發(fā)展“科學(xué)思維”素養(yǎng)的探索與思考
——以“伽利略對自由落體運動的研究”教學(xué)為例

徐衛(wèi)華

(南通市教育科學(xué)研究院,江蘇 南通 226001)

隨著新課程改革的進一步深化,“核心素養(yǎng)”成為了教育熱詞,對于物理學(xué)科而言,物理核心素養(yǎng)則反映的是物理學(xué)習(xí)和知識內(nèi)化過程中帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),其要素包含“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面,核心素養(yǎng)的發(fā)展離不開這其中的任何一個方面．本文選擇“科學(xué)思維”這一視角進行分析,“思維”即通常所說的“思考”,新課標(biāo)中“科學(xué)思維”要素,本質(zhì)包含“情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識、質(zhì)疑創(chuàng)新”等方面．因此,發(fā)展科學(xué)思維是學(xué)生在研究物理問題時運用科學(xué)的思想與方法對問題所給的已知信息進行加工,最終獲得新信息的思考過程．注重“科學(xué)思維”的高中物理教學(xué),知識、概念是學(xué)習(xí)活動的載體而并非目標(biāo),其目標(biāo)在于能夠找到認識和研究自己所處世界的科學(xué)方法,實現(xiàn)素養(yǎng)的提升．本文結(jié)合具體的教學(xué)案例,就如何以“科學(xué)思維”主導(dǎo)高中物理教學(xué)架構(gòu)．

1 以“科學(xué)思維”主導(dǎo)高中物理教學(xué)架構(gòu)

物理并非只是概念、規(guī)律、理論及其它們形成的知識結(jié)構(gòu),與物理知識相比,科學(xué)思維更能體現(xiàn)人類理性和智慧,對于問題的研究與解決具有更為廣泛的遷移效應(yīng)．為此,筆者認為高中物理教學(xué)可以以科學(xué)思維為主導(dǎo)組織課程教學(xué)架構(gòu),借此實現(xiàn)物理知識學(xué)習(xí)與物理核心素養(yǎng)同步發(fā)展．

以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),知識是載體,學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo),通過創(chuàng)設(shè)知識學(xué)習(xí)情境,引導(dǎo)學(xué)生在研究具體問題的過程中實現(xiàn)“情境轉(zhuǎn)換、現(xiàn)象分析、證據(jù)意識、質(zhì)疑創(chuàng)新”,體驗、內(nèi)化科學(xué)家研究自然所運用的科學(xué)思想與方法,然后再創(chuàng)設(shè)知識應(yīng)用情境,引導(dǎo)學(xué)生在應(yīng)用物理思想與方法解決問題的過程中形成穩(wěn)定的科學(xué)思維．整個過程中,學(xué)生不僅有科學(xué)思維的發(fā)展,在物理核心素養(yǎng)的其他3個方面也協(xié)同提升．

以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),可以分為以下幾個環(huán)節(jié).

環(huán)節(jié)1:文化重演．文化重演提升學(xué)生“情境轉(zhuǎn)換”的思維水平,引導(dǎo)學(xué)生走近前人思考物理知識和探索物理規(guī)律的起源,即為什么要建立這樣的概念?在這一概念或規(guī)律建立前,解決問題時遇到了怎樣的困難?在情境轉(zhuǎn)換中,同時有初步的“質(zhì)疑創(chuàng)新”思維的參與．

環(huán)節(jié)2:邏輯推理．科學(xué)思維的發(fā)展以物理知識、實驗、理論等作為支撐,邏輯推理的過程是“現(xiàn)象分析”的過程,以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu)領(lǐng)引學(xué)生進行必要的邏輯推理,讓學(xué)生感受到科學(xué)思維的力量．

環(huán)節(jié)3:科學(xué)猜想．這是學(xué)生創(chuàng)新思維發(fā)展的重要環(huán)節(jié),科學(xué)猜想不是主觀臆斷,“證據(jù)意識”在此過程中得到充分的體現(xiàn),是基于邏輯推理后破舊立新的發(fā)端,通過該環(huán)節(jié)能夠展現(xiàn)科學(xué)思維的魅力．

