聚焦物理概念建構的初中生科學思維能力提高策略
——以蘇科版初中物理教材中的物理概念建構為例

葉成林

(江蘇省儀征市南京師范大學第二附屬初級中學，江蘇 揚州 211900 )

2015年10月，教育部在《普通高中物理課程標準修訂稿》內(nèi)部征求意見稿中提出：物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正解價值觀念、必備品格和關鍵能力.在《普通高中物理課程標準(2017年版)》中將物理核心素養(yǎng)具體界定為“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個維度.高中物理課程標準對物理核心素養(yǎng)的界定，對初中物理教師的教育教學具有重要的指導意義.

物理概念是物理現(xiàn)象和物理過程的共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是對物理現(xiàn)象和物理過程的抽象化和概括化的思維形式.物理概念不僅是物理基礎知識的重要組成部分，而且是構成物理規(guī)律，建立物理公式和完善物理理論的基礎和前提.物理概念是物理教學的重要組成部分.

科學思維是對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式.科學思維是物理學習中初中生所必備的核心素養(yǎng)，其主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.在初中物理教學中，培養(yǎng)與提高學生科學思維能力，物理概念建構是重要載體.通過初中生物理概念建構中自主思維活動可促進學生思維能力和思維品質(zhì)的提高，促進學生自主認識物理現(xiàn)象和物理過程的本質(zhì)，掌握科學方法，提高科學素養(yǎng).這對提高初中生科學思維能力有很大的裨益.同時，通過聚焦物理概念建構教學，讓初中生科學思維能力提升訓練與物理教學實踐融合，可使初中生科學思維能力培養(yǎng)落在實處，有切實有效的抓手.

1 突出主要因素，提高初中生模型建構能力

物理模型是由客觀物質(zhì)世界過渡到物理概念、物理規(guī)律、物理理論的中間環(huán)節(jié)，是物理概念和物理規(guī)律賴以建立的基礎.[1]初中物理模型常見有過程模型和結構模型.結構模型是指關于研究對象、裝置或條件的理想模型：光線、杠桿、單擺、磁感線、力的示意圖、純電阻、彈簧振子等.過程模型是指關于物理過程的理想模型：勻速直線運動等.[2]在初中物理概念建構過程中，通過初中生模型建構能力循序漸進的培育，可提高初中生分析問題與解決問題能力，逐步培養(yǎng)初中生的科學思維能力，發(fā)展初中生物理核心素養(yǎng).

在初中物理概念教學中，對物理結構模型的建構通常忽略研究對象或條件的次要因素，突出其主要的因素，對其理想化處理，形成對研究問題的簡潔模型.

案例1.8年級物理第3章第3節(jié)“光的直線傳播”中，在建構“光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播”這一物理概念時引入“光線”結構模型.教師引導學生：物理學中用一條帶箭頭的直線表示光的傳播路徑和方向，而忽略光的亮度與顏色等次要因素，從而為形象地解釋日常生活中影子形成、日食月食形成，以及后續(xù)光的反射定律、光的折射規(guī)律教學打下基礎.

案例2.9年級物理第11章第1節(jié)杠桿概念教學中，教材列舉出了大量的日常生活中常見的器具：托盤天平、獨輪車、筷子、笤帚、船漿、夾子、鑷子、羊角錘、釣魚竿、生活中的剪刀及人體中的運動系統(tǒng)等.教師引導初中生理解這些器具都可以抽象為在力的作用下可繞一固定點轉(zhuǎn)動的硬棒，即杠桿，而忽略器具本身的復雜構造、制作工藝、制作材料等次要因素，為利用杠桿平衡條件分析物體的運動狀態(tài)奠定重要的基礎.

對物理過程模型的建構教師應引導初中生能夠?qū)碗s的物理情境進行思維加工，提煉和抽象，厘清其科學本質(zhì)特征.在此基礎上對運動物體的過程進行簡化、理想化處理，建立適當?shù)哪Ｐ?，并利用已知條件表征物理對象，利用相關的物理概念分析與解決該情境中的物理問題，提高初中生利用物理概念分析和解決問題的能力，發(fā)展學生科學思維.

