物理科學(xué)思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

梁俊敏

【摘 要】本文在闡明物理科學(xué)思維的內(nèi)涵及其基本要素的基礎(chǔ)上，以“拋繡球”運(yùn)動為例，闡述培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的方法，以提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】物理 科學(xué)思維 培養(yǎng)策略

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）01B-0143-02

“拋繡球”運(yùn)動作為一項(xiàng)廣西民族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目而走進(jìn)校園，其物理運(yùn)動規(guī)律為斜向上拋體運(yùn)動。本文以“拋繡球”運(yùn)動為教學(xué)內(nèi)容，以物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維培養(yǎng)為教學(xué)研究對象，通過采取小組合作交流的課堂教學(xué)形式，探討培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)思維素養(yǎng)教學(xué)策略，以提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決問題的能力。

一、物理科學(xué)思維的內(nèi)涵

（一）物理科學(xué)思維的內(nèi)涵

物理核心素養(yǎng)包含物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。其中，科學(xué)思維是指從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。

（二）物理科學(xué)思維的基體要素

科學(xué)思維包含四個(gè)組成部分，分別是建構(gòu)理想模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新。

1.理想模型。理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體，分為對象模型、條件模型和過程模型三類。對象模型是用來代替研究對象實(shí)體的理想化模型，如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、理想變壓器、點(diǎn)光源、光線、薄透鏡以及關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的盧瑟福模型、波爾模型等。條件模型是把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型。如光滑表面、輕桿、輕繩、均勻介質(zhì)、均強(qiáng)電場和均強(qiáng)磁場等。過程模型是由于實(shí)際的物理過程都是諸多因素作用的結(jié)果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型。學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中，要學(xué)會對物理現(xiàn)象、物體運(yùn)動等物理問題建立與之對應(yīng)的理想模型，從而抓住問題的主要因素，忽略次要因素。建構(gòu)理想模型是物理研究的重要手段。

2.科學(xué)推理?？茖W(xué)推理是一種方法。物理學(xué)中，常常有難以達(dá)到條件的時(shí)候，這時(shí)，常常需要借助將實(shí)驗(yàn)想象為理想情況下的實(shí)驗(yàn)，以此來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，并在?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上經(jīng)過概括、抽象、推理得出規(guī)律，這種研究問題的方法就叫科學(xué)推理法。比如高中物理中的牛頓第一定律就是通過科學(xué)推理，在模擬出沒有摩擦力的環(huán)境下，物體將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

3.科學(xué)論證。

科學(xué)論證是一種方法?？茖W(xué)論證法是指事實(shí)論證、道理論證、正反對比論證、比喻論證、事例論證等多種論證方式的總稱。在高中物理學(xué)習(xí)中，常常都會用到這些論證方式。

事實(shí)論證是一種從材料到觀點(diǎn)，從個(gè)別到一般的論證方法，是從對許多個(gè)別事物的分析和研究中歸納出一個(gè)共同的結(jié)論的推理形式。

理論論證的邏輯形式是演繹推理，就是將歸納所得的論點(diǎn)，用人類已知的科學(xué)原理去論證。

比較論證是一種由個(gè)別到個(gè)別的論證方法，分為類比法和對比法兩類。

因果論證是根據(jù)客觀事物之間都具有這種普遍的和必然的因果聯(lián)系的規(guī)律性，通過提示原因來論證結(jié)果的方法。有時(shí)某種結(jié)果是由多種原因引起的，這時(shí)就必須分析和抓住其中的主要原因，提示引起結(jié)果的本質(zhì)的核心的因素來論證論點(diǎn)。

道理論證是運(yùn)用講道理的方法，用被人們公認(rèn)的科學(xué)原理、定理、公式等來證明觀點(diǎn)的方法。

高中物理教材中設(shè)置的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，就是讓學(xué)生通過動手實(shí)驗(yàn)，在體驗(yàn)和感受實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會運(yùn)用理論論證、事實(shí)論證等方法。高中物理學(xué)習(xí)中，在物理概念的建構(gòu)過程、物理規(guī)律的探索過程中，讓學(xué)生知道物理知識及其運(yùn)用的思維方法。通過各種類型的題型訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用科學(xué)論證的各種方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4.質(zhì)疑創(chuàng)新。質(zhì)疑是提出疑問，創(chuàng)新是指以現(xiàn)有的思維模式提出有別于常規(guī)或常人思路的見解為導(dǎo)向，利用現(xiàn)有的知識和物質(zhì)，在特定的環(huán)境中，本著理想化需要或?yàn)闈M足社會需求，而改進(jìn)或創(chuàng)造新的事物、方法、元素、路徑、環(huán)境，并能獲得一定有益效果的行為。