環(huán)節(jié)4:構(gòu)思實驗．這是基于前3個環(huán)節(jié)后創(chuàng)新思維的展現(xiàn),構(gòu)思實驗是“質(zhì)疑創(chuàng)新”的集中體現(xiàn)．構(gòu)思實驗的方法有很多,通常可以引領(lǐng)學(xué)生采用置換背景的方式．物理規(guī)律的建立基于實驗基礎(chǔ),以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu)讓學(xué)生自主構(gòu)思實驗,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理思想與方法解決問題,有助于激活并形成穩(wěn)定的科學(xué)思維．

下面,筆者結(jié)合人教版必修1物理教材第2章第6節(jié)“伽利略對自由落體運動的研究”進行教學(xué)案例分析．

2 教學(xué)案例——伽利略對自由落體運動的研究

2.1 基于科學(xué)思維發(fā)展的教材分析

教材分析是教學(xué)設(shè)計的重要內(nèi)容之一,教師要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實際確定教學(xué)內(nèi)容,并在核心素養(yǎng)指引下分析教材內(nèi)容的設(shè)計特點,進而實現(xiàn)有效整合．以科學(xué)思維為主導(dǎo)的教學(xué)架構(gòu),首先從科學(xué)思維的角度研究教材內(nèi)容．

本節(jié)課的主要內(nèi)容可以概述為“破而后立”,教材介紹了伽利略從邏輯的角度否定了亞里士多德對落體運動的認識,在此基礎(chǔ)上提出自己的觀點,并通過科學(xué)實驗以及數(shù)學(xué)推理進行了證實．

本節(jié)內(nèi)容承接“自由落體運動”一節(jié),學(xué)生已經(jīng)對運動規(guī)律有了正確的認識,再回溯理論的發(fā)現(xiàn)過程有何意義呢?筆者認為,教材這樣設(shè)計的目的不再是對運動規(guī)律的探索,而是要讓學(xué)生重新置身于伽利略所處的歷史年代,讓學(xué)生深刻思考并感悟伽利略探索的整個過程,從中發(fā)現(xiàn)隱含在其中的科學(xué)思想和方法．

教師教學(xué)時,往往把它作為閱讀材料讓學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)．筆者認為,教材編寫組既然以獨立的章節(jié)來呈現(xiàn)這節(jié)內(nèi)容,其目的就是對學(xué)生進行方法引導(dǎo),引導(dǎo)學(xué)生感悟物理研究思想的價值．就自由落體運動的規(guī)律探索而言,在現(xiàn)在的技術(shù)條件下,很多操作是相當(dāng)簡單的,對應(yīng)現(xiàn)象也是一目了然,因此對思維培養(yǎng)的力度相對較?。?如果將理論建立的過程放在伽利略的時代,不完備的概念框架,再加上粗陋的實驗條件,要讓問題得以解決,就必須充分發(fā)揮思維的力量,比如伽利略采用反證法發(fā)現(xiàn)亞里士多德觀點的謬誤,用科學(xué)猜想和數(shù)學(xué)方法探索出正確的規(guī)律.這些都值得我們在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生加以揣摩和探索,從中感悟科學(xué)思想的光輝．

2.2 以科學(xué)思維主導(dǎo)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容并不陌生,如果教師的引導(dǎo)不夠恰當(dāng),很容易讓學(xué)生的思維陷入停滯,他們只會被動地獲取學(xué)習(xí)信息,卻不能積極主動地進行思考.這顯然是教學(xué)過程中必須要極力避免的．因此教師要巧妙設(shè)計課堂活動,有效促進學(xué)生的思維發(fā)展．

環(huán)節(jié)1:文化重演——“情境轉(zhuǎn)換”中追溯謬誤產(chǎn)生的根源.

