聚焦“科学思维”的问题解决——关于《压强单元复习》的教学探讨

许 军 上海市毓秀学校

2022 年，国家教育部颁布了《义务教育物理课程标准（2022 年版）》（以下简称“新课标”）明确指出：应以提高学生学科核心素养为主要教学目的。而初中学生的核心素养主要分为以下四大环节：物理观念、科学探究、科学思维以及科学态度和责任。每个环节都十分重要，笔者就以“科学思维”的落实为例，展开下列研究，并以一堂压强单元复习课的形式落实科学思维的培养。

一、初步明确义务教育阶段物理学科的“科学思维”

理论是实践的基础，想要在初中物理课堂上更好地落实“科学思维”的培养，就要明确关于“科学思维”的相关界定和课堂落脚点，为更好地设计和实施做好保障。

（一）初步明确物理学科“科学思维”的内容

新课标指出观察、实验与科学思维相结合，是物理学科的基本特征。科学思维是具有意识的人脑对科学事物（包括科学对象、科学现象、科学过程、科学事实等）的本质属性、内在规律及事物间的相互联系的间接和概括的反映，是物理课程要培养的核心素养的核心内容。其中主要内容包含模型建构、科学推理、科学推论和质疑创新四大方面，而这些都是整个物理学科在其发展道路和探索自然真理的过程中所经历的必然环节，也是所有学生学习物理知识、内化物理观念的必要途径。

（二）初步明确物理学科的“科学思维”与其他学科素养的关系

物理学科核心素养的四个部分是一个整体，不是各自独立的环节。其中物理观念是基础，科学思维是核心，科学探究是方法，最后科学态度和责任是原则与最终目标。四个部分贯穿于整个物理课堂之中，只是在不同类型的课堂中侧重点不同。而在本节课中就是利用各类情境，结合科学思维中的“模型建构”“科学推理”和“科学推论”来内化物理观念，将这两块内容有机结合，更好地构架学生关于压强单元的知识，并理解各知识点之间的联系。教师在本节课建构的情境中，传授科学、技术、社会、环境等方面的知识，进一步展示科学本质，逐渐将“科学服务于人类”的意识传输给学生，使其具有实现中华民族伟大复兴的责任感和使命感。

（三）落实“科学思维”过程中的落脚点

物理科学思维的本质是理性思维，而思维本身又具有浓重的抽象性，想要落实科学思维，那就要找到课堂上的落脚点，将抽象的思维具体化、精确化、形象化。我们要选择适当的载体，而这载体就是解决一般物理问题的思维方法。如在学习光线、磁感线等内容中的模型建构，又如牛顿第一定律和真空无法传声的科学推理，再如串联与并联电路中的总电阻推导和柱状体压强公式推导中的理论论证，最后还有在原子结构和力和运动关系演变中的质疑创新。抓住不同知识点中的科学思维方法，使学生初步形成一定的科学思维能力。

二、如何培养“科学思维”

（一）“科学思维”中科学推理培养的重要性

科学推理作为科学思维的重要组成部分，也往往是初中生的薄弱环节，其主要不足之处在于推理意识薄弱和推理语言不规范。而初中生处在由形象思维向逻辑思维发展的关键阶段，因此在教学过程中要注重科学推理。特别在近两年的上海市物理中考中，也体现出科学推理类习题的重要性。例如，2022 年上海物理中考13题“指出水管爆裂的原因，并写出分析过程_________”。又如2021 年上海物理中考第17 题“已知“蛟龙”号上表面海水密度随深度增大而增大。设液体压强为p′，海水密度为ρ′，上表面深度为h′，能不能说明p′＝ρ′gh′，并说明理由”。这些情况无不在对我们发出一个信号：重视科学推理。

（二）创设与“科学推理”相匹配的真实情境

科学推理一定要有与之匹配的真实情境，在真实情境的创设背景下，在问题链的驱动下，可以很好地激发学生进行科学推理的兴趣，并提高学生解释科学现象的能力，强化解决实际问题的能力。而创设的情境又要基于学情，了解学生已经掌握的情境，如现今社会热点问题等。也可以创设问题，摸索新旧知识之间的关联，尝试利用已有知识，推理得出新的知识和理论，让学生在新旧知识的碰撞中收获巨大的成就感。

