基于發(fā)展學生科學思維的教學設(shè)計

陳敬華

摘? ?要：科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的內(nèi)核。深度發(fā)展學生的科學思維，突出物理概念、規(guī)律、理論形成過程中的科學思維，是物理學科教學從知識轉(zhuǎn)向核心素養(yǎng)的突出表現(xiàn)。文章以“勻變速直線運動”的教學片斷為例，詮釋了發(fā)展學生科學思維的教學策略，使得學生不僅能理解物理知識，而且還訓練了科學思維，從而提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學思維;教學設(shè)計;勻變速直線運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）9-0027-5

1? ? 問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》在整合原來三維目標的基礎(chǔ)上，提出物理學科核心素養(yǎng)。物理學科核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，它包括四個要素：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。其中，科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式，包含的內(nèi)容有多方面的詮釋，既是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建理想模型的抽象概括過程，又是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用。

2017年版的課程標準與2003年版的課程標準相比，深度化發(fā)展科學思維，已經(jīng)成為高中學業(yè)質(zhì)量標準和學業(yè)水平考試命題的趨勢，同時培養(yǎng)科學思維中的關(guān)鍵能力也是目前教學設(shè)計的重要目標。教學設(shè)計的深度化和學生思維的深度化，防止教學的淺層化、學生思維的表層化，是學科教學走向核心素養(yǎng)的一個突出表現(xiàn)，也是發(fā)展學生科學思維不可或缺的。為達到課堂教學能有效發(fā)展學生科學思維的目標，教學必須有一定的深度和廣度。筆者根據(jù)學生的認知規(guī)律和物理學科特點，借鑒深層學習理論以及高中物理教學設(shè)計理論，完成了發(fā)展學生科學思維的教學設(shè)計。本文以“勻變速直線運動”為例，結(jié)合教學實踐，通過對一系列問題的思索、挖掘、詮釋，使學生的科學思維得到深度化發(fā)展。

2? ? 教學案例分析

2.1? ? 速度的概念教學

速度的概念在人教版高中物理必修1教材中具有重要的地位，也是物理概念教學的重要內(nèi)容。在筆者的教學設(shè)計中速度概念教學步驟如下：

第一步，以實驗為前提，動手作圖，建立勻速直線運動的圖像，應(yīng)用比值定義法建立勻速直線運動的速度概念。如圖1所示，通過觀察A、B兩輛小車在直軌道上運動，測得各時刻兩車的位置坐標（見表1）。坐標紙的橫軸表示時間，縱軸表示物體的位置，作出物體運動的位置坐標x與時間t的關(guān)系圖像，如圖2所示。教師講解x-t圖像及勻速直線運動的概念后討論如下問題：A、B兩車誰運動得快？如何比較？

第二步，反復實驗，通過實驗操作建立變速直線運動及平均速度、瞬時速度的概念。演示小車由靜止沿斜面下滑，如圖3所示，取開始下滑時為計時起點，測得各時刻小車的位置坐標（見表2）。

第四步，通過問題鏈探索與分析實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果。

引導學生討論兩個核心問題：

第五步，利用光電門及數(shù)字計時器測小車運動的瞬時速度。此過程既是對瞬時速度概念的應(yīng)用，同時也可以通過練習鞏固建立的物理概念。

第六步，求解曲線運動的平均速度、瞬時速度及平均速率拓展練習。在教學中適當擴展，對學生科學思維的深度訓練是有益的。

筆者設(shè)計上述教學過程是基于以下考量：第一，學生學習速度概念前已經(jīng)學習了位置坐標、位移的概念，作運動物體的位置（坐標）與時間圖像，能加強學生對前概念的深化理解與鞏固，也為學習新概念做好準備;第二，通過實驗建立勻速直線運動及變速直線運動的概念，讓學生體會模型構(gòu)建的過程;第三，通過實驗與圖像建立勻速直線運動的速度、變速直線運動的平均速度及瞬時速度的概念，讓學生體會比值定義的方法及極限思想，初步接觸合理外推的科學思維方法;第四，通過勻速直線運動的速度、變速直線運動的平均速度與瞬時速度等概念的建立，歸納出普遍意義的速度概念，使學生得到分析歸納的思維訓練，從而使學生在學習速度概念的過程中發(fā)展科學思維。