問題情境1:有關(guān)落體運動的特點,亞里士多德、伽利略分別給出了怎樣的結(jié)論?

學(xué)生簡單思考,給出回答:亞里士多德認為物體下落的快慢由其重量來決定,物體越重,下落的越快;伽利略則認為物體下落的快慢與其重量沒有關(guān)系,重的物體和輕的物體下落得一樣快．

問題情境2:課前,教師讓學(xué)生帶調(diào)查問卷(圖1)回家請家長完成,能夠歸納出怎樣的結(jié)論呢?

學(xué)生交流調(diào)查結(jié)果,匯總發(fā)現(xiàn)不少家長依然給出和亞里士多德一樣的結(jié)論,所給出的理由主要是對生活經(jīng)驗的直接總結(jié)．

調(diào)查問卷

家長您好，我們正在進行一項研究，需要了解大家對“物理下落現(xiàn)象的認知程度”.所以懇請您花幾分鐘時間幫助我們回答以下兩個問題，本問卷不記名，但是希望得知答卷人的年齡學(xué)歷和職業(yè)，所有數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計分析，請您放心填寫，謝謝您的幫助.

圖1

師:亞里士多德結(jié)論從而何來?現(xiàn)在仍有許多人堅持這一觀點,原因是什么?

生:這些錯誤結(jié)論源于對自然現(xiàn)象的直接觀察和總結(jié),沒有經(jīng)過詳細的分析和比較,這是其錯誤的原因．

師:伽利略如何論證亞里士多德的觀點是錯誤的?

生:采用邏輯推理和科學(xué)實驗等研究方法．

設(shè)計思路:科學(xué)思維對應(yīng)著科學(xué)的認知活動,是對感性素材進行加工和處理的基本過程．亞里士多德理論的錯誤性就在于其認識太過感性,引導(dǎo)學(xué)生探索這些問題就是要讓學(xué)生領(lǐng)會到科學(xué)思維的實質(zhì)．當(dāng)學(xué)生明晰這一點之后,教師再引導(dǎo)學(xué)生將思維導(dǎo)向伽利略的探索過程,讓學(xué)生以更加理性的思維展開分析和研究,這對學(xué)生的思維發(fā)展大有裨益．

環(huán)節(jié)2:邏輯推理——“現(xiàn)象分析”中展示科學(xué)思維的力量.

問題情境:請大家自主閱讀教材內(nèi)容,簡述伽利略否定亞里士多德觀點的基本操作．

學(xué)生思考并進行討論,給出以下結(jié)論:伽利略從亞里士多德的觀點出發(fā),指出如果大石頭的下落速度快,小石頭下落的速度慢,如果將二者捆綁在一起,則大石頭運動會被小石頭拖慢,因此整體速度會比大石頭小一些;但是整個捆綁在一起時,其總重量變大,則速度又應(yīng)該大于之前的大石頭速度．這種自相矛盾的結(jié)論,說明亞里士多德的觀點是錯誤的．

師:上述研究方法有什么特點呢?

生:先認為某種觀點是正確的,然后由此延伸出去得出自相矛盾的結(jié)論,進而確認原先觀點的錯誤,這是反證法．

師:在此基礎(chǔ)上,伽利略有沒有提出自己的觀點?

生:有,他認為輕重物體下落時應(yīng)該一樣快．

設(shè)計思路:伽利略推翻亞里士多德有關(guān)落體運動規(guī)律的結(jié)論在物理學(xué)史上是一個大事件.這充分彰顯了科學(xué)思維的力量,同時也從側(cè)面指明科學(xué)理論的第一準則就是自洽性．學(xué)生對這段史實并不陌生,如果由教師來重新講述這段歷史,學(xué)生只會感到索然無味,直接讓學(xué)生自主閱讀,并進行總結(jié),反而有助于學(xué)生自發(fā)體會其中的思維力量．此外,反證法是最能體現(xiàn)思維嚴謹性的科學(xué)方法,這一方法在物理教學(xué)中還有廣泛的運用,比如有關(guān)等勢面與電場線的關(guān)系研究、靜電平衡規(guī)律探索等等都有所涉及,在此引導(dǎo)學(xué)生進行方法總結(jié)是很有必要的．

環(huán)節(jié)3:科學(xué)猜想——“證據(jù)意識”下展現(xiàn)科學(xué)思維的魅力.

