“科學(xué)思維”素養(yǎng)提升策略
——以“科學(xué)探究”為教學(xué)主線

張嘉弘

(浙江省海寧市第一中學(xué) 浙江 嘉興 314400)

1 問(wèn)題緣由

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》指出：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，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)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(jiàn)解的能力與品格[1].

《SOLO分類(lèi)評(píng)價(jià)理論》把思維層次分成了5個(gè)層次，即前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和抽象拓展結(jié)構(gòu)，前3個(gè)層次是基礎(chǔ)知識(shí)的積累，而后兩個(gè)層次是思維能力的飛躍.絕大多數(shù)試題的要求都在關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平層次.

因此，科學(xué)思維的提升是新課標(biāo)的基本要求，也是目前物理選考的選拔要求，更是培養(yǎng)21世紀(jì)創(chuàng)新人才的保證.如何扎實(shí)做好核心素養(yǎng)的全面落地，如何提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)教學(xué)的重中之重.

本文選擇“晾衣架模型的研究”一課為例，借助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，以“科學(xué)探究”為教學(xué)主線，逐步引導(dǎo)學(xué)生深入思考，試圖在科學(xué)論證、科學(xué)推理、模型構(gòu)建、質(zhì)疑創(chuàng)新[1]4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，以幫助學(xué)生的思維層次盡可能達(dá)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平及以上.

2 素養(yǎng)提升策略

以“科學(xué)探究”為教學(xué)主線的“科學(xué)思維”素養(yǎng)提升具體策略如下.

2.1 基于“問(wèn)題情境制造”的探究論證促進(jìn)策略

問(wèn)題是學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，把問(wèn)題置于學(xué)生所熟悉的實(shí)際場(chǎng)景之中，并利用突出關(guān)鍵要素的模型器件呈現(xiàn)于教室，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的積極性，打破思維的平衡狀態(tài)，促進(jìn)進(jìn)一步探究論證，提升科學(xué)思維的敏感性.

教學(xué)片段1：

展示情境：如圖1所示，晾曬衣服的繩子輕且光滑，懸掛衣服的衣架的掛鉤也是光滑的，輕繩兩端分別固定在兩根豎直桿上的A和B兩點(diǎn)，衣服處于靜止?fàn)顟B(tài).

圖1 晾曬衣服情境圖

提出問(wèn)題：如果保持繩子A端位置不變，將B端分別上下移動(dòng)或水平移動(dòng)到不同的位置，輕繩上的張力會(huì)如何變化？?jī)蓚?cè)輕繩與豎直方向的夾角是否相等，是否會(huì)因B端的移動(dòng)而發(fā)生變化？

學(xué)生對(duì)于此類(lèi)情景還是比較熟悉的，就此各自思考，提出自己的見(jiàn)解.

展示教具：晾衣架模型演示儀.

學(xué)生對(duì)于這個(gè)新鮮的事物很感興趣，直接提出要用這個(gè)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量.

根據(jù)學(xué)生的要求，首先研究B端水平移動(dòng)時(shí)的情況，發(fā)現(xiàn)猜想與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很吻合，探究的熱情進(jìn)一步高漲.

接下來(lái)，研究B端上下移動(dòng)的情況，分別測(cè)量左側(cè)細(xì)繩與豎直方向夾角為60°、45°、30°、25°時(shí)，右側(cè)細(xì)繩與豎直方向夾角以及兩側(cè)細(xì)繩的張力大小，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表4所示.

(a)θ左=60°

(b)θ左=45°

(c)θ左=30°

(d)θ左=25°

表1 左側(cè)繩與豎直方向夾角為60°時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 左側(cè)繩與豎直方向夾角為45°時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 左側(cè)繩與豎直方向夾角為30°時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 左側(cè)繩與豎直方向夾角為25°時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)：在誤差允許的范圍內(nèi)，B端上下移動(dòng)時(shí)，兩側(cè)細(xì)繩與豎直方向的夾角相等且保持不變，同時(shí)兩側(cè)細(xì)繩的張力也相等且保持不變.

點(diǎn)評(píng)：人不能長(zhǎng)期容忍認(rèn)知心理不平衡，都有填補(bǔ)空白、解決問(wèn)題的認(rèn)知本能，通過(guò)情境制造，引發(fā)認(rèn)知沖突，有利于觸發(fā)學(xué)生思考的敏感點(diǎn)，讓學(xué)生的思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，從而帶著要一探究竟的迫切心情積極融入到課堂中去，而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材的呈現(xiàn)與利用，進(jìn)一步點(diǎn)燃探究、論證的熱情，促進(jìn)了思維的進(jìn)一步發(fā)展.