2.2? ? 探究小車速度與位移隨時間變化的規(guī)律

筆者以“探究小車速度與位移隨時間變化的規(guī)律”為例，展開對物理規(guī)律的探索，也是深度化發(fā)展科學思維的重要載體。步驟如下：

第一步，問題導入。

演示水平面上的小車在重物的拉動下由靜止向右加速運動，并提出如下問題：

（1）用哪些物理量描述小車的運動？這些量（x、v）是如何變化的？

（2）v與t、x與t滿足何種關(guān)系？

第二步，實驗探究。

學生通過動手實驗—記錄數(shù)據(jù)—作圖，得出v與t的關(guān)系：v=kt或v=kt+b。

由于x與t的關(guān)系較為復雜，因此教師通過一系列問題進行引導：

（1）你能否找到x與t的關(guān)系？

學生用同樣方法作圖得出x-t圖像（如圖5所示），隨后教師提問：

（2）從圖像中你能得出x與t的關(guān)系嗎？

（3）從圖像中，你猜想x與t可能是什么關(guān)系？如何證明你的猜想是正確的？作x與t2圖像試一試？若不行，作x與t3……等圖像。

最后得出小車由靜止開始運動的位移x與時間t的關(guān)系為x=kt2，如圖6所示， 實驗數(shù)據(jù)見表3。

第三步，結(jié)果分析。

通過設(shè)計“問題鏈”引導學生積極思考，通過實驗、圖像探究物理規(guī)律，在探究的過程中培養(yǎng)學生猜想、推理、綜合等科學思維，以達成對學生科學思維的深度訓練。

2.3? ? 習題教學中的物理模型構(gòu)建

物理問題的解決過程本質(zhì)上是物理模型建構(gòu)和應(yīng)用的過程，如圖7所示。發(fā)展物理核心素養(yǎng)的重要性已經(jīng)逐步被大家認同并付諸于教學實踐。根據(jù)高考對學生核心素養(yǎng)和相關(guān)維度水平的要求，從試題入手，以2019年高考卷中的勻變速直線運動題目為例，雖然問題復雜且又多過程，但是可以利用模型構(gòu)建進行分解，即可以分為若干部分的勻變速直線運動。對模型的構(gòu)建、重組、拆解、整合、計算等方式，也是提升學生學思維的有效手段。

例題 （2019全國Ⅲ-25題）靜止在水平地面上的兩小物塊A、B，質(zhì)量分別為mA=1.0 kg，mB=4.0 kg;兩者之間有一被壓縮的微型彈簧，A與其右側(cè)的豎直墻壁距離l=1.0 m，如圖8所示。某時刻，將壓縮的微型彈簧釋放，使A、B瞬間分離，兩物塊獲得的動能之和為Ek=10.0 J。釋放后，A沿著與墻壁垂直的方向向右運動。A、B與地面之間的動摩擦因數(shù)均為μ=0.20。重力加速度取g=10 m/s2。A、B運動過程中所涉及的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時間極短。

（1）求彈簧釋放后瞬間A、B速度的大小;

（2）物塊A、B中的哪一個先停止？該物塊剛停止時A與B之間的距離是多少？

（3）A和B都停止后，A與B之間的距離是多少？

分析：本題是高考命題考查的壓軸題，根據(jù)上題解題過程的模型建構(gòu)（如圖9所示），把復雜的問題拆解成幾個簡單的模型后，再根據(jù)各個模型所遵從的物理規(guī)律列出方程式求解，即可得到正確結(jié)果。將復雜問題簡單化，能有效提高學生的應(yīng)試能力。

