，方便存储于大脑中，如图4所示。

这种类型每个知识是平行的，无核心知识，但却有一个无形的“核心”在组织它们，即可以归纳出每个知识点的共同之处。

从三个图中可以看出，知识整合过程离不开科学思维，要通过分析、綜合、抽象、概括、比较、判断、假设、推理、直觉、想象等思维方式，才能真正整合知识。

3    以科学思维整合高中物理电场知识案例分析

物理学科核心素养中的物理观念包含：物质观、运动与相互作用观、能量观。其中的物质观告诉人们，物质包含看得见和看不见两类，或者是宏观物质和微观物质，又或者是物质和“场”。

电场知识是学生第一次研究“看不见摸不着”的物质，学生理解起来比较困难，属于高中重点物理知识。我们用科学思维把电场知识整合起来，可以帮助初学者理解这个“新生物”，同时又将在其中运动的带电粒子和宏观物体的运动与相互作用观、能量观联系起来，降低初学者学习的难度，实现更好的教学效果。

3.1    类比整合“发现”电场存在

教学过程：

“诱出”：学生已经知道同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，也就是没有直接接触的两个电荷会有力的作用。

“添加”：现实生活中，我们很容易得出两个物体间力的作用有两种方式，一种是直接作用（接触），一种是间接作用（不接触）。间接作用，就是要借助第三个物体。比如说，路人甲对物体乙要有力的作用，可以直接用手掌打一下，也可以拿一条长棍打一下。

“辨分”：很明显，两个电荷之间的作用是间接作用，它们必须要借助第三者，才能有力的作用，这个第三者是看不见摸不着的，科学家们把看不见摸不着的物质，都叫作“场”。

“反思与整理”：磁铁之间相互作用的第三者叫作磁场，当然，电荷之间相互作用的第三者叫作电场。

通过诱出、添加、辨分、反思与整理的整合过程，我们“发现”了电场的存在。这样具有逻辑性的推理过程，正是物理学科核心素养的科学思维过程，这样的过程有利于学生理解知识，激发物理思想，形成“场”的观念，属于直线型。

3.2    模型建构引出电势能的表达式

３.3    逻辑推理整合电场知识

由图１1可知，用来描述电场力的性质的物理量Ｅ，简单地乘以d就可以得出描述电场能的性质的物理量。对于d的不同理解分别得到了电势和电势差，再乘以ｑ就分别得出电势能和电场力做的功。功和能之间有等量关系，这就构成了一张“网”，整合了电场的知识。在这个过程中，以比较容易理解的电场强度Ｅ为核心知识，运用了科学思维的核心内容——演绎和归纳来促进知识的整合，属于有中心网络型，使学生对看不见摸不着的场的理论有更深的认知。

4    总结与反思

初中物理教学根植于实验归纳和形象思维，而高中物理教学根植于逻辑演绎和实验归纳，侧重科学思维。高中重点物理知识整合是在遵守三个基本原则（过程的逻辑性、方法的辩证性、综合的一致性）的基础上运用比较与分类、演绎与归纳、分析与综合、抽象与概括得出的一张“逻辑网”。这张网是以学生原有的知识作为新知识的生长点，引导学生从原有知识中生成出新的知识为纵线，以培养学生的演绎思维能力为横线的“智慧网”。在构“网”过程中，以类比激发学生的好奇心和求知欲，归纳整理出新的知识，体会收获的喜悦。而科学思维由于它本身的特点，能够促进知识的整合，经常用科学思维的演绎、归纳、类比等方法，去整合重点知识，反过来也能促进思维的发展，这就是所谓的“户枢不蠹”，在整合知识的过程中，激发思维的创新，对物理知识的认知会更加深刻。

参考文献：

［１］刘珏． 促进知识整合的变构学习设计研究［Ｄ］．成都：四川师范大学，２０２０．

［２］邢红军．物理学科核心素养：透视、商榷与重构［Ｊ］．教育科学研究，２０１８（１１）：５－１４．

［３］杜国平．何谓科学思维［Ｊ］．重庆理工大学学报（社会科学版），２０２２，３６（１）：５９－６５．

［４］翟彦芳，邢红军．从习题到原始物理问题：物理关键能力培养的有效途径［Ｊ］．物理教师，２０２２，４３（５）：８０－８３．

［５］高飞，邢红军．以科学方法引领初中重点物理知识的教学［Ｊ］．中国现代教育装备，２０１１（４）：８８－９０．

［６］邓浩仪，张军朋．国内物理课程视角下科学思维研究现状、热点及启示——基于ＣＮＫＩ中文文献的可视化分析［Ｊ］．物理通报，２０２２（８）：１４４－１４９，１６１．

［７］王慧，宁成，邢红军．“电势差”教学的高端备课［Ｊ］．物理教师，２０１３，３４（７）：２６－２７，３０．

［８］邢红军，陈清梅．论中学物理教学中的科学方法教育［Ｊ］．中国教育学刊，２００５（８）：３３－３６．

［９］邢红军．中学物理教学法［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０２０：１０.

（栏目编辑    赵保钢）