2.2 基于“理論支撐尋求”的科學(xué)推理強(qiáng)化策略

一切外在的現(xiàn)象都有其內(nèi)在規(guī)律，在不斷的分析與綜合、概括與抽象中，一步一步地進(jìn)行演繹推導(dǎo)，享受從“半定量的現(xiàn)象觀察”到“定量的理論確認(rèn)”的轉(zhuǎn)化過(guò)程，在找出規(guī)律所在、形成結(jié)論的過(guò)程中，提升科學(xué)思維的嚴(yán)密性.

教學(xué)片段2：

提出問(wèn)題：通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些特別的現(xiàn)象，也驗(yàn)證了之前的一些猜想，那么是怎樣的物理規(guī)律在支配著這種現(xiàn)象呢？

請(qǐng)大家運(yùn)用我們所學(xué)過(guò)的一些知識(shí)，通過(guò)理論推演，去一起尋找現(xiàn)象背后又隱藏著的物理規(guī)律吧.

學(xué)生分小組討論，尋找規(guī)律，交流互動(dòng)，分享成果.

小組1：當(dāng)整體靜止在任意位置時(shí)，對(duì)整體進(jìn)行受力分析(圖3)，通過(guò)正交分解，列平衡方程得

F左cosθ左+F右cosθ右=mg

F左sinθ左=F右sinθ右

圖3 正交分解圖

在不計(jì)滑輪質(zhì)量及摩擦的情況下，F(xiàn)左=F右.

求解得

θ左=θ右

結(jié)論：當(dāng)動(dòng)端左右、上下移動(dòng)時(shí)，兩側(cè)細(xì)繩與豎直方向的夾角總是相等的，兩側(cè)細(xì)繩的張力也相等.

小組2：如圖4所示，設(shè)細(xì)繩長(zhǎng)為S,兩端點(diǎn)之間的水平距離為L(zhǎng), 兩邊細(xì)繩與豎直方向的夾角為θ，利用幾何關(guān)系得

圖4 幾何關(guān)系圖

結(jié)論：無(wú)論動(dòng)端如何上下移動(dòng)，只要水平方向距離不變，兩邊細(xì)繩與豎直方向的夾角θ就不會(huì)變化.

點(diǎn)評(píng)：通過(guò)小組討論與理論推導(dǎo)，不僅把現(xiàn)實(shí)情境與物理理論高度關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)轉(zhuǎn)變，并且通過(guò)小組之間分享經(jīng)驗(yàn)、共享成果，相互彌補(bǔ)不足，修補(bǔ)各自的思維漏洞，對(duì)于思維的嚴(yán)密性會(huì)有較大的提升.

2.3 基于“事物本質(zhì)挖掘”的理想模型構(gòu)建策略

模型構(gòu)建是作為一種認(rèn)識(shí)手段[2]，是對(duì)客觀事物本質(zhì)特征和共同屬性的抽象與概括的過(guò)程，而作為一種思維方式，有助于幫助學(xué)生抓住關(guān)鍵要素，加深對(duì)概念、過(guò)程和系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)建模的思維意識(shí)和能力，提升科學(xué)思維的系統(tǒng)性.

教學(xué)片段3：

教師提問(wèn)：

(1)通過(guò)剛才的實(shí)驗(yàn)探究和理論推導(dǎo)，請(qǐng)同學(xué)總結(jié)一下這種裝置的形成方式？

(2)這種裝置的力學(xué)特點(diǎn)是怎樣的？

學(xué)生回答：

(1)這種裝置由繩跨過(guò)滑輪或繩子上掛一光滑的掛鉤而形成，如圖5所示.

圖5 “活結(jié)”結(jié)構(gòu)圖

(2)滑輪兩邊的繩子的力相等，繩子與豎直方向的夾角相等，也就是說(shuō)兩邊細(xì)繩的合力一定在角平分線上.

教師歸納總結(jié)：

這種裝置可以看成繩子間的一種光滑連接，可以理解為把繩子分成兩段，且可以沿繩子移動(dòng)的結(jié)點(diǎn)，物理上稱(chēng)之為“活結(jié)”，雖然繩子因活結(jié)而彎曲，但實(shí)際上是同一根繩子，所以結(jié)的兩邊同一繩上的張力相等.

教師隨之拿出另一種裝置，如圖6所示，用相同的方式演示動(dòng)端上下、左右移動(dòng)時(shí)，繩子上張力的變化，以及兩邊細(xì)繩與豎直方向的夾角變化，如圖7所示.

圖6 “死結(jié)”裝置圖

(a)θ左=90°，θ右=60°

(b)θ左=60°，θ右=60°

(c)θ左=60°，θ右=30°

教師提問(wèn)：通過(guò)觀察現(xiàn)象，說(shuō)明裝置的形成方式以及概括裝置的力學(xué)特點(diǎn).

學(xué)生回答：繩子打“結(jié)”后系在某點(diǎn)而形成，“結(jié)點(diǎn)”兩邊繩子的力不一定相等，與豎直方向的夾角也不一定相等.