三、实例——以压强单元复习为例培养物理科学思维

（一）真实情境引入，激发学习热情

以真实情境引入，利用当前社会热点“天宫课堂”中“浮不起的乒乓球”现象激发学习探究的兴趣，从而引入对压强单元知识框架的复习之中。首先是原始的压强公式，即，利用的是大质量的坦克压不坏路面的情境（见图1）。其原因是压强大小除了受压力大小的影响还受到受力面积的影响，而坦克利用了履带，增大了受力面积，从而使得路面受到的压强减小。在真实情境中让学生更好地体会压强的影响因素。第二环节的情境选择，也与时代接轨并进，让物理课堂作为一扇打开科技前沿的窗户。在认识完中国在深潜领域的伟大成就“海斗一号”之后（见图2），让学生利用压强公式结合密度公式推导得出液体压强公式，并解释深潜器为何能代表中国科技水平，其中蕴含着怎样的科学难点，也让学生更好地理解两个压强公式之间的联系。第三环节利用天宫课堂中“浮不起的乒乓球”这一有趣的现象（见图3），发散学生思维，并引导学生利用浮力产生原因和液体压强产生原因的角度来解释。一方面将上一环节中回忆的两个压强知识点应用于实际情境中，收获即时的反馈，另一方面也让学生感受到世界万物背后所蕴藏的物理奥秘，也感受到物理学的发展对全球人民所带来的变革，激发青少年学子以学报国、科技强国的雄心壮志。第四环节，主要承接第三环节有关浮力的内容，让学生利用建立模型的方法来推导得出阿基米德原理。建立的模型为一个正方体浸没在液体中时（见图4），前后左右四个面的压力相互抵消，而上下两个面由于所处深度不同导致液体压强有差值，从而无法抵消。在这个模型的背景下，让学生进行理论推理，得出阿基米德原理，将理论和结论相结合，增强学生的逻辑思维能力，加强学生对于浮力的理解。

图1

图2

图3

图4

（二）结合思维导图，梳理单元结构

学生在专题复习阶段，会存在各类问题，其最主要的表现为头脑中对知识点的认知不娴熟，知识结构又呈现出片面、孤立、零散等现象。为更好地结合各方面的知识点，这里采用的载体为思维导图，利用思维导图帮助学生进行知识梳理，特别是将压强主题下的各个知识点的内在逻辑顺序和逻辑关系进行梳理。如图5所示，可以利用密度公式加压强原始公式来推导液体压强公式，又可以利用液体压强公式和压强公式来推导阿基米德原理等，帮助学生实现核心概念和物理重要结论的有效进阶。

图5

（三）进阶训练，达成最终目标

以思维导图为基础，科学推理的方法为解题手段，实际演练与本课主题相契合的题目，所寻题目具有重思维轻计算的特征。

例题1（2022年上海市物理九年级一模测试）

如图6示，薄壁圆柱形容器置于水平桌面上。容器的底面积为2×10-2米2，内装有质量为4 kg、底面积为1×10-2米2的柱形冰块。（ρ冰=900 kg/m3）

图6

①求此时冰块的体积V。

②当冰块融化成水后，请推理说明此时容器底部受到水的压强P水与未融化前容器底部受到的冰的压强P冰的大小关系。

试题评析：本题侧重点为公式推理，利用柱状物体压力与重力的关系以及当物体的状态发生变化之后变与不变的物理量，具有轻计算重说明的特征。学生要了解当冰融化成水之后，质量不变重力不变；当物体处于水平面时，冰对容器的压力等于冰的重力，而柱状水的压力也等于水的重力，从而两次压力相等，结合变化后受力面积增大，从而压强变小，得出结论。让学生体会到做计算题时科学推理更为重要，应当先思考再动笔计算。

四、关于提升“科学思维”的总结反思

本课所强调的科学思维能力主要是针对科学推理进行的，推理是以一个或多个已知的条件和知识为前提，通过分析、辩证等方式进行判断和总结，最终的目标是为了解释现象或得出结论，教师要在教学中创设具有阶梯性的情境，引导学生逐层递进，抽丝剥茧，通过逻辑思考找到情境与知识点之间的联系，培养学生的科学思维。最后在学生完成科学推理之后，要给予正向评价，鼓励学生创新解决问题，从而培养学生物理学科的核心素养。