問題情境:伽利略指出輕重物體下落同樣快之后,是否止步于此了呢?

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容,回顧伽利略的探索過程,并在對話中引導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)思維的強大魅力．

師:伽利略在研究過程中首先遇到的困難是什么?

生:伽利略首先遇到的困難是概念上的缺失．為了更加有效地完成研究,伽利略建立了描述運動所需要的概念,包括平均速度、瞬時速度和加速度等等．

師:伽利略對落體運動的規(guī)律有何猜想呢?

生:伽利略相信,自然規(guī)律是簡潔明了的．據(jù)此,他提出落體運動是一種最簡單的變速運動,即速度變化是均勻的．

師:如何描述這種“均勻”?

生:伽利略有兩種設(shè)想,其一是速度隨時間均勻變化,其二是速度隨位移均勻變化．但是如果采用后一種觀點,則只會讓運動變得更加復(fù)雜,伽利略采用了第一個設(shè)想．

設(shè)計思路:科學(xué)猜想不是胡亂臆想,它是科學(xué)思維的重要結(jié)晶．我們指導(dǎo)學(xué)生研究伽利略的探索過程,就要指導(dǎo)學(xué)生體會伽利略研究過程中的整個猜想思路．在上述設(shè)計中,學(xué)生先體會到伽利略建構(gòu)物理概念的重要意義,然后再分析猜想提出的過程,教師要讓學(xué)生明確伽利略猜想的形成緣由．

環(huán)節(jié)4:置換背景——“質(zhì)疑創(chuàng)新”中推高穩(wěn)定的思維水平.

問題情境:猜想是否成立,伽利略是如何通過實驗來檢驗的呢?

伽利略當(dāng)時的實驗條件相當(dāng)簡陋,也正因為如此,科學(xué)思維在其中發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用,教師要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)身處地回到當(dāng)時的背景,引導(dǎo)學(xué)生明確伽利略問題處理的困難,引導(dǎo)學(xué)生在思考中重新領(lǐng)會伽利略實驗設(shè)計的閃光點．

師:伽利略在實驗設(shè)計中遇到哪些困難?

生:在當(dāng)時的技術(shù)條件下,伽利略無法準確地測定物體運動的速度;且計時手段也非常簡陋,不足以記錄落體運動發(fā)生的時間．

師:伽利略是如何克服困難的呢?

生:雖然無法測定速度,但是伽利略采用數(shù)學(xué)手段,確認如果速度與時間成正比,則位移就正比于時間的平方,以此可以完成對猜想的證明．另外,考慮到落體運動的進程太快,伽利略在斜面上進行實驗,以此來沖淡重力的影響,延緩運動發(fā)生的時間．實驗結(jié)論表明,物體在斜面上的運動確實是勻變速直線運動．

師:上述結(jié)論是在斜面上實驗得到的,怎樣得出落體運動的規(guī)律呢?

生:伽利略對已有結(jié)論進行了合理外推,即逐步增大斜面的角度,當(dāng)角度趨近于90°時,運動場景就是落體運動,因此可以明確這一結(jié)論也適用于落體運動．

最后,我們教師可以進一步拓展,如果按照現(xiàn)在的實驗條件,你會如何進行實驗方案的設(shè)計?(可以作為作業(yè)布置給學(xué)生去課后思考,促進學(xué)生內(nèi)化前面學(xué)習(xí)的研究勻變速直線運動規(guī)律的實驗方法與思想,同時學(xué)生又能夠升華伽利略的研究過程,感受科學(xué)思維的魅力)