圖1 蹦極運動

案例3.如圖1所示是蹦極運動的簡化示意圖，彈性繩一端固定在O點，另一端系住運動員，運動員從O點自由下落，A點處彈性繩自然伸直.B點是運動員受到的重力與彈性繩對運動員拉力相等的點，C點是蹦極運動員到達的最低點，運動員從O點到C點的運動過程中忽略空氣阻力.則

(A) 從O至C運動員速度一直減小.

(B) 從O點至A點運動員機械能不守恒，從A點至C點機械能守恒.

(C) 從O至A過程中運動員速度增大，從A至C過程中運動員速度減小.

(D) 從O至B過程中運動員速度增大，從B至C過程中運動員速度減小.

本題考查初中生“相互作用”“力和運動”“動能和勢能”等物理概念理解與掌握情況.此物理情境中運動員下落是一個非常復雜的運動過程，對初中生的思維能力要求較高，但同時這也是培養(yǎng)初中生科學思維能力的很好契機.教師首先應引導初中生對運動員本身及彈性繩進行理想化處理，其次將運動員復雜運動過程分解成從O點到A點、從A點到B點、從B點到C點3個階段，用力的示意圖分別作出運動員受力情況，在此基礎上引導學生利用相關物理概念分析其運動狀態(tài)及能量變化情況，完成對正確選項的選定.

圖2 物體A壓縮彈簧后釋放

案例4.如圖2，物塊A和彈簧放在粗糙的水平面上，彈簧左端固定于墻面，OC為彈簧的自然長度.向左移動物塊A并壓縮彈簧至B處后靜止釋放，物體A在________處時速度達到最大(選填“C點”、“C點左側”或“C點右側”).

同樣，對該案例物理問題的解決，初中生需要自主建構過程模型，深刻理解并想象出物體A從B點開始運動到靜止的整個過程，需要初中生有一定的推理能力，會自主分析其運動過程中的受力情況及其運動狀態(tài)的變化.這些案例的選擇和充分利用，對提升初中生模型建構能力、發(fā)展學生科學思維是很有幫助的.

2 加強方法指導，提高初中生科學推理能力

科學思維能力的一個重要方面是科學推理.科學推理能力包含有多種思維方式，如演繹、歸納、分析、綜合等.物理學中形成的思維方法對物理學的發(fā)展起了重要作用.初中生理解和掌握這些物理思維方法，具備一定的科學推理能力，對初中生物理學習具有重要的影響.初中物理課堂教學中應結合物理概念教學加強初中生基本物理思維方法的指導與訓練，通過思維活動，培養(yǎng)學生科學推理能力，促進學生充分理解物理概念的內(nèi)涵與外延，激發(fā)學習動力.[3]

2.1 分析與綜合

所謂分析，就是把客觀事物分解成各個部分、側面和屬性，分別加以研究.所謂綜合，就是把事物各個部分、側面和屬性的認識統(tǒng)一為整體的認識，從整體上把握物體的本質(zhì)和規(guī)律.分析和綜合是科學思維的基本形式，也是解決物理問題的基本方法.[4]

如在案例3中，教師滲透運用“隔離法”，先將運動員整個運動過程分解成3個部分，然后分別分析運動員在每一個部分的受力情況，并綜合考察其與彈性繩的相互作用及發(fā)展變化，正確理解運動員的運動狀態(tài)及能量變化，領悟運動員整個過程的運動規(guī)律，以達到對相關物理概念本質(zhì)屬性的全面理解和深入認知.

案例5.9年級物理第12章第3節(jié)比熱容概念教學中，教師首先創(chuàng)設問題情境：夏天中午，分別站在海水中和沙面上的小明與小華兩個同學感覺為什么不同？然后引導學生結合生活經(jīng)驗，分析影響水和沙子升高溫度的可能因素：質(zhì)量大小、吸熱多少、物質(zhì)種類等.在此基礎上采用控制變量法設計實驗，局部探究分析物體升溫多少與物質(zhì)種類之間的關系，然后將各個因素綜合起來，建構出比熱容物理概念.

