促进科学思维的教学设计

摘 要：科学思维是物理核心素养的重要内容，在物理教学中如何把思维显性化以促进学生深度思维，是教学设计和实施的重要任务，也是难点所在。结合初中物理牛顿第一定律的教学内容设计了促进学生思维的教学活动，概括了有效的教学策略，对思维显性化加以探讨。

关键词：科学思维；思维教学显性化；教学策略；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0046-4

促进学生深度思维，培养学生思维能力，在当下受到了普遍关注。在我国新的物理课程标准中更是明确地把科学思维作为课程目标，凸显了思维教学在新时代的重要性。不过，思维教学一直以来也都是教学中的难点问题，其原因是多方面的，比如，思维过程是内隐的、意会而未明言的，因此，在认识上不够清晰、明确；思维往往是转瞬即逝的，不易作为观察和分析的对象来详细审视［１］。由此而论，改进思维教学的方向应该是“显性化”，即如果能够把思维过程显性化展示，则将有利于示范给学生如何思维，有利于训练学生掌握思维的过程和方法，也有利于评估学生思维过程中存在的问题，从而实现“教-学-评”的一体化实施。那么，在物理教学中如何把思维教学显性化以引导和促进学生的科学思维呢？本文结合初中物理牛顿第一定律的教学来谈谈有关的思考。

1 课程标准与教材分析

关于牛顿第一定律的教学要求，在《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》［２］（以下简称“课标”）的“内容要求”中为：“通过实验和科学推理，认识牛顿第一定律。能运用物体的惯性解释自然界和生活中的有关现象。”

对课标内容加以解析，可以看出这里体现的物理教学内容有牛顿第一定律、惯性，伽利略的理想实验法、科学推理；所要求的水平是认识、能运用、体会等；课标对教学的过程性要求是“通过实验和科学推理”。此外，课标也推荐了相关典例，如汽车急刹车、转弯、安全带等内容。

课标在本部分的“教学策略建议”中提到：建议从学生的已有经验和认知水平出发，设计多种学习活动，重视物理概念的建构过程，促进学生对抽象概念的理解，引导学生在问题解决中提升能力，发展核心素养［2］。

初中物理教材在内容编写上很注意联系生活实例，重视物理实验，这有利于培养学生的科学思维和实验探究能力。

2 学情分析

学生已经学习了力的概念、力的作用效果，知道力可以改变物体的运动状态，这为本节课学习做了铺垫。不过，学生对力和运动的关系有一些错误的生活经验，并且根深蒂固。比如，人们通常认为施加力物体才会运动，因此，教师在帮助学生建构科学概念时要注意暴露和转变学生的前概念。即重视概念转变教学的设计。

本节课是一节物理规律的实验探究课，学生经过了前期的物理学习，已经了解了一些实验探究的方法和思想，这是基础。但是，学生在观察与实验、分析推理、建立抽象概念和规律等方面的经验还存在不足，为此，需要教师精心设计认知冲突，引导学生的科学思维过程。

3 教学设计与解析

教学是一个系统化的过程，本节课的教学流程如图１所示。

3.1 创设情境，发现问题

（１）教学过程与内容要点

教师通过图片给学生展示两类生活实例。首先，组织学生观察、分析和表达个人见解。然后，师生一起分析并图示化分析，引出亚里士多德和伽利略观点的矛盾。

【创设情境】

情境１ 从敲钉子、推木箱两个典型的生活情境，推导出亚里士多德的观点。教学过程如图２所示。

情境２ 呈现火车进站、自行车比赛冲刺后能够继续运动直到最后停止等现象，由此推导出伽利略的观点。教学过程如图３所示。

【发现问题】

对比两种观点，组织学生讨论：哪种观点正确？怎样验证？最后形成新的问题：如果没有阻力，物体可以一直运动下去，如何验证呢？

（２）教学设计思路解析

教学内容密切结合生活实例，贴近学生生活经验，有助于唤醒学生的前概念。

通过两类相反实例的“比较”，易于引发学生的思考、辨析，有助于促进学生深入思考、探寻原因。

本课设计关注学生前概念：教师在讲解之前，组织学生表达个人见解，把学生内隐于心或意会而未言表的想法从潜意识层次提升到明确表达的显性化层次，有助于学生把个人见解与其他同学的见解、以及后续教师的解释加以比较，有助于转变学生的前概念，体现“科学即辩论”的教学思想［3］。

直观展示说理的逻辑线索，体现“显性化”教学。教师在解释相关思路时采用逻辑线索图的形式，把分析的逻辑直观展示出来，说理性强，同时也给学生作出了说理论证的示范，有助于培养学生的逻辑分析能力。

3.2 实验探究，建构新知

（１）教学过程与内容要点

【转换问题】

师生互动发现：“如果没有阻力，物体将一直运动下去”，学生没有相关的生活经验可以直接佐证。因为在生活中不可能出现不受力的情境，而且在实验室也不易直接实验观测。此时，可以把问题转换为“物体受到的阻力越小，则物体越容易长久运动下去，如何实验证明”。

【学生设计实验方案】

教师通过问题链的形式引导学生思考，组织学生设计实验方案，包括明确问题自变量、因变量，设计改变自变量和测量因变量的方法，设计控制干扰变量的方法；选择实验器材，整合实验步骤，设计数据记录表等。在学生尝试之后，师生一起设计正确的实验方案。