設(shè)計思路:伽利略對落體運動的探索開創(chuàng)了人們將實驗探究和數(shù)學(xué)推理整合起來研究物理的先河,其中蘊含著豐富的科學(xué)思維內(nèi)涵．在教學(xué)過程中,教師要注意指導(dǎo)學(xué)生分析伽利略實驗中所面臨的困難,并由此來領(lǐng)會伽利略設(shè)計的精妙之處,從中收獲思維的啟迪．

3 科學(xué)思維素養(yǎng)培養(yǎng)的思考

如何更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維,是眾多物理教師在教學(xué)中一直在思考和探索的．物理習(xí)題的解答,探究問題的解決,實踐活動的實施等等,這些都可以成為學(xué)生思維發(fā)展的重要平臺．那么在常態(tài)化的物理課堂上,我們還有那些細節(jié)值得進一步發(fā)掘,以便對學(xué)生的思維發(fā)展起到更好地促動呢?

3.1 重視物理學(xué)史在科學(xué)思維培養(yǎng)中的價值

物理學(xué)史記載著物理理論的發(fā)展進程,其中每一項突破都對應(yīng)著科學(xué)家超凡的智慧和靈動的思維,我們在教學(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生回溯歷史,重新經(jīng)歷科學(xué)家發(fā)現(xiàn)結(jié)論的過程,讓學(xué)生感受知識背后的方法和思想．

借助學(xué)史內(nèi)容來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),關(guān)鍵要讓學(xué)生重新回到當(dāng)時的歷史背景下,明確理論突破的重要意義,感受探索過程的艱難．事實上,如果脫離了歷史背景來感受物理規(guī)律的形成,學(xué)生將很難體會科學(xué)思維的力量．

比如,伽利略推翻亞里士多德有關(guān)落體運動的觀點,這不但需要智慧,更需要勇氣,因為當(dāng)時亞里士多德的理論在西方文明中占據(jù)著主導(dǎo)性到位,伽利略所做的工作必須要從思維的角度,一針見血地指明問題的存在,這樣的處理才能彰顯科學(xué)思維的強大力量,學(xué)生才能真正獲得觸動．

3.2 領(lǐng)會物理實驗對科學(xué)思維培養(yǎng)的意義

在核心素養(yǎng)的框架下,科學(xué)探究與科學(xué)思維本是一組平等的存在,但是兩者又相互交融,共同推動著理論的發(fā)展．在物理教學(xué)中,教師要善于引領(lǐng)學(xué)生感悟?qū)嶒炘O(shè)計的內(nèi)在意義,讓學(xué)生深刻領(lǐng)會思維浸潤其中,并以此讓學(xué)生的思維得到培養(yǎng)．

筆者一直認為,高中物理實驗不單純只是操作,更多應(yīng)該是設(shè)計、改進、分析,以及實驗過程中的問題處理,而這些都對應(yīng)著科學(xué)思維運用．

比如,伽利略為什么用斜面實驗間接進行研究,如何進行合理外推等等,這些都是科學(xué)思維的體現(xiàn)．我們在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生分析這些內(nèi)容,就是在對學(xué)生的思維進行發(fā)掘和培養(yǎng),也是對學(xué)生探究意識的發(fā)展．

3.3 在互動與對話中激活學(xué)生的思維

高中物理教學(xué)中,科學(xué)思維有沉靜的一面,更有火熱的一面．面對一個物理問題,我們強調(diào)學(xué)生能夠靜下心來深度思考,更要通過對話與互動進行激發(fā)和促動．教師要通過問題設(shè)計激活學(xué)生的思維,讓學(xué)生主動展開探索和研究,并在學(xué)生的思維陷入僵局時,對學(xué)生予以必要的點撥,幫助學(xué)生突破思維障礙．

互動與對話對學(xué)生的思維發(fā)展意義重大,教師不僅要通過自己的力量引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思維,同時也要指導(dǎo)學(xué)生在生生、師生互動中碰撞思維,引導(dǎo)學(xué)生更新思維方法,提升思維品質(zhì)．