二、“拋繡球”運(yùn)動與科學(xué)思維培養(yǎng)的聯(lián)系

（一）“拋繡球”運(yùn)動簡介

“拋繡球”作為廣西民族傳統(tǒng)體育運(yùn)動項(xiàng)目之一，已經(jīng)進(jìn)入日常體育課教學(xué)活動中。其比賽要求是將繡球以一定的角度和合適的速度拋出，使其準(zhǔn)確地穿過所設(shè)置的投球圈?！皰伬C球”的投球圈是在豎直的一根高 9 m 的桿的頂上安上的一個(gè)直徑為 1 m 的圓圈。

（二）“拋繡球”運(yùn)動的物體運(yùn)動規(guī)律

高中物理課本把物體以一定的初速度斜向上或者斜向下拋出，只有重力作用的運(yùn)動定義為拋體運(yùn)動。在不考慮其他力的影響下，“拋繡球”運(yùn)動可以看成斜向上的拋體運(yùn)動。

斜向上的拋體運(yùn)動可以分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動和豎直方向的豎直上拋運(yùn)動。水平方向運(yùn)動的位移與時(shí)間規(guī)律為 x=vt；豎直方向位移與時(shí)間規(guī)律為 y=v0t+at2，其中 a 為加速度；豎直方向速度與時(shí)間規(guī)律為 vt=v0+at。在這個(gè)過程中 a=g，g 為重力加速度。

（三）“拋繡球”運(yùn)動與科學(xué)思維的培養(yǎng)

1.理想模型建構(gòu)的培養(yǎng)?！皰伬C球”運(yùn)動是一項(xiàng)受諸多因素影響的運(yùn)動，如受氣流、場地因素等影響，同時(shí)也受球自身的因素、球在運(yùn)動過程的因素等影響。建構(gòu)“拋繡球”運(yùn)動理想模型，即把繡球看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并忽略外界影響因素，如氣流、場地等。認(rèn)為繡球在運(yùn)動過程中只受重力作用，建構(gòu)“拋繡球”運(yùn)動的條件模型。根據(jù)“拋繡球”運(yùn)動軌跡，建構(gòu)“拋繡球”運(yùn)動的曲線過程模型。

2.科學(xué)推理的培養(yǎng)。學(xué)生在實(shí)際“拋繡球”運(yùn)動中觀察到的繡球運(yùn)動是類似斜向上拋體運(yùn)動，因此可以把研究“拋繡球”運(yùn)動的問題推理為斜向上拋體運(yùn)動問題。然后讓學(xué)生用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的平拋運(yùn)動知識，解決這個(gè)斜向上拋體運(yùn)動問題。

3.科學(xué)論證（計(jì)算）的培養(yǎng)。學(xué)生在體育課或者比賽中見過或進(jìn)行過“拋繡球”運(yùn)動，容易知道“拋繡球”運(yùn)動的運(yùn)動軌跡是曲線運(yùn)動。建構(gòu)模型，對“拋繡球”運(yùn)動進(jìn)行受力分析，對其拋出的初速度大小和方向進(jìn)行論證和計(jì)算，得出繡球的初速度的范圍及方向。

4.質(zhì)疑創(chuàng)新的培養(yǎng)。發(fā)生在學(xué)生身邊的物理現(xiàn)象有很多，怎樣去把這些現(xiàn)象進(jìn)行提煉出來，再運(yùn)用所學(xué)物理知識加以解決，這就需要有質(zhì)疑與創(chuàng)新精神。

“拋繡球”運(yùn)動為什么能當(dāng)作斜向上拋體運(yùn)動呢？如何解決繡球初速度大小的問題呢？這些都是需要學(xué)生運(yùn)用物理知識去解決的問題，也讓學(xué)生從中知道，如何更好地求解出與具有實(shí)際指導(dǎo)意義的結(jié)論?！皰伬C球”運(yùn)動的模型建構(gòu)、分析、解答的過程，其本身就是對學(xué)生進(jìn)行質(zhì)疑和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、 在“拋繡球”運(yùn)動課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的過程

（一）以物體運(yùn)動情景再現(xiàn)和分析培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)理想模型能力

課堂教學(xué)時(shí)，播放民族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目“拋繡球”運(yùn)動的錄像，讓學(xué)生對“拋繡球”運(yùn)動進(jìn)行完整觀察。組織學(xué)生對觀察到的“拋繡球”運(yùn)動現(xiàn)象的運(yùn)動物體、運(yùn)動軌跡、受力情況進(jìn)行分析，列舉影響“拋繡球”運(yùn)動的各種因素以及這些因素對物體運(yùn)動的影響。分析這些因素，找到主要因素和次要因素，構(gòu)建“拋繡球”運(yùn)動的理想運(yùn)動模型。