師生共同總結(jié)：

這種裝置可以看成繩子間的一種固定連接，可以理解為把繩子分成兩段，且不可以沿繩子移動(dòng)的結(jié)點(diǎn)，物理上稱(chēng)之為“死結(jié)”，由于兩側(cè)的繩子因打結(jié)而變成兩根獨(dú)立的繩子，所以結(jié)的兩邊繩子上的張力不一定相等.

點(diǎn)評(píng)：物理事物和現(xiàn)象是豐富生動(dòng)的，是本質(zhì)特征與非本質(zhì)特征的綜合體，由于外顯的非本質(zhì)特征常常阻礙學(xué)生對(duì)本質(zhì)特征的認(rèn)識(shí)，通過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生思考總結(jié)，從現(xiàn)實(shí)具體的事物中抽象概括出本質(zhì)，并通過(guò)對(duì)比順應(yīng)引出相對(duì)應(yīng)的另一種模型，在建模的過(guò)程中，有助于學(xué)生形成對(duì)科學(xué)事物立體的、完整的認(rèn)識(shí)，思維的系統(tǒng)性得到了進(jìn)一步提升.

2.4 基于“探究過(guò)程回顧”的質(zhì)疑創(chuàng)新引導(dǎo)策略

質(zhì)疑創(chuàng)新的核心是科學(xué)創(chuàng)造力，從物理學(xué)習(xí)和活動(dòng)的角度來(lái)看主要是觀察與實(shí)驗(yàn)，物理問(wèn)題的提出、解決以及物理創(chuàng)造等方面[2]，通過(guò)回顧探究過(guò)程，審視其中的細(xì)節(jié)，重新發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出改進(jìn)方式，有助于幫助學(xué)生提高大膽質(zhì)疑的思維能力，多角度思考問(wèn)題，提升科學(xué)思維的創(chuàng)造性.

教學(xué)片段4：

教師提問(wèn)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、理論推導(dǎo)和模型構(gòu)建，在這個(gè)過(guò)程中，已經(jīng)全面地認(rèn)識(shí)了晾衣架這個(gè)裝置，利用裝置測(cè)量了一些數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)確實(shí)證實(shí)了我們之前的部分猜測(cè)，那么這些數(shù)據(jù)的可靠性如何，大家是否考慮過(guò)？

學(xué)生回答：通過(guò)理論推導(dǎo)，知道了所掛重物的重力與兩側(cè)繩子張力的關(guān)系，只要通過(guò)重力就可測(cè)算出兩側(cè)繩子張力的理論值，比較理論值和測(cè)量值的差異就可知繩子張力數(shù)據(jù)的可靠性了.

活動(dòng)：分小組研究.

小組3：利用傳感器所測(cè)拉力為F傳感，利用共點(diǎn)力平衡G=2F理論cosθ，求得的拉力為F理論，數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 小組3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)論：測(cè)量值F傳感均小于理論值F理論，且θ測(cè)量越小，相對(duì)誤差越大.

教師提問(wèn)：為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？是力傳感器測(cè)量問(wèn)題？還是其他問(wèn)題？

學(xué)生討論分析：

傳感器測(cè)量是很準(zhǔn)確的，不應(yīng)該有測(cè)量問(wèn)題，理論值是按照所測(cè)量的角度計(jì)算所得，角度測(cè)量可能有問(wèn)題.

教師提問(wèn)：角度測(cè)量的問(wèn)題受到測(cè)量角度的儀器設(shè)計(jì)以及測(cè)量者的讀數(shù)兩方面原因影響，那么這里影響角度測(cè)量的主要因素是什么呢？

學(xué)生思考分析：

按表格所示的結(jié)果看，測(cè)量值F傳感均小于理論值F理論，應(yīng)該是系統(tǒng)誤差，若是偶然誤差，測(cè)量值不會(huì)出現(xiàn)一致性的偏小問(wèn)題.

教師：請(qǐng)大家思考系統(tǒng)誤差是怎么形成的呢？研究一下角度測(cè)量的裝置，如圖8所示.

(a)

(b)

(c)

學(xué)生分小組觀察、思考、討論.(教師巡視引導(dǎo))

小組4：兩細(xì)繩延長(zhǎng)線的交點(diǎn)應(yīng)該是角度測(cè)量裝置的中心，但是由于隨著角度的改變，這個(gè)交點(diǎn)是在上下移動(dòng)的，而角度測(cè)量裝置的中心是固定的，在這個(gè)裝置上，動(dòng)滑輪的底端與角度測(cè)量裝置的中心重合，所以只有θ=90°時(shí)，測(cè)量值才與真實(shí)值相等，其他角度下，測(cè)量值均大于真實(shí)值，也就是θ測(cè)量是偏大的，導(dǎo)致F理論偏大.

