基于科學(xué)思維培育的物理抽象概念及規(guī)律的教學(xué)策略

賴佳穎

摘? ?要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容，它是人腦對科學(xué)事物的相互關(guān)聯(lián)和關(guān)系的間接與概括的反映?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提及科學(xué)思維由模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四個主要內(nèi)容構(gòu)成。在物理教學(xué)中，抽象概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷更深刻的思維加工過程，是物理思維培育的重要途徑。文章通過介紹掌握學(xué)生最近發(fā)展區(qū)、構(gòu)建結(jié)構(gòu)不良模型等多種策略，提升科學(xué)思維培育的有效性，以期解決教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng);科學(xué)思維;抽象概念和規(guī)律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0007-4

在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面中，科學(xué)思維很早便受到教育者的重視。1932年全國教育聯(lián)合會頒布了《初級中學(xué)自然課程綱要》，提及教師在教學(xué)中應(yīng)多采用歸納、演繹的方法;1978年的《全日制十年制學(xué)校中學(xué)物理教學(xué)大綱（試行草案）》中則要求教學(xué)“培養(yǎng)思維能力和自學(xué)能力”。如今，作為學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要部分，科學(xué)思維由模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素構(gòu)成，其在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（下文簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中有詳細(xì)界定，此處不再贅述。彭前程先生把科學(xué)思維簡述為大腦對于科學(xué)信息的加工活動，他認(rèn)為各種現(xiàn)代教育理論中都應(yīng)給予思維教學(xué)充分的重視，這表明科學(xué)思維的教育在物理教學(xué)中占有極為重要的地位[1]。

在物理教學(xué)中，對于某些概念、規(guī)律，學(xué)生缺少感性的認(rèn)識基礎(chǔ)，甚至很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，如電學(xué)中的電源電動勢、電勢、電勢能等。對于這些概念和規(guī)律的認(rèn)識，學(xué)生必將經(jīng)歷更深刻的思維加工過程，將概念和規(guī)律進(jìn)行改造，借助邏輯推理、綜合分析等能力，逐步形成對事物的立體的、完整的認(rèn)識，而這一過程正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維提升的關(guān)鍵期，而要抓住這些關(guān)鍵期，需要有更多的教學(xué)策略。本文以“電勢能、電勢”為課例，來談?wù)劰P者通過抽象概念、規(guī)律教學(xué)來培育學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略。

1? ? 分析學(xué)情和教材，掌握學(xué)生最近發(fā)展區(qū)

學(xué)生情況和教材分析可以讓教師更有目的性地開展教學(xué)活動，尤其是對于抽象概念和規(guī)律的教學(xué)。維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論告訴我們，有效教學(xué)應(yīng)該開展在學(xué)生已有的認(rèn)知水平上，并指向?qū)W生可能的發(fā)展水平，這一過程需要教師和學(xué)生間的共同參與。對于學(xué)生學(xué)習(xí)情況的分析，既要包含學(xué)生的心理活動特征，也要包含學(xué)生的已有知識，這有助于確定學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知水平;對于教材的分析，除了要確定教學(xué)內(nèi)容在章節(jié)中的地位和作用外，還需要分析、掌握這些內(nèi)容的必備知識和心理特征，從而教師才能確定課堂教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，規(guī)劃出學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

對“電勢能、電勢”一課的學(xué)情、教材分析簡述如下：

學(xué)情分析：高中生思維能力更加成熟，抽象邏輯明顯占優(yōu)，并逐步向理論型抽象邏輯思維發(fā)展;從知識上看，學(xué)生已經(jīng)掌握了做功與能量轉(zhuǎn)換間的基本關(guān)系（重力與重力勢能），了解了電場力的性質(zhì)等內(nèi)容。

