物理概念建構(gòu)視域下的科學(xué)思維能力提高策略

桑韶飛 李若平

摘? ?要：物理概念是對(duì)物理現(xiàn)象和物理過(guò)程共同屬性和本質(zhì)特征的一種抽象概括。科學(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。以2019年人教版教材為依托進(jìn)行概念建構(gòu)，教師在實(shí)施概念教學(xué)的過(guò)程中，通過(guò)凸顯研究本質(zhì)、顯化方法教育、強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)、培養(yǎng)批判思維和創(chuàng)造思維，進(jìn)而提高學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。

關(guān)鍵詞：概念建構(gòu);科學(xué)思維;物理模型;物理教材

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）12-0009-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中將物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為“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[1]。其中，科學(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，提高學(xué)生科學(xué)思維能力是發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

2019年版新教材部分省份已經(jīng)開始使用，教材中每一個(gè)物理概念的呈現(xiàn)形式和建構(gòu)邏輯都凝聚了全國(guó)教育專家、學(xué)科專家、教材編寫專家和一線教師的集體智慧[2-4]。物理教師在概念教學(xué)過(guò)程中，要以教材為載體，深入挖掘教材中呈現(xiàn)的物理概念的建構(gòu)方式，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生參與概念建立的過(guò)程并主動(dòng)進(jìn)行思維活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生深入理解物理概念的同時(shí)不斷提高思維能力和思維品質(zhì)，使核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有切實(shí)有效的著力點(diǎn)。

1? ? 凸顯研究本質(zhì)，加強(qiáng)建模能力

物理模型能夠加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。中學(xué)階段常見(jiàn)的物理模型主要有理想化實(shí)體模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺、彈簧振子等;理想化過(guò)程模型，如勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞等;理想化條件模型，如勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、理想氣體等[5]。在物理概念的教學(xué)中，聚焦概念的客觀本質(zhì)特征，引領(lǐng)學(xué)生根據(jù)物理情境進(jìn)行思維加工，在對(duì)事物抽象和概括的基礎(chǔ)上舍棄次要因素，抓住主要因素，建立適當(dāng)?shù)睦硐牖Ｐ停饾u培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的意識(shí)和能力，具體的模型建立過(guò)程如圖1所示。

【案例1】 必修1：質(zhì)點(diǎn)概念的建構(gòu)

（1）呈現(xiàn)具體情境，確定研究現(xiàn)象：

“雄鷹在空中翱翔，翅膀在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也在上下運(yùn)動(dòng);足球在綠茵場(chǎng)上滾動(dòng)，向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還在轉(zhuǎn)動(dòng)”。創(chuàng)設(shè)這種雙重運(yùn)動(dòng)情境（翅膀既向前運(yùn)動(dòng)也上下運(yùn)動(dòng)，足球向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也轉(zhuǎn)動(dòng)），引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)思考應(yīng)該研究哪種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，有助于學(xué)生從具體的物理情境中聚焦研究現(xiàn)象。

（2）分析研究屬性的主要因素和次要因素：

“研究雄鷹從一個(gè)位置飛行到另一個(gè)位置時(shí)，翅膀的運(yùn)動(dòng)方式就成了次要因素;研究地球公轉(zhuǎn)引起的位置變化時(shí)，自轉(zhuǎn)就可以忽略”。在分析物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生找出研究屬性的主要因素和次要因素，培養(yǎng)忽略次要因素的意識(shí)，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做到化繁為簡(jiǎn)，鍛煉學(xué)生的思維能力。

（3）概括論證物理模型，認(rèn)識(shí)“理想化”：

“忽略大小和形狀進(jìn)而轉(zhuǎn)化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)叫作質(zhì)點(diǎn)”，這樣忽略次要因素，凸顯主要因素，通過(guò)理想化的處理方式建立質(zhì)點(diǎn)模型，進(jìn)一步幫助學(xué)生理解質(zhì)點(diǎn)的概念。

