例談使用高中物理人教版教材培養(yǎng)科學(xué)思維

牛丹 中山市華僑中學(xué)，廣東 中山 528400

摘? ?要：在新一輪的課程改革中，新課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理核心素養(yǎng)，其中，科學(xué)思維是學(xué)習(xí)物理的必備能力，是高考主要考查的能力，是物理學(xué)科核心價(jià)值的體現(xiàn)。而教材是課程理念、目標(biāo)和要求最直接的體現(xiàn)，要落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，首先要選好教材、用好教材。對(duì)教材的研究表明，現(xiàn)行的人教版高中物理教材可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：高中;物理教材;科學(xué)思維

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）7-0016-3

1? ? 科學(xué)思維

1.1? ? 科學(xué)思維提出的背景

新一輪課程改革中，2017年新課程標(biāo)準(zhǔn)提出學(xué)科核心素養(yǎng)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面?？茖W(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

1.2? ? 科學(xué)思維的重要性

科學(xué)思維是學(xué)生形成物理思維方式的關(guān)鍵能力。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，有助于學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)、周密、富有邏輯的思維體系;有助于學(xué)生掌握學(xué)習(xí)物理學(xué)的正確方法;有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和成績。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是物理學(xué)科育人價(jià)值的重要體現(xiàn)，教師通過課堂教學(xué)幫助學(xué)生形成科學(xué)的邏輯思維，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理乃至學(xué)習(xí)科學(xué)的能力，為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。物理學(xué)家勞厄曾說：“重要的不是獲得知識(shí)，而是發(fā)展思維能力?！?/p>

科學(xué)思維是高考主要考查的能力?！犊季V》中明確指出，高考物理考查的能力主要包括理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。其中，推理能力和分析綜合能力正是科學(xué)思維所涵蓋的能力。研究表明，從2012年至2018年全國新課標(biāo)卷對(duì)科學(xué)思維能力的考查占比均超過了全卷50%的分值，主要考查點(diǎn)集中在模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證。相信未來幾年高考對(duì)能力考查的方向還會(huì)指向質(zhì)疑創(chuàng)新。

2? ? 教材對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要性

“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江?！?，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維正是如此。只有真正夯實(shí)課堂教學(xué)，課堂上關(guān)注邏輯推理和科學(xué)論證相結(jié)合的演繹，強(qiáng)化問題導(dǎo)向引發(fā)學(xué)生思考，強(qiáng)化類比、歸納等科學(xué)研究方法的應(yīng)用，才能讓學(xué)生真正地學(xué)會(huì)探究問題的思路和方法。

教材是課程理念、目標(biāo)和要求最直接的體現(xiàn)，是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，是指引學(xué)生學(xué)習(xí)方向的燈塔。教材包括了教師教學(xué)行為和學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)中所利用的素材和手段。所以，要落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，利用好每一節(jié)課，首先要選好教材、用好教材。經(jīng)過對(duì)教材的研究，筆者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的人教版高中物理教材（以下簡稱“人教版教材”）滲透了多種物理學(xué)方法，通過學(xué)習(xí)物理學(xué)方法可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3? ? 人教版高中物理教材培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的體現(xiàn)

推理法、實(shí)驗(yàn)法、歸納法、分析法、類比法等，是物理學(xué)最基本、最核心的研究方法。人教版教材將物理學(xué)研究方法貫穿在整個(gè)高中的物理學(xué)習(xí)中，這有利于學(xué)生建立起物理學(xué)的思維方式和方法，從而提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3.1? ? 通過推理法、實(shí)驗(yàn)法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

必修1是學(xué)生進(jìn)入高中使用的第一本物理教材，是進(jìn)入高中物理學(xué)習(xí)的開端，是物理知識(shí)、物理學(xué)方法和物理思維打基礎(chǔ)的關(guān)鍵期。俗話說，“好的開端是成功的一半”，所以在講授必修1時(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)就顯得尤為重要。例如，在講解自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候除了講清楚自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題，還要講解伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究歷程，這個(gè)歷程的講解好比是一節(jié)歷史課、一節(jié)哲學(xué)課和一節(jié)物理課的結(jié)合，對(duì)學(xué)生了解物理學(xué)史、體會(huì)科學(xué)家的研究歷程、形成物理學(xué)的學(xué)科體系、培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維有很重要的影響。

