以科學(xué)思維整合高中重點物理知識的教學(xué)研究

覃揮光

摘? ?要：科學(xué)思維是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它是一種通過比較與分類、演繹與歸納、分析與綜合、抽象與概括來促進(jìn)知識整合的大腦活動過程。通過分析整合物理知識在強化物理方法、激發(fā)物理思維和生成物理思想三方面的意義，說明知識整合的重要性。根據(jù)整合物理知識的機理，梳理出三種知識整合的類型：直線型、有中心網(wǎng)絡(luò)型和無中心網(wǎng)絡(luò)型。并以高中物理電場知識整合為案例，具體說明如何運用知識整合的三種類型，探索物理知識整合的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；教學(xué)研究；知識整合

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0007-5

物理知識在物理學(xué)中居于基礎(chǔ)與核心地位。一般而言，物理學(xué)家通過建立物理模型、引入相應(yīng)的物理量描述，經(jīng)推理論證以及實驗探索等科學(xué)方法得出具有規(guī)律性的結(jié)論。在這一過程中，相應(yīng)的物理概念（物理量）和物理規(guī)律就是最基本的物理知識。由此可見，單獨聚焦于物理知識，則不免是孤立零碎的，需要用科學(xué)思維把物理知識充分整合，從而加強人們對物理學(xué)的整體理解，促進(jìn)素養(yǎng)形成。

知識整合教學(xué)理論是由馬西婭·Ｃ·林發(fā)展出來的一套教學(xué)理論。他認(rèn)為每個學(xué)生來到課堂之前都帶著來源于他們對日常生活經(jīng)驗的思考和推理形成的某些想法，這些想法是他們學(xué)習(xí)新知識的首要資源。知識整合教學(xué)理論的核心目標(biāo)是尊重學(xué)生原有的想法，并將其與新的想法進(jìn)行對比，以幫助學(xué)生形成連貫性的科學(xué)理解［１］。知識整合教學(xué)的一般性過程為：誘出、添加、辨分、反思與整理；科學(xué)思維是分析綜合、抽象概括、推理論證的邏輯演繹過程，能將學(xué)習(xí)者碎片化的知識轉(zhuǎn)化為連貫性想法，促進(jìn)知識整合。

1? ? 整合物理知識的意義

物理課堂教學(xué)中，傳授知識和方法比較容易，生成物理思想、物理觀念，發(fā)展物理思維則較為困難。在物理知識的教學(xué)中，應(yīng)“誘出”學(xué)生已有知識，通過整合、不斷強化物理方法、激發(fā)物理思維、生成物理思想，實現(xiàn)知識與方法、思維與技能、思想與觀念三個層級的逐層遞進(jìn)，將使知識更有價值，同時提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

1.1? ? 整合物理知識強化物理方法

物理方法是人們在認(rèn)識和改造客觀世界的實踐活動中總結(jié)出來的思維方式，是人們認(rèn)識和改造自然的有效工具，對物理知識的建構(gòu)有著重要作用。物理教學(xué)中常用的物理方法有比值定義法、控制變量法、分解方法等。整合物理知識很多時候就是對物理方法的不斷運用，在不斷應(yīng)用物理方法的過程中自然強化物理方法。比如，很多概念都是用比值法來定義的，把這些用比值法定義的概念整合起來，可以更清楚地理解比值定義法，強化比值定義法等科學(xué)方法。

1.2? ? 整合物理知識激發(fā)物理思維

物理思維是科學(xué)思維在物理學(xué)上的一種展現(xiàn)形式，物理知識整合過程中往往需要模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維活動，學(xué)生在這些思維活動中得出新知識，同時也提高了自己的思維能力。

在知識整合過程中，讓學(xué)生通過分析、辯論等誘發(fā)物理思維的活動，在不斷的思想“碰撞”中，激發(fā)出思維“火花”。例如，在電場強度的教學(xué)過程中，“誘出”學(xué)生已知的密度定義方式（比值法），創(chuàng)設(shè)不同試探電荷位于電場中不同位置的情境，讓學(xué)生研究試探電荷所受靜電力大小和電荷量的關(guān)系。在這個研究過程中，學(xué)生的思維在“碰撞”，最后概括出靜電力與電荷量成正比的特點，抽象出靜電力和其電荷量之比與試探電荷無關(guān)的特征，使學(xué)生對電場強度概念理解得更好，激發(fā)學(xué)生思考用比值法定義的其他物理量是否也具有同樣特點。