教材分析：《電場》這章內(nèi)容，可總結(jié)為“一條主線”“兩大板塊”?！耙粭l主線”是指章節(jié)中所有的內(nèi)容，都是圍繞著電場的認(rèn)識而展開的;“兩大板塊”則是指電場較為重要的兩大特性，即力的性質(zhì)與能的性質(zhì)，這兩部分知識相互關(guān)聯(lián)，呈現(xiàn)螺旋上升式認(rèn)知。電勢、電勢能、等勢面等概念非常抽象，學(xué)習(xí)這些概念需要掌握做功與能量轉(zhuǎn)化、電場力、電場線的特征等，其中電場力做功與電勢能的概念形成可以通過調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，運(yùn)用類比、遷移等思維方式，突出教學(xué)重點(diǎn)，見表1（具體教學(xué)可參見下文）;而電勢能的特性則可以通過構(gòu)建基于真實(shí)情境的問題逐步深入，結(jié)合科學(xué)思維方法的點(diǎn)撥，突破難點(diǎn)。

2? ? 設(shè)計基于真實(shí)情境的結(jié)構(gòu)不良問題，提升建模與科學(xué)論證的能力

美國科學(xué)教育界以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維為目的，將理科問題進(jìn)行了劃分，除了常見的結(jié)構(gòu)良好問題，還非常關(guān)注結(jié)構(gòu)不良問題，這類問題可能具有目標(biāo)不明確性、解決問題的途徑不唯一性、結(jié)果多樣性等特征。由于結(jié)構(gòu)不良問題往往需要復(fù)雜的分析過程，并調(diào)用多種概念和規(guī)律進(jìn)行科學(xué)論證，因此可以鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力。對于真實(shí)情境的問題則包含多種干擾因素，需要學(xué)生從豐富的情境中以物理的視角提煉問題，建立模型，形成概念和規(guī)律間的關(guān)聯(lián)，這也是鍛煉科學(xué)思維能力的良好機(jī)會。綜上所述，即便是在抽象的概念、規(guī)律課中，教師也應(yīng)該盡力去設(shè)計具有真實(shí)情境的結(jié)構(gòu)不良問題。在“電勢能、電勢”一課中，筆者設(shè)計的問題如下：

情境：（觀察，不闡述）將一個小球與頭發(fā)摩擦后，用絕緣細(xì)繩懸掛在鐵架臺下方，將兩個金屬網(wǎng)平行放置，連接并搖動手搖感應(yīng)起電機(jī)，如圖1所示。更換接線柱，再次實(shí)驗(yàn)。

問題：請觀察小球的運(yùn)動情況，分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因;你是否能從能量的角度重新審視這一現(xiàn)象？作出哪些猜測？得到哪些結(jié)論？

解答：實(shí)驗(yàn)可觀察到小球在電場力的作用下運(yùn)動起來。從能量角度看，小球在電場力的作用下，速度從無到有，動能增加，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒可知，有其他形式的能量轉(zhuǎn)化為動能，這一過程中電場力做正功。

設(shè)計思想：設(shè)計該基于真實(shí)情境的結(jié)構(gòu)不良問題的目的有三個。首先，該問題基于一個實(shí)驗(yàn)演示，教師言語不多，學(xué)生需要自行從物理視角觀察現(xiàn)象，通過分析、綜合、類比等科學(xué)思維的方法，建立模型，提出問題;其次，學(xué)生看待現(xiàn)實(shí)的思考角度各不同，絕大多數(shù)學(xué)生會從力與運(yùn)動的角度分析、解釋，但是方法、依據(jù)也各不相同，這一過程可以提升學(xué)生科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新的能力;再者，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生最終將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移至能量，建立起力、運(yùn)動與能量間的聯(lián)系，并運(yùn)用曾經(jīng)在《機(jī)械能》一章中掌握的分析方法，重新經(jīng)歷思維認(rèn)知的過程，建立電場力做功與電勢能變化間的關(guān)系;最后，對該問題的最終解答可放在課堂的最后，是學(xué)生在整堂課的學(xué)習(xí)中逐步建立的知識框架，既貫穿了課堂的學(xué)習(xí)，也可以讓學(xué)生在掌握規(guī)律之后再次分析和評價這一現(xiàn)象。