習題的重組，是建立在思維不斷深化和發(fā)展過程中的。我們在倡導一題多解、多題一解、一題多變，推進習題教學中的少而精、逐一通透教學的同時，要善于把習題教學作為深度化發(fā)展學生科學思維的有效手段。通過對一題的演變，可訓練學生對某一類問題模型的建構(gòu)與應(yīng)用，拓展學生科學思維訓練的深度和廣度。例如，訓練學生分析摩擦力的題組，可以設(shè)計如下：

原題1：如圖10所示，在光滑水平面上有質(zhì)量M=5 kg的靜止木板，木板上靜止放置質(zhì)量m=1 kg的木塊，木板與木塊間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2，用水平恒力F拉動木板，下列關(guān)于木板的加速度aM和木塊的加速度am，可能正確的有（g=10 m/s2，木板與木塊的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力）（? ?）

A.aM =1 m/s2，am =1 m/s2

B.aM =2 m/s2，am =1 m/s2

C.aM =3.5 m/s2，am =2 m/s2

D.aM =5 m/s2，am =3 m/s2

變式1：若木板與木塊質(zhì)量未知，地面粗糙，用隨時間t變化的水平拉力F拉動木板，測出長木板和木塊的加速度與水平拉力F的關(guān)系如圖11所示，則下列說法正確的是（? ? ）

A.木塊的質(zhì)量 m=0.5 kg

B.木板的質(zhì)量M=1.5 kg

C.木板與地面間的動摩擦因數(shù)為0.2

D.木塊與木板間的動摩擦因數(shù)為0.2

變式2：如圖12所示，若長木板質(zhì)量忽略不計，木板上靜止放置質(zhì)量分別為M和m的A、B兩木塊，A、B與長木板間的動摩擦因數(shù)均為μ=0.2，用水平恒力F拉動木塊A，則（? ? ）

A.若F=1 N，則兩木塊、木板都靜止不動

B.若F=1.5 N，則A木塊所受摩擦力大小為1.5 N

C.若F=4 N，則B木塊所受摩擦力大小為4 N

D.若F=8 N，則B木塊的加速度為1 m/s2

從以上幾個變式習題可以看出，我們在習題教學中要強化推理方法的應(yīng)用，增強科學推理時的證據(jù)意識，在解題過程中發(fā)展學生的思維能力。引導學生進行有根據(jù)、有條理、有深度、有創(chuàng)新的思考，是習題教學中深度化發(fā)展學生科學思維的基本途徑。從科學思維的視角設(shè)計習題，更加符合學科規(guī)律和學習規(guī)律，有利于學生全面掌握基本知識和技能，促進核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3? ? 結(jié)? 語

通過以上幾個教學案例說明深度發(fā)展學生的科學思維需要多方面設(shè)計和探索。在物理課堂教學中有效發(fā)展學生的科學思維，是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)目標的關(guān)鍵，學生科學思維的形成與發(fā)展，依賴于對物理概念、物理規(guī)律建立過程中的科學思考和實踐，依賴于應(yīng)用物理概念、物理規(guī)律解決實際問題的科學思考和實踐。

總之，在物理各種教學內(nèi)容的選取與呈現(xiàn)上，要突出物理情景的創(chuàng)設(shè)，在情景中提煉問題，基于問題誘導學生展開有深度的探究，在探究過程中激發(fā)學生的高階思維。在物理概念、規(guī)律的教學過程中，要體現(xiàn)和反映物理學科本質(zhì)，要聚焦物理學科的核心概念和規(guī)律，體現(xiàn)學科知識的結(jié)構(gòu)化，避免知識的碎片化，要超越物理知識的表層結(jié)構(gòu)，突出物理概念、規(guī)律及應(yīng)用過程的科學思維。這樣的教學設(shè)計才能更充分地發(fā)揮學生的潛能，全面提升學生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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[3]余文森.論核心素養(yǎng)導向的三大教學觀[J].當代教育與文化，2019，11（2）：62-66.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）