從科學(xué)史看，科學(xué)思維的發(fā)展正是從伽利略的研究開始的，他獨(dú)創(chuàng)了邏輯推理與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，所以人教版在必修1第二章中設(shè)置了《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》一節(jié)。教材分四個(gè)小標(biāo)題，分別是“綿延兩千年的錯(cuò)誤”“邏輯的力量”“猜想與假說”“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”。從亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀到伽利略的邏輯推理和猜想，再到伽利略通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且在實(shí)驗(yàn)中使用變通的思維將重力“沖淡”，結(jié)合邏輯和實(shí)驗(yàn)的力量總結(jié)出自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。教材上這樣寫到：“這些方法的核心是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理（包括數(shù)學(xué)演算）和諧地結(jié)合起來，從而發(fā)展了人類的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法?！?/p>

人教版教材中像這樣的課例有很多，例如必修1第四章第一節(jié)《牛頓第一定律》、選修3-1第三章第一節(jié)《磁現(xiàn)象和磁場》、選修3-2第四章第一節(jié)《劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)》、選修3-5第十八章第一節(jié)《電子的發(fā)現(xiàn)》，這些課例都是讓學(xué)生了解一個(gè)定律、規(guī)律、現(xiàn)象或粒子發(fā)現(xiàn)發(fā)展的歷程，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)家的邏輯推理過程，以及用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論的方法。

3.2? ? 通過歸納法、分析法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

對(duì)于萬有引力定律的教學(xué)，絕不能是一個(gè)公式的介紹和應(yīng)用這么簡單。要讓學(xué)生了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)歷程，學(xué)會(huì)科學(xué)研究問題的方式方法，所以人教版教材設(shè)置了三節(jié)課才得出萬有引力定律。

《太陽與行星間的引力》這一節(jié)先介紹伽利略、開普勒、笛卡兒、胡克、哈雷等科學(xué)家對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生明白科學(xué)研究的道路是艱辛的、曲折的，并且理解“牛頓是站在巨人肩膀上”的道理。教材中提到，“在這一節(jié)和下一節(jié)，我們將追尋牛頓的足跡，用自己的手和腦，重新‘發(fā)現(xiàn)萬有引力定律。”教材沒有直截了當(dāng)?shù)亟o出萬有引力定律的概念，而是帶領(lǐng)學(xué)生追尋歷史的足跡，領(lǐng)略物理學(xué)的發(fā)展歷程，參與科學(xué)推理，學(xué)會(huì)用辯證的思想得出物理規(guī)律。

依據(jù)教材的思路，可以提出如下問題讓學(xué)生思考：1.是什么原因使行星繞太陽運(yùn)動(dòng)？2.如何計(jì)算太陽對(duì)行星引力的大??？ 3.如何計(jì)算行星對(duì)太陽引力的大小？4.如何確定太陽與行星之間的引力？如何確定引力的方向？5.地球?qū)Φ厍蛑車奈矬w有引力嗎？（分別討論地球?qū)υ虑虻囊偷厍驅(qū)Φ乇砦矬w的引力）6.太陽對(duì)地球的引力、地球?qū)υ虑虻囊εc地球?qū)Φ乇砦矬w的引力是同一種力嗎？（月-地檢驗(yàn)）

每一個(gè)問題都留給學(xué)生充分的思考時(shí)間，并讓學(xué)生作答，教師對(duì)學(xué)生的回答及提出的新問題給予評(píng)價(jià)和幫助。例如，學(xué)生會(huì)提出“太陽對(duì)地球的引力與地球?qū)υ虑虻囊κ峭环N力，因?yàn)槎际黔h(huán)繞星體圍繞中心天體做圓周運(yùn)動(dòng)，而地球表面的物體沒有繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，所以不是同一種力”這樣的問題。學(xué)生提出這個(gè)問題說明學(xué)生有認(rèn)真思考過，并且能提出問題的根源。學(xué)生能提出這樣的問題說明我們的物理教學(xué)上了一個(gè)新的臺(tái)階，我們的課堂成為了師生合作交流的平臺(tái)。這些進(jìn)步得益于人教版教材的設(shè)置，給我們老師提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)素材，給我們的學(xué)生提供了質(zhì)疑、創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。