（4）應(yīng)用實(shí)踐物理模型，讓模型思想根植于心：

“一個(gè)是被球拍擊出的乒乓球，另一個(gè)是正在飛行的殲-20隱形戰(zhàn)斗機(jī)。請(qǐng)你為乒乓球和戰(zhàn)斗機(jī)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題，問(wèn)題中的乒乓球和戰(zhàn)斗機(jī)可以是質(zhì)點(diǎn)也可以不是質(zhì)點(diǎn)。”應(yīng)用物理模型解決問(wèn)題的過(guò)程要注重聯(lián)系生活，這樣學(xué)生能夠在生活中應(yīng)用物理模型，使模型活起來(lái)，有助于學(xué)生知識(shí)的遷移和物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

從質(zhì)點(diǎn)概念的建構(gòu)來(lái)看，教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念學(xué)習(xí)時(shí)，要將建構(gòu)物理模型融入到教學(xué)過(guò)程中。在引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型時(shí)應(yīng)注重：①模型表征情境化。教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的物理情境，這樣學(xué)生能夠在情境中自覺(jué)聯(lián)想到物理知識(shí)，進(jìn)一步確定要研究的物理問(wèn)題，在潛移默化中提升融合知識(shí)與情境的能力。例如，在天體運(yùn)動(dòng)模型建立過(guò)程中，可以引入“神舟十二號(hào)”繞飛空間站這一情境;在平拋運(yùn)動(dòng)模型建立過(guò)程中，可以讓學(xué)生去操場(chǎng)參加扔鉛球比賽。②模型剖析理想化。對(duì)建立物理模型過(guò)程中的影響因素進(jìn)行分析，忽略次要因素。例如，在點(diǎn)電荷模型的建立過(guò)程中，忽略電荷的質(zhì)量和體積;在單擺模型的建立過(guò)程中，忽略擺球的大小;彈簧振子的建立，忽略了彈簧的質(zhì)量、振子的大小和形狀以及摩擦阻力;理想變壓器這一模型的建立，忽略了能量損耗等。③模型應(yīng)用生活化。從學(xué)生的日常生活中尋找素材，拉近知識(shí)與學(xué)生的距離，消除學(xué)生的畏懼感。例如，在圓周運(yùn)動(dòng)模型中，通過(guò)汽車拐彎、火車拐彎、汽車過(guò)橋等問(wèn)題的探討，或者讓學(xué)生表演“水流星”節(jié)目，使學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)在日常生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。通過(guò)模型表征情境化、模型剖析理想化、模型應(yīng)用生活化，使學(xué)生能夠充分認(rèn)識(shí)模型的本質(zhì)特征，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)際生活情境抽象出物理模型，進(jìn)而分析、解決實(shí)際問(wèn)題，逐步培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型、應(yīng)用模型的能力。

2? ? 顯化方法教育，鍛煉推理能力

科學(xué)推理是科學(xué)思維中十分重要的一種思維類型，邏輯上包括類比推理、演繹推理和歸納推理[6]。教材中顯化的科學(xué)方法有助于發(fā)展高中生類比推理能力、演繹推理能力和歸納推理能力。在實(shí)際教學(xué)中，教師要幫助學(xué)生正確理解和應(yīng)用科學(xué)方法，有助于實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的融會(huì)貫通、舉一反三，有助于學(xué)生科學(xué)思維的全面發(fā)展。

2.1? ? 類? 比

類比是根據(jù)兩類對(duì)象在某些屬性上的相同或相似，通過(guò)比較來(lái)推出它們?cè)谄渌麑傩陨弦蚕嗤蛳嗨?。在屬性或特點(diǎn)上尋找類比對(duì)象與類比源的相似性，推過(guò)邏輯推理建立起新的物理概念，具體的思維過(guò)程如圖2所示。

【案例2】 必修3：磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的建構(gòu)

類比源：電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度。

類比對(duì)象：磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

類比法在連接新舊知識(shí)之間具有啟發(fā)性的作用，類比源構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的邏輯起點(diǎn)，在學(xué)習(xí)磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，如果以電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度作為類比源，降低了學(xué)生的思維難度，學(xué)生的思維活動(dòng)逐漸從表層向深層移動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的深層思維。教材中關(guān)于物理概念之間的類比還有很多，筆者整理出來(lái)（表1），有助于學(xué)生建立概念網(wǎng)絡(luò)，深入理解物理概念。

