巧用典型實(shí)例培養(yǎng)科學(xué)思維能力

沈溢男

(福建省詔安第一中學(xué) 363500)

高中物理是一門(mén)比較抽象難學(xué)的學(xué)科，要想提高物理教學(xué)的有效性，就要提高學(xué)生的科學(xué)思維能力.科學(xué)思維能力的提高不僅能幫助學(xué)生更好地理解高中物理中的抽象問(wèn)題，也能有效提高學(xué)生解題能力.

觀察、實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合，是物理學(xué)科的基本特征.科學(xué)思維是具有意識(shí)的人腦對(duì)科學(xué)事物(包括科學(xué)對(duì)象、科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)過(guò)程、科學(xué)事實(shí)等)的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物之間的相互聯(lián)系和關(guān)系的間接與概括的反映，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容.模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新是構(gòu)成科學(xué)思維的主要成分.在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師應(yīng)當(dāng)不失時(shí)機(jī)地創(chuàng)設(shè)情境培養(yǎng)科學(xué)思維能力.在與學(xué)生的交流過(guò)程當(dāng)中，教師也莫要局限于解題方面的問(wèn)題，對(duì)于學(xué)生提出的物理知識(shí)相關(guān)疑問(wèn)，要以科學(xué)的態(tài)度引領(lǐng)學(xué)生探究問(wèn)題、認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)規(guī)律.筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)淺談高中物理教學(xué)中幾個(gè)有助培養(yǎng)科學(xué)思維能力的實(shí)例.

魯科版高中物理必修1《重力與重心》一節(jié)中的“重心與穩(wěn)定”是一個(gè)與實(shí)際生活聯(lián)系比較緊密的知識(shí)點(diǎn).筆者認(rèn)為這個(gè)內(nèi)容不僅應(yīng)當(dāng)講清物理原理，也應(yīng)當(dāng)分析好實(shí)際案例，更應(yīng)當(dāng)解答好學(xué)生提出的疑問(wèn).重心是一個(gè)以等效思維為基礎(chǔ)的概念：研究重力對(duì)物體作用效果時(shí)，把物體各部分受到的重力視為集中作用在某一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是重心.首先要強(qiáng)調(diào)等效性.當(dāng)力作用在一個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)的物體上時(shí)，力是分布在整個(gè)體積中的，而非一個(gè)點(diǎn).但是為更好的量化研究力，我們提出重心這個(gè)抽象概念：力被認(rèn)為集中在這個(gè)點(diǎn)上.當(dāng)力集中在這個(gè)點(diǎn)上時(shí)的效果和實(shí)際的效果一致.其次，從以上分析可知，重心的選擇不是任意的.質(zhì)量分布均勻的物體，重心在幾何中心；質(zhì)量分布不均勻的物體，重心不僅與物體形狀有關(guān)，也與質(zhì)量分布有關(guān).再進(jìn)一步向?qū)W生發(fā)問(wèn)：我們是否可以改變重心位置？答案是肯定的.在這個(gè)一問(wèn)一答中，學(xué)生對(duì)重心的認(rèn)識(shí)從初中物理解題過(guò)程中的“找?guī)缀沃行摹鄙仙揭粋€(gè)更準(zhǔn)確的認(rèn)知水平，同時(shí)深刻認(rèn)識(shí)等效思維在物理研究中的意義.以上抽象理論如何形象化是這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)需要攻破的一個(gè)難點(diǎn).教師請(qǐng)學(xué)生以填充的方式改變不倒翁實(shí)驗(yàn)套件的重心.在學(xué)生活動(dòng)環(huán)節(jié)后，展示出幾個(gè)不同的結(jié)果.在展示過(guò)程中，哪個(gè)套件是不倒翁，哪個(gè)不倒翁最穩(wěn)定，一目了然.我們引導(dǎo)學(xué)生分析這些套件里填充物和填充方式的差異，可以總結(jié)：重心越低，物體越穩(wěn)定.在抽象理論、形象案例、實(shí)踐操作、比較分析、概括總結(jié)后，教師組織學(xué)生閱讀討論教材中“古代汲水瓶”.以上探索的是關(guān)于重心高低如何影響穩(wěn)定性大小的問(wèn)題.在教材中，還有一段探討物體是否能穩(wěn)定的內(nèi)容.以磚塊的穩(wěn)定與傾倒為例，得出一個(gè)結(jié)論：重力作用線(xiàn)落在它的支持面內(nèi)時(shí)，物體穩(wěn)定；重力作用線(xiàn)落在支持面外時(shí)傾倒.這里出現(xiàn)了一個(gè)新的用詞“支持面”.學(xué)生在以往的物理學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常接觸的是“接觸面”.這兩個(gè)用語(yǔ)是否有區(qū)別呢?有，而且必須和學(xué)生闡述、區(qū)分清楚.支持面是接觸點(diǎn)連線(xiàn)所圍起來(lái)的平面，而接觸面是接觸點(diǎn)的聚合.一張四腳椅子與地面的接觸面是四個(gè)椅腿的橫截面；支持面是這四個(gè)椅腳連線(xiàn)圍起來(lái)的平面.如果教師在解讀教材或者教學(xué)過(guò)程中沒(méi)有注意這個(gè)細(xì)節(jié)，就會(huì)給學(xué)生帶來(lái)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí).抽象性與形象性的統(tǒng)一是科學(xué)思維的特征之一，在抽象概念、抽象模型的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，詳盡的案例分析、有意義的實(shí)踐操作、對(duì)學(xué)生疑惑的關(guān)注是推進(jìn)教學(xué)過(guò)程、培養(yǎng)科學(xué)思維能力的有益要素.