2.2 演繹與歸納

演繹是從一般到個別的推理，歸納是從個別前提推出一般性結論的思維方法.[4]

案例6.8年級物理第8章第1節(jié)力的概念教學中，教師引導學生從日常生活中的人推車、人拉車、人提水、人壓桌面等物理現(xiàn)象入手，認識到產(chǎn)生力至少具備兩個物體和兩個物體間要產(chǎn)生作用的條件，在此基礎上抽出其共同的、本質(zhì)的屬性，歸納得出“力是物體對物體的作用”概念.這種從個性出發(fā)認識共性、概括出同一類事物的普遍特征的歸納方法，有利于幫助初中生建構物理概念，深刻理解物理概念的內(nèi)涵，發(fā)展學生思維.

案例7.9年級物理第15章第2節(jié)電功率概念教學中，在學生建構電功率概念及其計算公式后，教師引導學生結合歐姆定律及電功計算公式，演繹得出計算電功率的其它公式，了解每個公式的適用范圍及條件，從而幫助學生建立電功率計算的整個知識體系.

在物理課堂教學中，教師以物理概念建構為載體，不斷教給學生分析與綜合、演繹與歸納等物理思維方法，讓學生經(jīng)歷科學推理過程，經(jīng)歷具有挑戰(zhàn)性的智力活動.這樣才能使學生充分理解物理知識內(nèi)涵，獲得情感上的滿足，激發(fā)學習物理的長期興趣和持久動力.

3 注重科學探究，提高初中生科學論證能力

科學論證是重要的科學活動，其內(nèi)涵是面對未確定的科學問題，通過社會性的協(xié)作過程，為各自的觀點提供支持，并批駁相異的觀點，以解決問題并獲取知識的活動.發(fā)展學生科學論證的思維能力是發(fā)展學生科學素養(yǎng)的一個重要方面.[5]在初中物理概念建構中，提高初中生科學論證能力，教師注重采用科學探究式教學是重要手段.美國艾倫·柯林斯認為，雖然探究式教學難度很大，是一種費時的教學，但它是培養(yǎng)學生創(chuàng)造力和發(fā)現(xiàn)理論的唯一方法.[3]

在科學探究中培養(yǎng)和提高初中生科學論證能力，教師應結合物理概念建構，引導學生重在猜想假設、實驗方案設計與操作、實驗證據(jù)收集、實驗證據(jù)的分析與論證4個環(huán)節(jié)上.

案例8.8年級物理第10章第4節(jié)浮力概念教學過程中，教師可以安排以下環(huán)節(jié)引導初中生經(jīng)歷科學論證過程，提高學生科學論證能力.

3.1 浮力概念的引入

創(chuàng)設物理問題情境：教師播放“人在死海上看書”視頻，提出“人為什么能浮在死海的水面上”.日常生活中還有哪些現(xiàn)象證明你的觀點？

學生通過交流討論得知，人在死海水面上受到了向上的托力，教師適時指出這個力物理學中叫作浮力.這個力在日常生活中是普遍存在的，事實證據(jù)如下.

(1) 水中的乒乓球能從水里浮起來； (2) 空中的氣球能騰空而起.

3.2 下沉的物體是否也受到浮力？

教師：上述事實證據(jù)都指向浮在水面上或在水中、空氣中上升的物體受到向上浮力，請同學們猜想：水里下沉的物體是否也受到浮力？你有什么經(jīng)驗支持你的猜想？

生：下沉的物體也受到浮力.

經(jīng)驗證據(jù)：水中下沉的物體下落速度較慢；在水井中打水時，會感覺到裝滿水的水桶在未離開水面時要比提出水面時輕許多.這些經(jīng)驗證據(jù)證明：水里下沉的物體應受到了向上的浮力.

師：如果給你一個彈簧測力計、一杯水和一個金屬塊，你能通過實驗驗證你的猜想嗎？請設計實驗方案，說出實驗方案蘊含的科學思維過程.學生小組合作，交流討論實驗方案的設計，并課堂展示.

