在科学方法运用过程中发展学生的物理科学思维

张航宇

(江苏省沛县歌风中学,江苏 徐州 221600)

在高中物理教学研究的视野当中,有两个关键词常常被人们所提及:一是物理思想方法,二是思维.对于前者而言,随着课程改革的深度推进,人们越来越发现思想方法的重要性,在第八轮课程改革当中所提到的过程与方法,正是对思想方法重视的体现.从概念的角度来看,物理思想方法是科学方法的下位概念,站在科学方法的角度认识物理思想方法,可以让高中物理教师有高屋建瓴之感.科学方法是从何而来的?这是一个近乎原始问题,实际上当人们认为科学方法有着至高无上的重要性的时候,很少有人意识到人们对科学方法的认知,本质上来自于科学研究者的思维,可以说整个科学发展的历史就是一个思维发展史,在科学发展的过程当中,科学研究者借助于对科学现象的观察、对物理表象的研究,以及对科学概念与规律的梳理和建构,不断地运用自身的形象思维与抽象思维,完善着科学知识体系,构建着物理学科的大厦.

在这样的历史背景之下认识高中物理教学,自然就能体会到思维在物理学习中的重要性.事实上也正是因为如此,在高中物理学科核心素养当中,才将科学思维作为单独的一个要素进行阐述.无论是从高中物理教学的传统来看,还是从课程改革以及核心素养的角度来看,思维在物理学习中的重要地位都能够得到凸显.那么在具体的教学过程中,必须清晰地认识到一点,那就是要发展学生的思维,必须依靠具体的载体,如果没有具体的物理知识的建构过程,那么思维的发展是没有依靠的.考虑到无论是物理概念还是规律,其建构过程都必然伴随着科学方法的应用,通过对科学方法及其在教学中的定位进行分析,可以发现科学方法的内涵在发展学生思维的过程中有着重要的价值[1].因此可以说,科学方法的运用过程就是学生的思维发展过程,两者之间的对应关系,可以为高中物理教学研究开辟一个新的空间.

1 科学方法促进学生思维发展的可能性

在科学方法运用的过程中促进学生的思维发展,应当说是一个相对新颖的研究视角,而科学方法之所以能够促进学生的思维发展,要对其可能性以及可行性进行研究.一般认为,物理知识和物理科学思维方法是密不可分的有机体[2].在这个有机体当中,物理知识的学习、物理思想方法的领悟、物理学科核心素养的发展,以及学生思维的发展,都是同步进行的.应试形态下的高中物理教学,在确定教学重心的时候,往往将重点放在物理知识的学习与运用上,其目的是为了培养学生的应试能力.在新时代的背景之下,核心素养引领着物理学科的发展,物理学科核心素养引领着物理教学的发展,当前的新高考对纯粹的应试也有着相应的矫正作用,这就意味着当下的高中物理教学重心应当由应试向思维发展转型,高中物理学科核心素养的落地,应当成为教学的主要任务.

在完成这一任务的过程中,思维发展起着核心作用,借助于科学方法的运用来促进学生的思维发展,本质上是一个形与神的关系.学生建构物理知识的过程必然会运用到科学方法,科学方法的运用以及具体知识形成的过程中,学生必然会有所感悟,将形象的知识学习过程进行抽象,就可以让学生对科学方法形成准确的认识.这显然也是一个思维发展的过程,思维的发展主要体现在学生运用符合科学的逻辑,去对实际现象进行观察与思考,并且在通过适度的抽象之后,获得相应的物理模型,而且能够运用物理学科知识来解释这一模型.应当说当学生所运用的逻辑超越生活认知(其中有丰富的前概念,有许多朴素甚至是错误的逻辑),逐步走向科学逻辑的时候,当学生大脑中的物理形象从生活表象转为物理模型的时候,当学生能够自发的运用物理学知识去解释相关现象的时候,就是科学思维得以发展的时候.

因此有这样的分析可以发现,在高中物理教学当中紧扣科学方法的运用过程,不仅可以让学生获得物理知识的过程变得更加高效,而且确实能够对学生的科学思维发展起到助力作用.认同这一观点,不仅可以明确科学方法运用以及科学思维发展在物理教学中的地位,而且能够让教师在日常的教学中,真正形成以知识教学为基础、核心素养发展为目标、科学思想方法运用为保障、科学思维发展为核心的教学思路.这一教学思路的形成,也就可以夯实核心素养背景下高中物理教学的新途径.