學(xué)生觀察工地上的塔吊，應(yīng)用重心與穩(wěn)定的相關(guān)科學(xué)理論推理知：塔吊在工作時(shí)的整體重力作用線(xiàn)過(guò)底座支持面.同時(shí)也產(chǎn)生了疑問(wèn)：應(yīng)用初中學(xué)習(xí)的杠桿原理分析，塔吊空載時(shí)，不改變配重塊就難以平衡；然而事實(shí)是塔吊空載和滿(mǎn)載時(shí)用的是同一個(gè)配重塊.這是一個(gè)與生產(chǎn)聯(lián)系緊密但很少出現(xiàn)在高中習(xí)題中的質(zhì)疑.這是不是一個(gè)有意義的質(zhì)疑呢？我認(rèn)為是：應(yīng)用原來(lái)掌握的科學(xué)理論分析問(wèn)題發(fā)現(xiàn)了矛盾.這可能是對(duì)原有認(rèn)知再升級(jí)的一次機(jī)會(huì)，也可能是創(chuàng)新創(chuàng)造的萌芽.對(duì)于有意義的質(zhì)疑，教師應(yīng)當(dāng)給予重視；對(duì)于提出有意義質(zhì)疑的學(xué)生，教師應(yīng)當(dāng)在指導(dǎo)的同時(shí)給予思考的空間.教師讓學(xué)生說(shuō)一說(shuō)他的推理過(guò)程：配重塊的重力力矩與載重的重力力矩相等是平衡的條件，其中支點(diǎn)在塔身上的駕駛室位置.這個(gè)物理模型是初中經(jīng)典的模型.而塔吊可以應(yīng)用這個(gè)模型嗎？首先，塔吊自身的重不可忽略；其次，我們假設(shè)塔吊傾倒，發(fā)現(xiàn)塔吊在空載時(shí)臨界平衡的支點(diǎn)與塔吊滿(mǎn)載時(shí)臨界平衡的支點(diǎn)不是同一點(diǎn)；再者，塔吊本身(不包括貨物和配重塊)的重心是在塔身之外的.在這樣的糾正性分析過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原先邏輯上不周全的細(xì)節(jié)，然后重新應(yīng)用杠桿原理分析.在沒(méi)有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)測(cè)量的情況下，學(xué)生力不從心，這是高一學(xué)生從初中物理過(guò)渡到高中物理遇到的煩惱之一.教師鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆?hào)表達(dá)物理量，構(gòu)建物理模型，推理論證.最后學(xué)生得到結(jié)論：當(dāng)配重塊的重在一定范圍內(nèi)時(shí)，塔吊在滿(mǎn)載和空載時(shí)都不會(huì)傾倒；也可以說(shuō)，不同的滿(mǎn)載值對(duì)應(yīng)著不同的配重塊標(biāo)準(zhǔn)范圍.在高中教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生這個(gè)關(guān)于杠桿原理的質(zhì)疑看似與高中物理關(guān)聯(lián)不大.但是這個(gè)質(zhì)疑可貴的是學(xué)生質(zhì)疑和思考這個(gè)行為.教師通過(guò)這個(gè)指導(dǎo)和解疑所達(dá)到的效果是：讓學(xué)生重新認(rèn)識(shí)杠桿原理；完善學(xué)生的邏輯思維、提高學(xué)生的論證能力；勇于在沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況構(gòu)建數(shù)學(xué)模型解答物理問(wèn)題.科學(xué)思維是從物理學(xué)視角客觀事物的本質(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)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程，是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化，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、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì).