3? ? 運(yùn)用“比較—?dú)w納—綜合”，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的方法點(diǎn)撥

《標(biāo)準(zhǔn)》[2]中指出：“教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的構(gòu)建過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑。例如電場強(qiáng)度的教學(xué)，應(yīng)創(chuàng)設(shè)不同試探電荷位于電場中不同位置的情境……學(xué)生在處理以上信息的過程中，經(jīng)歷了‘比較—概括—抽象的過程，發(fā)展了科學(xué)思維。”比較、概括、抽象等是自然科學(xué)在長期發(fā)展過程中形成的一系列基本思想方法，也是科學(xué)推理中重要的組成部分，《標(biāo)準(zhǔn)》解讀中也明確提出高中生應(yīng)該從定性和定量的兩個方面正確理解和應(yīng)用上述科學(xué)思維方法。

筆者認(rèn)為，掌握這些方法不能光靠學(xué)生自己體會、總結(jié)，更應(yīng)該創(chuàng)設(shè)條件，在課堂中進(jìn)行思維方法的點(diǎn)撥。在“電勢能、電勢”一課中，筆者分別設(shè)置了“比較—?dú)w納—綜合”方法的教學(xué)環(huán)節(jié)。

（1）比較方法的教學(xué)設(shè)計

在一個豎直向下的勻強(qiáng)電場中，將一個帶正電的小球（不計重力）由A點(diǎn)沿著三條路徑運(yùn)動到B點(diǎn)（AB、ACB、其中AC與電場線垂直，BC平行于電場線），如圖2所示，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電場力做功與路徑無關(guān)，從而與重力做功進(jìn)行類比，得到表1。

設(shè)計思想：比較是指確定事物之間的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的思維方式，可分為類似比較、差異比較和系統(tǒng)比較。此環(huán)節(jié)以豎直向下的電場力為切入口，喚起學(xué)生對于重力做功、重力勢能特點(diǎn)等概念、規(guī)律形成的記憶，類比電場力做功與重力做功間的相似點(diǎn)，推導(dǎo)出電場力與電勢能的關(guān)系。

（2）歸納方法的教學(xué)設(shè)計

根據(jù)公式，在圖2中假設(shè)以B點(diǎn)為電勢能零點(diǎn)，則將3個電荷依次放置在A點(diǎn)，分別計算各個電荷在A點(diǎn)時具有的電勢能，并引導(dǎo)學(xué)生歸納影響電勢能的因素，以及是否可以類似電場強(qiáng)度E得到一個反映電場能的性質(zhì)的物理量？

設(shè)計思想：歸納推理指由一些個別的、特殊的判斷推出一般性判斷的思維方式。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過計算可以獲得3個電荷在A點(diǎn)具有的電勢能分別為Eqlcosθ、2Eqlcosθ、-Eqlcosθ，教師可以鼓勵學(xué)生根據(jù)3個電荷在同一點(diǎn)電勢能的表達(dá)形式，歸納推理出電勢能與哪些因素有關(guān)，并尋找出反映電場能的性質(zhì)的物理量，即電勢。

（3）綜合方法的教學(xué)設(shè)計

在掌握電場力做功、電勢能、電勢等概念和規(guī)律后，給出情境1：如圖3（a）所示，將一個正電荷沿著電場線方向運(yùn)動，分析電場力做功情況及電勢能、電勢將如何變化;情境2：如圖3（b）所示，將一個負(fù)電荷沿著電場線方向運(yùn)動，分析電場力做功情況及電勢能、電勢將如何變化。兩種情境的對比，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，了解電勢、電勢能等變化的本質(zhì)和規(guī)律，最終得出電勢能與電荷位置、電性、電量等有關(guān)，但是電勢卻反映電場本身的性質(zhì)，即該問題可以印證正負(fù)電荷的電場力做功及電勢能變化各不同，但在沿電場線方向電勢始終降低。