2 在科学方法运用过程中发展学生的思维

那么在科学方法运用的过程当中,如何有效发展学生的思维呢?这需要教师在实际教学的时候,运用具体的教学案例来进行研究.这里值得一提的是,思维有低阶与高阶之分,高阶思维能力是一个人生命发展的重要能力,也直接关系到了一个人创造力的高低,有效的物理教学自然追求高阶思维的发展.有研究表明,科学探究是培养高阶思维能力的一个重要途径[3].当然必须指出的是,追求高阶思维的发展并不意味着忽视低阶思维的价值,实际上低阶思维往往是高阶思维发展的基础,学生只有踩在低阶思维的阶梯之上,才能走向高阶思维.下面就以“带电粒子在电场中的运动”这一内容为例,探究如何在科学方法运用的过程当中发展学生的思维.

在创设情境的时候,笔者借助于电子加速器这样一个素材,通过生活中的医用电子直线加速器,来让学生认识到电子被加速器加速之后,在轰击金属靶的时候会产生射线,进而提出的问题是:电子在加速器中受到什么力的作用而加速?

回答这个问题需要学生对加速器有一个准确的理解,即利用电场使带电粒子加速,而带电粒子的速度方向与电场强度的方向要么相同,要么相反.相应地在具体分析的时候,通常也就有两种思路:一是借助于经典力学,也就是利用牛顿第二定律,并结合变速直线运动的公式来分析;二是利用静电力做功并结合动能定理来分析.

在形成这两种思路的时候,就意味着运用不同的科学方法:前者是动力学的知识,是经典力学的思路;后者是静电力学的知识,是静电学与力学相结合的产物.那么具体选用哪种思路呢?回答这个问题涉及到进一步的科学方法理解,即如果解决的问题属于匀强电场,且涉及到具体的运动时间,那么就用前一思路和方法;如果所涉及到的问题只与位移、速率相关,或者涉及的电场是非匀强电场,那么就用后一种思路和方法.

有了这一认识之后,就可以让学生去具体研究带电粒子在磁场中的加速和偏转情况——这属于传统物理教学中的知识重点,考虑到本文阐述的重点是科学方法的运用以及科学思维的发展,因此这一内容不再赘述.

上述问题解决思路与方法的提供和选择,原本就是一个科学方法运用的过程.从科学思维发展的角度看这一过程,可以发现学生最初接触到电子加速器的时候,能够在大脑当中初步建构起带电粒子在电场中运动的表象,这是低阶思维的表现;其后,具体分析带电粒子在电场中运动的问题,由于涉及到已知物理量的定性,涉及到电场是匀强电场,还是非匀强电场,因此学生的思维必然会走向高阶.从具体问题解决方法的选择,到问题得到解决,即学生理解带电粒子在电场中加速和偏转,都对应着思维的发展.因此,从这个案例可以看出,科学方法的运用过程确实对应着思维发展的过程.

3 对运用科学方法发展学生思维的再思考

从经验的角度看高中物理教学,当很多时候物理教师感叹学生的思维不够灵活时,实际上就是在期待物理学科的教学,能够促进学生思维的发展.但也正如同本文开始所强调的,思维的发展需要基于具体物理知识教学的过程,考虑到科学方法的价值,在物理知识建构的过程当中,必然要重视科学方法的运用;如果说科学方法的运用为学生的学习提供的是“力”的话,那思维的发展就可以比作是“加速度”.借助于这个比喻就可以发现科学方法运用得越充分,那么学生的学习所获得的合力也就越大,产生的加速度也就越大——也就是说思维发展就越充分,当然高阶思维的发展也就有了更加有力的保障.

因此,在当前的高中物理教学中,教师必须高度重视科学方法的运用,必须在科学方法运用的过程当中注重学生的思维发展.由于物理学科是一个基本概念很强的学科,同时也是一个高度注重规律的学科,在具体的教学过程中重视科学方法的价值,能够有效培养学生逻辑思维和分析推理能力.这是作为自然科学的物理最大特点之一[4].而站在教师教学的角度,很重要的一个任务,就是去开发课程资源,要创设有利于学生主动运用科学方法的情境,以让学生在情境当中自主运用科学方法,自发实现思维的发展.如果能够做到这一点,那么高中物理教学的前景必将无限光明.