近年來(lái)人工智能受到高度關(guān)注和重視，人工智能機(jī)器人走進(jìn)校園社團(tuán)和工作室.人們從對(duì)機(jī)器人的幻想與憧憬到真正使用人工智能產(chǎn)品，只經(jīng)歷了短短幾十年.很多人工智能產(chǎn)品的消費(fèi)者認(rèn)為這僅僅是IT行業(yè)的發(fā)展結(jié)果.然而，每項(xiàng)技術(shù)都具有綜合性——涉及多個(gè)學(xué)科.人工智能的關(guān)鍵是感覺(jué)器官——傳感器系統(tǒng)，這是一個(gè)把其它物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置.傳感器的簡(jiǎn)單使用是高考大綱的一個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn).在魯科版物理選修3-2中，有一個(gè)設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易溫度報(bào)警器的實(shí)驗(yàn).在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，這部分內(nèi)容由于各種原因受重視程度有待提高.在人工智能飛速發(fā)展的大環(huán)境下，近幾年的高考實(shí)驗(yàn)題中頻頻出現(xiàn)傳感器裝置.筆者認(rèn)為我們應(yīng)當(dāng)重視這個(gè)教學(xué)內(nèi)容.科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新.質(zhì)疑創(chuàng)新的核心是科學(xué)創(chuàng)造力，高中生的科學(xué)創(chuàng)造力主要表現(xiàn)在觀察與實(shí)驗(yàn)、物理知識(shí)的學(xué)習(xí)、物理問(wèn)題的提出、物理問(wèn)題的解決、物理創(chuàng)造活動(dòng)等方面.學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)能夠認(rèn)識(shí)到：傳感器是一類(lèi)有各種各樣功能的電學(xué)裝置；而要在高考實(shí)驗(yàn)題中靈活且恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用傳感器設(shè)計(jì)電路就需要切身體驗(yàn).筆者在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)操作前，教師展示電磁繼電器，結(jié)合多媒體投影介紹繼電器的工作原理和功能.教材中列出以下器材：電磁繼電器、電鈴、小燈泡、熱敏電阻、干電池、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān).在設(shè)計(jì)和操作過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電鈴(或燈泡)和熱敏電阻皆需要一個(gè)電源.這是實(shí)踐操作的效果：從理論到實(shí)踐上理解繼電器的工作原理.學(xué)生通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器得到理想的結(jié)果：電吹風(fēng)吹熱風(fēng)時(shí)電鈴響起；散熱后，電鈴不響.當(dāng)我們換另一檔熱風(fēng)時(shí)，需要重新調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器才能達(dá)到這個(gè)效果.分析總結(jié)：在不同的溫度下，熱敏電阻表現(xiàn)出不同的電阻，因此在不同溫度下，需串聯(lián)不同的阻值才能形成等量電流，以達(dá)到相同的感應(yīng)效果.人工智能產(chǎn)品中傳感器皆是此類(lèi)電路的集合，人們正在享用的傳感器多是調(diào)試了可變電阻后的產(chǎn)品.在這樣的實(shí)驗(yàn)過(guò)程以后，學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)才從抽象發(fā)展為具體化，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)或是高考的實(shí)驗(yàn)題中才能應(yīng)用自如.

在高中物理教學(xué)過(guò)程中，有許許多多培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)環(huán)節(jié)和契機(jī).教師不僅要充分解讀教材并做教學(xué)設(shè)計(jì)，也要關(guān)注學(xué)生的質(zhì)疑，更要與時(shí)俱進(jìn)、給學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造潛能的平臺(tái).