教師幾何畫(huà)板動(dòng)態(tài)演示，如圖9所示，肯定學(xué)生的研究結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在角度較小的情況下，誤差是相對(duì)較大的，隨著角度的增大，誤差會(huì)越來(lái)越小.

(a)

(b)

運(yùn)用幾何畫(huà)板的角度測(cè)量功能，找出測(cè)量值與真實(shí)值得對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示，并在表6中修正測(cè)量值.實(shí)驗(yàn)裝置滑輪半徑是0.64 cm.

圖10 數(shù)據(jù)對(duì)照?qǐng)D

表6 修正測(cè)量值

教師歸納：對(duì)比修正前和修正后的表中數(shù)據(jù)，修正了理論值之后，傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)確實(shí)是真實(shí)可靠的，角度的測(cè)量由于裝置設(shè)計(jì)問(wèn)題，確實(shí)存在誤差，但是之前的問(wèn)題探究恰好是左右兩側(cè)角度對(duì)稱(chēng)，所以雖然測(cè)量值有一定的誤差，但是不影響數(shù)據(jù)的比較，探究的定性結(jié)論科學(xué)性沒(méi)有問(wèn)題.

教師提問(wèn)：可不可以改進(jìn)裝置，讓角度測(cè)量的誤差減小呢？

學(xué)生回答：讓動(dòng)滑輪半徑減小，若是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，兩細(xì)繩延長(zhǎng)線的交點(diǎn)就和角度測(cè)量裝置的中心在任何角度下都是完全重合，那么角度測(cè)量值與真實(shí)值也就重合了.

教師對(duì)學(xué)生的想法表示肯定，再次通過(guò)幾何畫(huà)板動(dòng)態(tài)演示，如圖11所示，在減小動(dòng)滑輪半徑的情況下，測(cè)量值與真實(shí)值確實(shí)逐漸接近，當(dāng)動(dòng)滑輪半徑趨向于零時(shí)，測(cè)量值與真實(shí)值完全重合.

圖11 半徑變化圖

學(xué)生建議：在實(shí)際的裝置中，不可能讓動(dòng)滑輪半徑趨向于零，讓幾何畫(huà)板配合裝置，就能修正角度測(cè)量值，就算動(dòng)滑輪半徑再大一點(diǎn)，也是可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量的.

教師總結(jié)：隨著時(shí)代的發(fā)展，可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)全面輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，讓實(shí)驗(yàn)測(cè)量更加完美.

點(diǎn)評(píng)：通過(guò)“教師引導(dǎo)啟發(fā)—回顧研究過(guò)程—質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)—發(fā)現(xiàn)深層問(wèn)題—討論本質(zhì)原因—提出創(chuàng)新建議”這樣一種模式，讓學(xué)生多角度、全方位、深層次地思考問(wèn)題，從而創(chuàng)造性地提出自己的建議，去改善原有的裝置結(jié)構(gòu)或測(cè)量方式，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的提升.

3 反思與感悟

以“科學(xué)探究”為教學(xué)主線的“科學(xué)思維”素養(yǎng)提升策略的實(shí)施應(yīng)關(guān)注以下3個(gè)關(guān)鍵方面.

3.1 以學(xué)生“已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)”為教學(xué)起點(diǎn)

任何形式的思維提升都建立在原有思維能力的基礎(chǔ)之上，通過(guò)制造與學(xué)生經(jīng)歷相關(guān)的情境，才能觸及思維的最近發(fā)展區(qū)，幫助學(xué)生融入課堂思考，為科學(xué)思維的提升創(chuàng)造條件.

3.2 以學(xué)生“參與有效的探究活動(dòng)”為教學(xué)時(shí)空

思維活動(dòng)的外在表現(xiàn)就是實(shí)踐探究活動(dòng)，通過(guò)教師為主導(dǎo)的探究式教學(xué)，讓課堂以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心，在學(xué)生參與有效的探究活動(dòng)中[3]，發(fā)展思維的敏感性、嚴(yán)密性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性等，為科學(xué)思維的提升奠定基礎(chǔ).

3.3 以學(xué)生“科學(xué)思維素養(yǎng)的落實(shí)”為教學(xué)根本

教學(xué)本身是一項(xiàng)高度個(gè)性化和創(chuàng)造性的活動(dòng)[3]，課堂教學(xué)的形式可以變化，但是必須有一定的原則，那就是必須以科學(xué)思維素養(yǎng)的落實(shí)為根本，教師可以在這個(gè)大前提下進(jìn)行自由發(fā)揮，盡其所能，為科學(xué)思維的提升提供保障.

總之，在教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，應(yīng)讓學(xué)生成為課堂的主體，教師全力輔助學(xué)生投入到課堂的思考中去，實(shí)現(xiàn)以提升科學(xué)思維為根本的物理課堂教學(xué).