1.3? ? 整合物理知識生成物理思想

“物理思想是在物理學(xué)發(fā)展過程中，由物理學(xué)共同體對物理知識、物理方法進(jìn)一步概括而形成的關(guān)于物理學(xué)本質(zhì)的深層認(rèn)識，包括以下內(nèi)容：對稱思想、守恒思想、可逆思想、等效思想、假說思想、比較思想等?！保郏玻菟槠貍魇谥R往往使得物理思想沒有凸顯的機會，通過物理知識整合將有助于物理思想在宏觀和整體意義上得以彰顯。例如，在學(xué)習(xí)豎直上拋運動的時候，通過分析、計算之后可以得到：物體上去又回到原來位置的時候，它的速度具有對稱關(guān)系；而帶電粒子在電場中運動，粒子速度減速到零之后，又加速回到原來位置，同樣具有對稱關(guān)系，通過整合這樣類似的知識，我們可以將其生成物理思想（對稱思想），在解決物理習(xí)題或物理問題時非常實用。

這道題目中，有了對稱思想，可以很容易地知道小球從Ｍ點到達(dá)同一直線上的Ｎ點，水平方向上具有相同大小的速度，即在Ｎ點的速度ｖ分解到水平位置必等于ｖ０，知道了這點，才能解決這道題。物體在“場”中運動，經(jīng)過同一高度（等勢面），“場力”不做功，具有對稱性，把重力場、電場、復(fù)合場等類似的知識整合后生成對稱思想，這樣的整合非常有意義，既幫助學(xué)習(xí)者掌握物理思想，又為他們解決問題提供一條高效的思路。

2? ? 科學(xué)思維整合物理知識的機理

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是人類大腦活動的過程，它不是毫無章法的狂想，要按照合理的規(guī)則進(jìn)行規(guī)范，必須具有邏輯性。而有邏輯性的思維過程包含以下三種最為基本的方法：演繹、歸納和類比。從演繹、歸納和類比三種方法中，我們可以得出“科學(xué)思維本質(zhì)上是邏輯思維在科學(xué)探索活動中的應(yīng)用，科學(xué)思維是應(yīng)用的邏輯思維”［３］。

知識整合的一般教學(xué)過程包括誘出、添加、辨分、反思與整理。可以這么理解：教學(xué)過程中，在學(xué)習(xí)新知識之前先“誘出”學(xué)生頭腦中基于經(jīng)驗對該知識已有的認(rèn)識，經(jīng)過演繹、類比和歸納等科學(xué)思維的邏輯性梳理，達(dá)到重新對“已有認(rèn)識”的理解或生成新的知識［２］。知識整合的過程就是人腦活動的思維方式之一，是邏輯思維的具體應(yīng)用，要真正完成對某些知識的整合，必然有科學(xué)思維在其中起促進(jìn)作用，這是科學(xué)思維的本質(zhì)使然。具有邏輯性的物理知識整合過程，正是科學(xué)思維整合物理知識的機理。

從科學(xué)思維對知識整合的機理來看，可以分為三種類型：

（1）直線型。誘出學(xué)生的原有知識，通過添加相似知識，然后再進(jìn)行辨分，最后歸納整理出新的知識。這種類型一般在新課教學(xué)中使用，它體現(xiàn)知識整合的一般過程，融合了演繹、類比和歸納的科學(xué)思維，如圖2所示。

（2）有中心網(wǎng)絡(luò)型。圍繞某一個學(xué)生熟悉、理解透徹的核心知識，通過它統(tǒng)攝、凝聚學(xué)生已經(jīng)學(xué)過但不太熟練的知識，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生更好地理解知識、存儲知識，如圖3所示。

（3）無中心網(wǎng)絡(luò)型。也可以是沒有核心知識統(tǒng)攝，而將幾個知識用演繹、類比和歸納等方法進(jìn)行整合，用科學(xué)思維加強知識間的相互聯(lián)系，找出記憶的核心，方便存儲于大腦中，如圖4所示。

這種類型每個知識是平行的，無核心知識，但卻有一個無形的“核心”在組織它們，即可以歸納出每個知識點的共同之處。

從三個圖中可以看出，知識整合過程離不開科學(xué)思維，要通過分析、綜合、抽象、概括、比較、判斷、假設(shè)、推理、直覺、想象等思維方式，才能真正整合知識。