生：先在空氣中用彈簧測力計測出金屬塊的重力，若在水中下沉時受到向上的浮力，相當于金屬塊在空氣中受到了手向上的托力，則彈簧測力計的示數(shù)應減小.彈簧測力計減小的示數(shù)就是金屬塊受到的浮力大小.

師：請同學們小組合作，在此基礎上進行實驗操作，收集實驗證據(jù)，以證明你們的猜想.

學生通過實驗操作，收集驗證猜想的證據(jù).通過對金屬塊在空氣中與水中彈簧測力計示數(shù)的證據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)水中下沉的金屬塊也受到向上的浮力.在此基礎上推理得出浸在液體或氣體里的物體都受到向上的托力，即浮力的物理概念.

在物理概念建構過程中，教師采用科學探究教學方式，在探究過程中注重培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，有助于發(fā)展科學思維能力，有助于正確建構物理概念.

4 培養(yǎng)批判思維，提高學生質(zhì)疑創(chuàng)新能力

批判性思維是決定學生信念和行動而進行的合理的反思性思維.批判性思維是學生受用終身的能力與品格，是創(chuàng)造性思維的基礎.[6]培養(yǎng)學生批判性思維是時代的需求.前美國駐華大使駱家輝曾說：美國長期從基礎教育開始進行批判性思維教育，這是美國科技、商業(yè)、文化等一直領先世界的原因.[7]美國杜克大學教育督導團隊研究所撰寫的《2011中國SAT年度報告》指出：中國學生整體欠缺有效的批判性思維能力訓練.[8]這是目前限制中國學生學術能力的最重要因素之一，是我國科技人員缺乏學術研究能力和創(chuàng)造性的重要原因，也是實現(xiàn)習近平總書記強國和民族復興夢的最大障礙.

在物理概念教學中培養(yǎng)初中生批判性思維，就是要求學生在理解事物的基礎上善于質(zhì)疑辨析，在質(zhì)疑辨析中加深對深層知識和復雜概念的理解.[9]

案例9.8年級物理第10章第1節(jié)壓強概念教學中，教師引導學生通過批判性思維促進對壓強概念的深度理解.

師：教材中用物體所受的壓力與受力面積比值定義壓強概念，請問能否用受力面積與壓力的比值來表示壓力的作用效果？如果能，物理教材中為什么不采用？8年級還有哪一個物理概念的定義與此相似？請同學們討論、反思與辨析.

生：也能用受力面積與壓力的比值來表示壓力的作用效果.但不符合人們的思維習慣，因而物理教材中沒有采用.八年級物理中速度的概念定義與此類似.

分析：壓力與受力面積的比值表示物體在單位面積上所受的壓力，是受力面積相同時通過比較壓力大小來反映壓力的作用效果，比值越大表示壓力作用效果越明顯，符合人們的思維習慣，因而被教材采用.而受力面積與壓力的比值表示物體在單位壓力上的受力面積，是壓力相同時通過比較受力面積大小來反映壓力的作用效果，比值越小表示壓力作用效果越明顯，這不符合人們的思維習慣，因而沒有被教材所采用.通過與八年級速度概念建構過程的類比、反思與辨析，可進一步促進學生深度理解壓強概念內(nèi)涵.

案例10.8年級物理第10章第1節(jié)“壓強”教學中，教師引導學生對壓力概念的深度理解.

師：教師站在水平地面上，此時教師對地面的壓力大小與教師的重力大小相等.此時，壓力就是重力嗎？為什么？請同學們反思與辨析.

生：此時壓力不是重力.雖然此時壓力與重力在大小上相等，但兩個力的施力物體與受力物體不同，許多時候兩個力的方向不一定相同，且兩個力的性質(zhì)不同.

在物理概念教學中，教師適時引導初中生通過信息分析、深入思考、合理論辯、推理論證、綜合判斷等途徑來發(fā)展學生以批判性思維為核心的高階思維能力，在促進學生對物理概念深度理解的同時，提高學生的學科核心素養(yǎng).