設(shè)計思想：綜合是指在分析的基礎(chǔ)上，把研究對象的各個組成部分或者要素在思維中重新結(jié)合成一個整體，從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律。該環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅可以通過“電場力做功—電勢能變化—電勢變化”得出結(jié)論，也可以反過來，方法各不相同，但是卻能綜合運(yùn)用多方面的知識，而學(xué)生正是要在不同方法的應(yīng)用中，體悟不變的本質(zhì)和特征。

4? ? 建立多樣性的信息流向，形成對科學(xué)事物立體的、完整的認(rèn)識

科學(xué)思維的對象是一個多層次、多結(jié)構(gòu)、多序列的完整網(wǎng)絡(luò)，而人們對科學(xué)事物的反映和認(rèn)識，即形成科學(xué)思維，總是從一個點(diǎn)、一個方面、一個角度累積地進(jìn)行。因此，在學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維訓(xùn)練時必須從不同的方面、不同的角度獲得關(guān)于科學(xué)本質(zhì)屬性的外部表現(xiàn)信息，并加工改造。而所謂的多元信息流向是指在課堂中不全以教師為中心，信息交互的路線是多邊的、全面聯(lián)系的，存在于教師與每個學(xué)生以及學(xué)生與學(xué)生間[3]。因此，通過多階段的信息交流方式，可以讓學(xué)生全面地、多角度地、多方式地認(rèn)識事物，有利于抽象概念、規(guī)律的教學(xué)。在“電勢能、電勢”（下轉(zhuǎn)第12頁）（上接第9頁）一課中，筆者特地加入了多階段信息流向的小組學(xué)習(xí)和課堂交流。

本課的教學(xué)設(shè)計中共有3個環(huán)節(jié)的學(xué)生互動交流：（1）在引入新課時，鼓勵學(xué)生個體對圖1所對應(yīng)的物理現(xiàn)象進(jìn)行描述和解釋，同時交流從能量角度如何分析這一現(xiàn)象;（2）在科學(xué)思維的方法點(diǎn)撥時（圖2），鼓勵學(xué)生分小組解決問題，并交流討論;（3）在應(yīng)用環(huán)節(jié)中，給予學(xué)生足夠的信息情況，并鼓勵學(xué)生討論為何在微電子生產(chǎn)中的技術(shù)工們都穿著特殊的防靜電服。

設(shè)計思想：引入環(huán)節(jié)中的討論是希望學(xué)生能集思廣益，開拓視野，建立物理模型，有效搭建問題解決的框架。在思維方法點(diǎn)撥時，每組學(xué)生綜合運(yùn)用多個知識解決問題的途徑可以通過交流得以展現(xiàn)，從而使所有參與者都可以從多角度、多方面實(shí)現(xiàn)對知識和規(guī)律的認(rèn)知;在應(yīng)用環(huán)節(jié)，交流與討論不僅可以應(yīng)用知識，還可以達(dá)到信息互通，增強(qiáng)學(xué)生在豐富情境中提取信息的能力。

科學(xué)思維是學(xué)生問題解決與實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的重要能力和品質(zhì)，郭玉英教授認(rèn)為，必備品格和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，均需以具體的學(xué)科課程為載體，通過精心設(shè)計的教學(xué)來促進(jìn)學(xué)生發(fā)展[4]。本文為筆者在解決高中物理教學(xué)中關(guān)于抽象概念和規(guī)律教學(xué)的點(diǎn)滴思考，希望與一線教師們共同探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭前程.談對“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)及物理學(xué)科核心素養(yǎng)”的理解[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（10）：1-4.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]林崇德.心理學(xué)大辭典（上卷）[M].上海：上海教育出版社，2003.

[4]郭玉英，蘇明義.新版課程標(biāo)準(zhǔn)解析與教學(xué)指導(dǎo)（高中物理）[M].北京：北京師范大學(xué)出版集團(tuán)，2018.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）