3? ? 以科學(xué)思維整合高中物理電場知識案例分析

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的物理觀念包含：物質(zhì)觀、運動與相互作用觀、能量觀。其中的物質(zhì)觀告訴人們，物質(zhì)包含看得見和看不見兩類，或者是宏觀物質(zhì)和微觀物質(zhì)，又或者是物質(zhì)和“場”。

電場知識是學(xué)生第一次研究“看不見摸不著”的物質(zhì)，學(xué)生理解起來比較困難，屬于高中重點物理知識。我們用科學(xué)思維把電場知識整合起來，可以幫助初學(xué)者理解這個“新生物”，同時又將在其中運動的帶電粒子和宏觀物體的運動與相互作用觀、能量觀聯(lián)系起來，降低初學(xué)者學(xué)習(xí)的難度，實現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

3.1? ? 類比整合“發(fā)現(xiàn)”電場存在

教學(xué)過程：

“誘出”：學(xué)生已經(jīng)知道同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，也就是沒有直接接觸的兩個電荷會有力的作用。

“添加”：現(xiàn)實生活中，我們很容易得出兩個物體間力的作用有兩種方式，一種是直接作用（接觸），一種是間接作用（不接觸）。間接作用，就是要借助第三個物體。比如說，路人甲對物體乙要有力的作用，可以直接用手掌打一下，也可以拿一條長棍打一下。

“辨分”：很明顯，兩個電荷之間的作用是間接作用，它們必須要借助第三者，才能有力的作用，這個第三者是看不見摸不著的，科學(xué)家們把看不見摸不著的物質(zhì)，都叫作“場”。

“反思與整理”：磁鐵之間相互作用的第三者叫作磁場，當(dāng)然，電荷之間相互作用的第三者叫作電場。

通過誘出、添加、辨分、反思與整理的整合過程，我們“發(fā)現(xiàn)”了電場的存在。這樣具有邏輯性的推理過程，正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)思維過程，這樣的過程有利于學(xué)生理解知識，激發(fā)物理思想，形成“場”的觀念，屬于直線型。

3.2? ? 模型建構(gòu)引出電勢能的表達(dá)式

３.3? ? 邏輯推理整合電場知識

由圖１1可知，用來描述電場力的性質(zhì)的物理量Ｅ，簡單地乘以d就可以得出描述電場能的性質(zhì)的物理量。對于d的不同理解分別得到了電勢和電勢差，再乘以ｑ就分別得出電勢能和電場力做的功。功和能之間有等量關(guān)系，這就構(gòu)成了一張“網(wǎng)”，整合了電場的知識。在這個過程中，以比較容易理解的電場強度Ｅ為核心知識，運用了科學(xué)思維的核心內(nèi)容——演繹和歸納來促進(jìn)知識的整合，屬于有中心網(wǎng)絡(luò)型，使學(xué)生對看不見摸不著的場的理論有更深的認(rèn)知。

4? ? 總結(jié)與反思

初中物理教學(xué)根植于實驗歸納和形象思維，而高中物理教學(xué)根植于邏輯演繹和實驗歸納，側(cè)重科學(xué)思維。高中重點物理知識整合是在遵守三個基本原則（過程的邏輯性、方法的辯證性、綜合的一致性）的基礎(chǔ)上運用比較與分類、演繹與歸納、分析與綜合、抽象與概括得出的一張“邏輯網(wǎng)”。這張網(wǎng)是以學(xué)生原有的知識作為新知識的生長點，引導(dǎo)學(xué)生從原有知識中生成出新的知識為縱線，以培養(yǎng)學(xué)生的演繹思維能力為橫線的“智慧網(wǎng)”。在構(gòu)“網(wǎng)”過程中，以類比激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，歸納整理出新的知識，體會收獲的喜悅。而科學(xué)思維由于它本身的特點，能夠促進(jìn)知識的整合，經(jīng)常用科學(xué)思維的演繹、歸納、類比等方法，去整合重點知識，反過來也能促進(jìn)思維的發(fā)展，這就是所謂的“戶樞不蠹”，在整合知識的過程中，激發(fā)思維的創(chuàng)新，對物理知識的認(rèn)知會更加深刻。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）