2.2? ? 演? 繹

演繹是由一般到特殊的推理方法。推論前提與結(jié)論之間的聯(lián)系是必然的，是一種確實(shí)性推理。

【案例3】 必修2：動(dòng)能定理的構(gòu)建

質(zhì)量為m的某物體在光滑水平面上運(yùn)動(dòng)，在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F的作用下發(fā)生一段位移l，速度由v1增加到v2，如圖3所示。

通過(guò)演繹推理的思維過(guò)程，在原有的知識(shí)上層層突破，最終對(duì)動(dòng)能定理有了一定的認(rèn)識(shí)，把演繹問(wèn)題的邏輯方法潛移默化地滲透到學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)中，使學(xué)生的思維得到了訓(xùn)練和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生對(duì)變力做功積極探索。

設(shè)一質(zhì)點(diǎn)在變力F的作用下，沿曲線從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)在a、b兩點(diǎn)的速率分別為va和vb，dr是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的元位移，如圖4所示。

讓學(xué)生在不同情況下感受演繹的魅力，參與到恒力做功和變力做功的演繹過(guò)程中，提高演繹推理能力。

2.3? ? 歸? 納

歸納是一種由個(gè)別到一般的推理，由特殊具體的事例推導(dǎo)出一般原理、原則的解釋方法。

【案例4】 必修1：力的構(gòu)建

教材中并沒(méi)有直接提出力的概念，需要教師推動(dòng)學(xué)生自主探究、相互交流，從大量與力相關(guān)的自然、生活、生產(chǎn)現(xiàn)象中歸納概括出來(lái)?？蓞⒖既缦虏襟E：

第一步：呈現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)。例如，用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)靜止在桌面上的物塊、用手拍打衣服上的塵土、兩個(gè)手用力按壓在一起等，以此來(lái)引導(dǎo)學(xué)生建立起力的初步概念，并在此基礎(chǔ)上提出力不能離開物體而單獨(dú)存在，即力是物體與物體之間的相互作用。

第二步：?jiǎn)栴}驅(qū)動(dòng)加深理解。例如，兩個(gè)物體之間的相互作用，究竟是哪個(gè)物體對(duì)哪個(gè)物體施加了力？彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)桌面上靜止的物塊，這里面誰(shuí)給了誰(shuí)力？哪個(gè)是施力物體？哪個(gè)是受力物體？通過(guò)這樣的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的形式，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于問(wèn)題的深入思考，以更好地建立起力的概念。

第三步：歸納。歸納出力是物體與物體的相互作用，力不能離開物體而單獨(dú)存在，施力物體與受力物體同時(shí)存在、同時(shí)消失。

應(yīng)用歸納法對(duì)物理概念的教學(xué)，可以從生活中的實(shí)例出發(fā)，也可以通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，問(wèn)題驅(qū)動(dòng)引發(fā)學(xué)生深入思考，層層遞進(jìn)、歸納總結(jié)得出物理概念，具體過(guò)程如圖5所示。

歸納法不僅能幫助學(xué)生理解物理概念的內(nèi)涵，也能促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念的外延有一定的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生建立物理概念體系，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力。

3? ? 強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)，提升論證能力

論證是在證據(jù)的基礎(chǔ)上提出自己的觀點(diǎn)，并能夠通過(guò)推理在觀點(diǎn)和證據(jù)之間建立起一種合乎邏輯關(guān)系的方法。證據(jù)是支持觀點(diǎn)的材料，可以保證科學(xué)論證活動(dòng)的可靠性和可信度。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的具體過(guò)程如圖6所示。

【案例5】 必修1： 加速度概念的建構(gòu)

（1）教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：

“一輛小汽車在10 s內(nèi)，速度從0到100 km/h，一列火車在300 s內(nèi)，速度也從0到100 km/h”。這兩種物體的運(yùn)動(dòng)情況是不同的，用“速度大”或“速度小”能描述運(yùn)動(dòng)的不同嗎？如果不能，應(yīng)該怎么描述呢？達(dá)到速度相同的情況下，能用所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)比較嗎？還能用什么來(lái)比較呢？通過(guò)一系列的物理問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生從情境中提煉問(wèn)題，有助于學(xué)生朝著概念建立的方向思考。

