在物理復(fù)習(xí)課中提升學(xué)生的科學(xué)思維能力
——以力學(xué)實驗復(fù)習(xí)為例

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100052)

2013年教育部啟動了普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，將提升學(xué)生的核心素養(yǎng)作為高中課程目標(biāo)。核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面構(gòu)成。如何培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，成為物理教師關(guān)注的問題，其中的一個焦點就是科學(xué)思維。課程標(biāo)準(zhǔn)指出：科學(xué)思維是從物理學(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)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。

復(fù)習(xí)課是提升學(xué)生科學(xué)思維的一個很好契機，因為在復(fù)習(xí)階段學(xué)生已經(jīng)具備一定的知識基礎(chǔ)，教師如果能夠設(shè)計出良好的問題，指導(dǎo)學(xué)生對物理觀念進行歸納、總結(jié)，形成相互關(guān)聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)，能給學(xué)生提供分析、解決問題的機會，并做好示范，就能對提升學(xué)生的科學(xué)思維能力有良好的促進作用。下面以力學(xué)實驗復(fù)習(xí)為例，談?wù)劰P者所做的一些嘗試。

1 有機整合知識，打破固有模塊，凸顯事物的共性和內(nèi)在聯(lián)系

以往力學(xué)實驗的復(fù)習(xí)多采用模塊的方式，通常一個實驗一個模塊，學(xué)生和教師一起完成實驗原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等復(fù)習(xí)。這樣的方式能夠提高學(xué)生對實驗的縱深理解，但缺少橫向聯(lián)系，學(xué)生知識的獲得是針對一個個具體實驗，對力學(xué)實驗的基本方法和基本操作往往并沒有一個整體的認(rèn)識。為了突破這個局限，我們對力學(xué)實驗進行了重新整合。

高中力學(xué)的核心內(nèi)容是研究力和運動的關(guān)系，因此“運動的記錄”和“力的測量”就成了力學(xué)實驗中的兩個基本問題。我們梳理了高中力學(xué)實驗，如“研究勻變速運動”“驗證牛頓第二定律”“探究動能定理”等，都必須首先記錄下物體的運動軌跡，并(直接或間接)測量出描述運動的物理量(如x、v、a等)，然后才能進一步研究。因此，我們把“物體運動的記錄”作為力學(xué)實驗復(fù)習(xí)的第一個專題，對基本問題和測量方法進行了探討，具體流程如圖1所示。

圖1

這樣做的目的為：(1) 使學(xué)生認(rèn)識到各個實驗并不是孤立的，例如，它們都要記錄物體的運動，都可以用打點計時器來實現(xiàn)，甚至實驗裝置都很相似，如圖2所示的裝置就在教材中出現(xiàn)了3次，分別用來研究勻變速運動、驗證牛頓第二定律和探究動能定理，這使學(xué)生意識到要去尋找事物的本質(zhì)屬性和內(nèi)在的基本規(guī)律，掌握了基本方法后還可以解決新問題。

圖2

2 通過問題解決重現(xiàn)核心概念、規(guī)律，促進學(xué)生的深度理解

選擇“速度”作為重點關(guān)注的核心概念，原因有：(1) “速度”是與物體的運動狀態(tài)直接相關(guān)的物理量，物體的速度變了，運動狀態(tài)就發(fā)生變化，這需要有力的作用；(2) 瞬時速度體現(xiàn)了極限的思想，而這種思想在實際的實驗中如何運用，是一個值得討論的問題；(3) 速度的變化率對其他物理量的變化率具有借鑒的意義。

在以往的教學(xué)中，多強調(diào)勻變速運動的速度公式，沒有對核心概念作更多的復(fù)習(xí)。我們以實際的操作問題為背景，通過問題解決的方式對“速度”的概念進行討論，收到了一些意想不到的效果。我們在教學(xué)中抽離勻變速運動的條件，改為討論一般的運動，以分析打點計時器記錄的紙帶為例，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，具體的問題解決流程如圖3所示。

圖3

這樣做一方面使學(xué)生更好地認(rèn)識平均速度和瞬時速度的區(qū)別與聯(lián)系，另一方面使學(xué)生能夠更好地體會理論與實驗之間的辯證關(guān)系。

3 創(chuàng)設(shè)問題情境，提升學(xué)生科學(xué)思維能力

在復(fù)習(xí)完紙帶問題后，由學(xué)生自己解決氣墊導(dǎo)軌與數(shù)字計時器的應(yīng)用問題，教師先展示了一個例題，教學(xué)過程如下。

例題：遮光片的寬度d=3.0cm,滑塊在牽引力作用下先后勻加速通過兩個光電門,通過第一個光電門的時間為Δt1=0.30s,通過第二個光電門的時間為Δt2=0.10s，遮光片從開始遮住第一個光電門到開始遮住第二個光電門的時間為Δt=3.0s，試估算滑塊的加速度。

生C：沒有那么復(fù)雜吧，題目中說的是估算，直接用Δt就好了。

生D：可以計算一下，直接用Δt計算加速度的結(jié)果是用t計算加速度的結(jié)果是相對誤差為應(yīng)該沒問題。

師：一定要用到中間時刻的瞬時速度等于平均速度嗎？

生E：可以不用吧，通過光電門的時間很短，可以認(rèn)為在這段時間里滑塊近似做勻速運動，可以像生D那樣算一下，我覺得沒問題。

生F：其實跟前面紙帶的處理是類似的吧。

這個例題，實際上就是人教版高中物理必修1上的“問題與練習(xí)”，是一個值得討論的好問題。從上述教學(xué)過程可以看出：在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生進行分析推理、質(zhì)疑檢驗、修正，展現(xiàn)了一個較好的物理思維過程。這樣的教學(xué)方式對以后的問題解決會具有良好的示范作用，對學(xué)生的能力提升也具有促進作用。