实验装置如图４所示。

促进学生思考的问题链如下：

①如何改变物体在水平方向上所受阻力？

②通过观察什么来反映小车运动的变化？小车在水平面上运动距离的长短除了受阻力的影响，还与其他因素有关吗？

③如何使小车刚到达水平面时的速度相同？

【进行实验，分析论证，初步建构新知】

学生进行实验、收集数据（如表１的第2列第4行），教师组织学生观察数据特点，形成结论：平面越光滑，受到的阻力越小，小车运动的距离越长，速度减小得越慢。

然后，教师询问学生这种趋势能否推演下去？可以得到什么推论？学生思考，填写表１的最后一行，得出新的结论：如果物体受到的阻力为零，速度就不会减小，它将永远运动下去。

教师播放动画来展示一直运动下去的情境，强化“印象”。然后，讲解伽利略相关研究的物理学史内容，结合对上述数据的分析，讲解理想实验法的思想。

（２）教学设计思路解析

注意对问题加以转化，逐步形成可以探究的物理问题，有助于培养学生发现问题、提出问题的能力。

给学生机会自主设计实验方案来深化科学思维。围绕待答问题，引导学生分析涉及到的变量；然后，围绕实验设计的总体要求（即操作自变量、测量因变量、控制干扰变量，体现控制变量法的思想方法）引导学生设计实验方案。教学组织过程体现“学生先尝试，教师后教学”的“尝试教学法”思想，强化学生的主体性。

本次教学中不仅应用理想实验法组织教学过程，而且明确讲解理想实验法的内涵，实现物理思想方法的显性化教学。

3.3 理论分析，深化认识

（１）教学过程与内容要点

在实验探究的基础上初步得出牛顿第一定律内容，然后，通过语义分析法来解析其内涵。

在此基础上，进一步说理，引出惯性的概念，并通过理论分析来解析内涵。即一切物体都有保持原来运动状态不变的性质，这种性质叫惯性。

（２）教学设计思路解析

在学生初次接触规范和抽象的科学概念表述时，注意使用直白的、生活化的语言作为过渡，帮助学生理解和适应。比如，把“力是维持物体运动的原因”通俗化表述为“物体要持续运动下去，是否需要持续的力来维持”。

通过使用语义解析的方式全面、细致地解析牛顿第一定律中各个关键词的含义，帮助学生全面、系统、准确、深入地理解其内涵。

3.4 解决问题，学以致用

（１）教学过程与内容要点

以急刹车为典例，教师展示图片，并口头描述现象，以直观呈现情境。然后，组织学生审题，抓住现象中的要点。教师利用实物演示和动画模拟展示物理过程及其关键特征，利用创新模型解释该现象，然后，结合汽车急刹车加强安全教育。最后，给出两个类似实例组织学生模仿解答，掌握分析和解决问题的过程方法。

教师在前人成果［4］的基础上创新性提出了“ＰＱＴＤＲ解释框架”［即现象（Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）－问题（Ｑｕｅｓｔｉｏｎ）－理论（Ｔｈｅｏｒｙ）－资料（Ｄａｔａ）－推理（Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ）］（图５），以此框架引导学生观察现象、明确问题、围绕问题提取现象中的关键特征，收集事实证据、围绕问题联系相关物理知识（理论证据）。最后，利用资料和物理知识进行推理、回答问题。同时，引导学生对照评价量表自我评价（表２），最后师生一起形成准确解释。

（２）教学设计思路解析

选择汽车急刹车这一典型案例作为示范，教给学生应用知识解答这一类题目的思路，凸显解题思路的教学。

体现“解释”模型，并显性化处理。在前人“ＰＴＤＲ解释框架”的基础上，结合一线名师的教学实践经验提出了“ＰＱＴＤＲ解释框架”，通过讲解、应用示范，帮助学生学会运用知识解决问题的思路和方法。凸显解释、推理的思维过程的显性化教学。

3.5 课堂总结，形成体系

（１）教学过程与内容要点

最后，教师组织学生进行总结。在内容上，要总结主要的知识点及其关系，还要总结各个知识点建构的过程与思想方法，形成知识体系；同时，配合板书，将本节课的主要内容条目式展示在黑板上，板书应注意体现重、难点和逻辑关系。

（２）教学设计思路解析

小结阶段要总结什么？这是教学设计时应该认真思考的问题。本案例中，笔者对教学主题、内容、研究方法、典型案例等进行多方面系统总结，并建立清晰的逻辑结构图，这里就突出了结构化思维方式。

4 结束语

物理概念教学要经历初步建构概念、准确理解概念、学会应用概念的系统化过程。概括而言，本案例在这些教学环节都注意引导学生经历科学思维过程、促进学生思维的显性化，以有效培养、及时评价学生的科学思维能力。

参考文献：

［１］陈运保，刘硕，张娟，等．通过真实性任务评价学生思维能力的策略研究［Ｊ］．中学物理教学参考，２０１３，42（１２）：６－９．

［２］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京师范大学出版社，２０２２．

［3］ＺHOU，Ｇ．Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ：Ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｒｇｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｕｒａｓｉａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，2010，６（２）：１０１－１１０．

［4］颜石珍，张晓艳．指向高阶思维发展的表现性任务设计与实施——以“焦耳定律”为例［Ｊ］．物理教师，２０２１，42（６）：14-18．

（栏目编辑 邓 磊）