（2）學(xué)生提出觀點(diǎn)：

根據(jù)速度和時(shí)間的對(duì)比，學(xué)生較容易得出“兩個(gè)物體速度變化相同，所用時(shí)間短的速度變化得快，所用時(shí)間長(zhǎng)的速度變化得慢”的觀點(diǎn)。這樣“速度變化快慢”就浮現(xiàn)在學(xué)生的腦海里。學(xué)生根據(jù)自己的已有知識(shí)，并在問(wèn)題的引導(dǎo)下提出自己的認(rèn)識(shí)。

（3）學(xué)生收集證據(jù)：

對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)，生活中最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是最好的證據(jù)，當(dāng)然也可以是視頻等其他資源，尋找證據(jù)來(lái)證明自己的觀點(diǎn)，主動(dòng)探索，提升解決問(wèn)題的能力。例如，可引導(dǎo)學(xué)生討論并收集百米賽跑運(yùn)動(dòng)員從起跑到?jīng)_刺過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù)，說(shuō)明“速度”和“速度的變化”是兩個(gè)完全不同的概念。

（4）師生共同推理論證：

“自然界中某量D的變化可以記為ΔD，發(fā)生這個(gè)變化所用的時(shí)間間隔可以記為Δt，變化量ΔD與Δt的比值就是這個(gè)量對(duì)時(shí)間的變化率。”物理學(xué)中把速度的變化量與發(fā)生這一變化所用的時(shí)間之比，叫作加速度，用a來(lái)表示，則有a=■。課堂教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生積極參與，主動(dòng)從生活中尋找證據(jù)，促進(jìn)對(duì)概念的深入理解。

4? ? 激發(fā)批判思維，提高創(chuàng)新能力

批判思維是依據(jù)一定的理論對(duì)結(jié)論進(jìn)行重新思考和質(zhì)疑的科學(xué)思維過(guò)程，在解決問(wèn)題的基礎(chǔ)上重新建構(gòu)問(wèn)題，屬于高階認(rèn)知技能。創(chuàng)新是獲得全新的解決問(wèn)題的方法的過(guò)程。只有在質(zhì)疑、批判的驅(qū)動(dòng)下，才能積極自主地進(jìn)行創(chuàng)新思考。

【案例6】 必修2：功率概念的建構(gòu)

教師引導(dǎo)學(xué)生用批判的眼光審視功率的概念，以此產(chǎn)生對(duì)功率新的認(rèn)識(shí)，在潛移默化中提高創(chuàng)新能力，可參考如下教學(xué)片段：

師：在功率概念的表述中，我們?yōu)槭裁从霉與完成這些功所用時(shí)間t的比值定義功率呢？我們能不能用時(shí)間t與功W的比值來(lái)表示做功的快慢呢？如果能，教材中為什么不這樣定義？高中物理中還有哪些概念的定義與此相似？請(qǐng)同學(xué)們思考、辨析。

經(jīng)歷過(guò)這樣的質(zhì)疑，加深學(xué)生對(duì)功率概念的理解，促進(jìn)了思維的發(fā)展，開拓了解決問(wèn)題的新途徑。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

教材是教師教學(xué)的指揮棒，教師要在物理課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，深入分析和挖掘教材在建立物理概念過(guò)程中所呈現(xiàn)的模型建構(gòu)邏輯、科學(xué)方法、推理論證過(guò)程、批判思維，設(shè)計(jì)好教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)情境，并提出精準(zhǔn)的物理問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生去主動(dòng)思考、積極探索，摒棄傳統(tǒng)的自導(dǎo)自演的教學(xué)模式，將學(xué)生置于主體地位，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究，相互交流與討論，提出自己的觀點(diǎn)，并在教師指引下自我修正，最終形成科學(xué)理論知識(shí)和學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生在建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程中產(chǎn)生思維變化，達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)思維能力的目的。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯? ? 趙保鋼）