六個(gè)問題構(gòu)建了完整的思維邏輯，如圖1。通過萬有引力定律得出的過程，學(xué)生學(xué)會(huì)了分析綜合、推理論證和歸納總結(jié)的科學(xué)方法，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)思維，學(xué)會(huì)了辯證看待問題的思維方式。

選修3-5第十七章第二節(jié)《光的粒子性》一節(jié)，也是邏輯推理性很強(qiáng)的一節(jié)課，教師依據(jù)教材的思路，演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，揭示光電效應(yīng)現(xiàn)象，從而提出與光的波動(dòng)理論相矛盾的地方，引發(fā)學(xué)生的思考，再用愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，揭示光的粒子性。整堂課學(xué)生經(jīng)歷了觀察實(shí)驗(yàn)—理論分析—檢驗(yàn)修正—?dú)w納總結(jié)的思維過程。

類似的課例還有選修3-2第四章第二節(jié)《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》、第三節(jié)《楞次定律》，都讓學(xué)生經(jīng)歷了觀察實(shí)驗(yàn)—分析論證—?dú)w納總結(jié)的過程來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

3.3? ? 通過類比法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

人教版必修2第七章第五節(jié)《探究彈性勢能的表達(dá)式》的題目有一個(gè)標(biāo)注：“學(xué)習(xí)這節(jié)時(shí)，要著重體會(huì)探究的過程和所用的方法，復(fù)習(xí)用到的知識(shí)，不要求掌握探究的結(jié)論，更不要求用彈性勢能的表達(dá)式解題”，所以本節(jié)內(nèi)容的目的很明確。

以彈簧被拉長情況為例，教材提出了待解決的四個(gè)問題，分別是：1.彈性勢能的表達(dá)式可能與哪幾個(gè)物理量有關(guān)？2.彈簧的彈性勢能與拉力做的功有什么關(guān)系？3.怎樣計(jì)算拉力做的功？4.怎樣計(jì)算這個(gè)求和式？四個(gè)問題的探究思路是假設(shè)猜想—理清關(guān)系—解決問題—處理困難，其邏輯結(jié)構(gòu)清晰，并在這個(gè)過程中讓學(xué)生學(xué)會(huì)探究問題的思路和方法。

整節(jié)課都貫穿著類比思想，將如何解決重力勢能的方法運(yùn)用到如何解決彈性勢能;再用類比法比較重力做功和彈簧彈力做功的區(qū)別;又用類比思想將解決勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移的思想運(yùn)用到解決變力做功的問題。讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用已有的物理思想去解決問題，并加深了對(duì)微元法的理解。

人教版教材用類比法培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的課程還有選修3-1第一章第四節(jié)《電勢能和電勢》，將靜電力做功的特點(diǎn)與重力做功的特點(diǎn)類比，引出電勢能的概念;選修3-1第三章第五節(jié)《運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力》，用陰極射線管研究磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用后，類比用左手定則判斷安培力方向的方法，來判定運(yùn)動(dòng)電子的受力方向。

4? ? 結(jié)? 語

在科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中，科學(xué)思維必須遵守三個(gè)基本原則：在邏輯上要求嚴(yán)密的邏輯性，達(dá)到歸納和演繹的統(tǒng)一;在方法上要求辯證地分析和綜合兩種思維方法;在體系上，實(shí)現(xiàn)邏輯與歷史的一致，達(dá)到理論與具體歷史實(shí)踐的統(tǒng)一。通過本文列舉的多個(gè)課例，從必修到選修，充分說明了人教版高中物理教材對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維起到了非常積極的作用，至于能不能把教材的作用發(fā)揮出來還要看教師對(duì)核心素養(yǎng)的理解以及對(duì)核心素養(yǎng)的重視程度。面對(duì)新一輪的課程改革，希望人教版的這些優(yōu)質(zhì)課例可以啟發(fā)教師，從而構(gòu)思更多更好的教學(xué)設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）