（二）以“拋繡球”運(yùn)動性質(zhì)分析培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力

學(xué)生對斜向上拋體運(yùn)動了解不多，但對平拋運(yùn)動的了解有一定基礎(chǔ)。經(jīng)過理想化之后，圍繞“拋繡球”運(yùn)動全過程，分析繡球的曲線運(yùn)動軌跡，推理得出“拋繡球”運(yùn)動是斜向上拋體運(yùn)動。斜向上拋體運(yùn)動有一個(gè)上升和下落過程，物體在最高點(diǎn)只有水平方向的速度，其下落過程是平拋運(yùn)動，而物體上升階段為平拋運(yùn)動的逆過程。推理出解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)是求物體上升到最高點(diǎn)時(shí)的速度。因此，課堂教學(xué)中讓學(xué)生抓住起點(diǎn)、最高點(diǎn)和落地點(diǎn)的速度，結(jié)合平拋運(yùn)動知識，推導(dǎo)出運(yùn)動規(guī)律。

（三）以“拋繡球”運(yùn)動相關(guān)計(jì)算培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力

“拋繡球”運(yùn)動中的投球圈的直徑為 1 m，因而讓學(xué)生考慮投球圈的直徑對問題解決的影響。學(xué)生在進(jìn)行探究討論后，形成結(jié)論：把投球圈的最低處和最高處分別設(shè)置為繡球運(yùn)動最低點(diǎn)和最高點(diǎn)，明確“拋繡球”運(yùn)動中的速度不是某個(gè)值，而是一個(gè)取值范圍，運(yùn)動時(shí)間也相應(yīng)為一個(gè)取值范圍。

明確斜向上拋體運(yùn)動問題可以用平拋運(yùn)動的規(guī)律進(jìn)行解決，組織學(xué)生對“拋繡球”運(yùn)動進(jìn)行分解，分析運(yùn)動中物理量的變化，尋找解決“拋繡球”運(yùn)動的主要物理量。學(xué)生通過分析，得出在水平方向上，繡球能穿越投球圈最低點(diǎn)和最高點(diǎn)都各有一個(gè)水平速度。考慮到繡球剛好碰到投球圈的最低點(diǎn)或最高點(diǎn)情形，因此其初速度在豎直方向上有一個(gè)豎直向上的速度范圍。不在此速度范圍的繡球，會因?yàn)樗俣忍』蛱蠖鴱耐肚蛉Φ紫禄蝽斏巷w出。

通過對“拋繡球”運(yùn)動的物理量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)研究的物理量有物體運(yùn)動的時(shí)間、位移和速度。而速度，不僅有大小變化，而且還有方向（角度）的變化?？紤]到此，學(xué)生提出將對速度研究中的角度變化作為學(xué)生課余探究內(nèi)容，把物體運(yùn)動的時(shí)間、位移和速度大小變化作為課堂中探究的內(nèi)容。

（四）以問題為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力

在進(jìn)行“拋繡球”運(yùn)動分析解答過程中，以“拋繡球”運(yùn)動是怎樣的物體運(yùn)動、可以用什么物理規(guī)律解決、針對投球圈會對“拋繡球”運(yùn)動有什么影響、應(yīng)該著重計(jì)算哪些物理量、身邊還有哪些類似“拋繡球”運(yùn)動等進(jìn)行問題設(shè)置，讓學(xué)生以小組為單位對提出的問題進(jìn)行思考、分析、交流、討論，形成結(jié)論并提出可行的解決辦法，最終得出正確結(jié)果。通過問題拓展，如對投籃、飛鏢等物體運(yùn)動進(jìn)行類比，將“拋繡球”運(yùn)動的研究進(jìn)行延伸。

四、課堂教學(xué)中科學(xué)思維培養(yǎng)的思考

如何在課堂上進(jìn)行物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，一直是物理課堂教學(xué)中探討的問題。本節(jié)在課堂上組織學(xué)生通過對“拋繡球”運(yùn)動進(jìn)行分析，運(yùn)用學(xué)生已學(xué)的平拋運(yùn)動的規(guī)律，解答斜向上拋體運(yùn)動的問題。這不僅有效解決拋體運(yùn)動，而且為學(xué)生在物理學(xué)習(xí)和物理問題探究中提供科學(xué)的解決思路與方法。課堂教學(xué)中，采取了小組合作形式對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行探究，使小組之間、學(xué)生之間進(jìn)行互動，并使學(xué)生主動參與到學(xué)習(xí)探討中，從運(yùn)動的性質(zhì)和規(guī)律對“拋繡球”運(yùn)動進(jìn)行分析，從而掌握斜向上拋體運(yùn)動的解決方法，從而觸類旁通，掌握拋體運(yùn)動規(guī)律。

（責(zé)編 盧建龍）