基于科學(xué)思維培養(yǎng)的初中物理實驗教學(xué)研究

申屠英軍

【摘要】初中物理是一門邏輯體系嚴(yán)密的學(xué)科，學(xué)習(xí)物理知識要具有一定的科學(xué)思維，才能深入理解、掌握以及應(yīng)用知識?？茖W(xué)思維讓學(xué)生從“學(xué)會”轉(zhuǎn)為“會學(xué)”，基于此，本文將從物理科學(xué)思維四大基本要素，對初中物理實驗教學(xué)策略進行研究。

【關(guān)鍵詞】初中物理? 科學(xué)思維? 實驗教學(xué)

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）40-0106-03

對于物理學(xué)核心素養(yǎng)而言，科學(xué)思維是非常重要的組成部分，具體包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證以及質(zhì)疑創(chuàng)新四大基本要素。以物理科學(xué)思維為指引，對初中物理實驗教學(xué)進行實施，能夠促進學(xué)生從物理學(xué)角度入手，將問題轉(zhuǎn)化成為常見物理模型，然后通過科學(xué)推理論證，進而解決問題，使其在實踐過程中形成質(zhì)疑以及創(chuàng)新的意識。因此，研究基于科學(xué)思維培養(yǎng)的初中物理實驗教學(xué)具有一定的理論意義以及現(xiàn)實意義。

一、初中物理科學(xué)思維

未來將會全面實施新的義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，北師大的林崇德以及陜西師范大學(xué)胡衛(wèi)平等學(xué)者對科學(xué)思維的研究，目前是全國最高水平，并進一步明確了科學(xué)思維的定義，即：從科學(xué)的視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。主要體現(xiàn)在以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)建構(gòu)模型的抽象概括過程;分析與綜合、比較與分類、推理與論證等思維方法在科學(xué)中的應(yīng)用;基于證據(jù)與邏輯，能夠?qū)⒆约旱囊娊馇逦磉_;或者是對不同觀點、結(jié)論以及方案提出質(zhì)疑與批判、檢驗與修正，并能夠提出創(chuàng)造性見解方案。簡而言之，科學(xué)思維具體包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。

初中物理教學(xué)要注重學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)，若要達到理想的培養(yǎng)成效，首先要弄清楚當(dāng)前科學(xué)思維的內(nèi)涵以及未來科學(xué)思維發(fā)展的趨勢。結(jié)合初中物理教學(xué)特點以及科學(xué)思維的定義，并結(jié)合初中生特點，本文認(rèn)為初中生物理科學(xué)思維由這些部分組成：

第一，模型建構(gòu)能力，認(rèn)識以及應(yīng)用簡單的物理模型，能夠在熟悉的問題情境中對常見物理模型進行應(yīng)用。第二，科學(xué)推理能力，包括對日常生活中的常見現(xiàn)象進行概括，也包括使用一些基本物理概念、規(guī)律等對物理問題做假設(shè)的演繹模型。第三，科學(xué)論證能力，對于初中生而言，是否可以進行正確的猜想與假設(shè)，能夠充分體現(xiàn)其科學(xué)論證能力。簡單來講，學(xué)生需要針對某一個物理問題提出猜想或者是假設(shè)，然后選擇恰當(dāng)方式對猜想進行驗證。第四，創(chuàng)新與質(zhì)疑精神。創(chuàng)新與質(zhì)疑可以說是學(xué)生對知識的一種探索欲望，如果學(xué)生不具備創(chuàng)新與質(zhì)疑精神，不僅無法對其知識應(yīng)用狀況進行檢驗，而且也難以實現(xiàn)創(chuàng)新[1]。

此外，筆者對初中生科學(xué)思維能力進行了一定程度的調(diào)查，結(jié)果是：（1）大部分初中生對物理知識具有興趣，特別是生活中的一些物理現(xiàn)象，他們比較好奇，思維也比較活躍;但對事物認(rèn)識程度比較淺，特別是抽象概念理解起來比較難;（2）大部分學(xué)生認(rèn)識到模型的作用，但是如何構(gòu)建模型解決問題的能力不足;（3）對于簡單問題，學(xué)生能夠進行科學(xué)推理，也能夠得出結(jié)論，但是不夠全面，意味著推理能力需要著重提升;（4）大部分學(xué)生擁有質(zhì)疑與創(chuàng)新意識，也愿意與其他同學(xué)討論物理問題，但因為知識系統(tǒng)不全面、不系統(tǒng)，所以質(zhì)疑與創(chuàng)新目前還處于思維活動層面，學(xué)以致用方面比較薄弱[2]。

綜上所述，在初中物理實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維迫在眉睫，因此，筆者結(jié)合物理科學(xué)思維定義、初中生特點、初中生科學(xué)思維調(diào)查結(jié)果以及科學(xué)思維未來發(fā)展趨勢，進而對具體的教學(xué)策略進行探討。

二、基于科學(xué)思維培養(yǎng)的初中物理實驗教學(xué)策略

（一）模型建構(gòu)

對于模型建構(gòu)而言，主要是引導(dǎo)學(xué)生通過發(fā)展思維模型對問題進行認(rèn)識、思考以及研究，然后以簡單化、理想化的東西予以表示。學(xué)習(xí)物理必然涉及到模型建構(gòu)，因為模型是一種思維工具，能夠讓學(xué)生的思維變得可視化，也就是可以將一些復(fù)雜、抽象的問題具體化以及簡單化。在實驗教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力，需要讓其參與實驗設(shè)計，例如，繪制實驗設(shè)計圖、裝置圖等，將能夠幫助學(xué)生加深對知識的印象[3]。

例如在對“光的發(fā)射定律”進行教學(xué)時，由于相關(guān)因素的影響以及限制，很多課堂只是由教師演示操作，然后告訴學(xué)生哪一條是入射角、反射光線、入射光線、反射定律、法線等，并進行測量，然后掌握定律。這樣的教學(xué)方式效率是高，但大部分學(xué)生難以真正理解以及應(yīng)用知識。

為了能夠達到更好的效果，可以通過這樣的實驗以及設(shè)計。（1）將三束光同時打開，此時可以看到有三個與鏡面垂直的平面（通過紙板進行演示）;同時，這三個平面正好相交于一條直線。從眾多實驗可以看出，入射到O點的入射光線與反射光線之間所形成的平面，會通過這條公共直線經(jīng)過，借助模型建構(gòu)，提取出公共直線，并對其與鏡面的角度進行測量，為90°，也就是法線（如圖1所示）。

要對“三線供面”進行驗證，需要在同一平面并排放置兩塊紙板，那么怎樣放置才是不同平面呢？此時，需要由學(xué)生參與演示翻折為不同面，如果平面內(nèi)有一條法線或者是入射光線，大家可以自主思考、設(shè)計對比實驗，對其反射光線是否在平面內(nèi)進行證明。接下來由學(xué)生按照模型自制演示實驗裝置：將法線作為軸線，然后將右側(cè)背景板進行向右旋轉(zhuǎn)，此時，大家可以在同一個平面之內(nèi)看到發(fā)射光;如果再朝后翻折，那么將不會看到發(fā)射光，這就意味著法線、入射光線、反射光線在同一個平面之內(nèi)（如圖2所示）。

隨后增加法線，在模型上通過背景板或者是量角器，將反射光線插上，并修正模型，這樣就能夠理解到“光的反射定律”（如圖3所示）。

基于模型建構(gòu)的實驗教學(xué)，整個過程引導(dǎo)學(xué)生進行操作，使其思維變得可視化、簡單化，進而將其中的原理弄明白，這樣才算是真正掌握知識[4]。

（二）科學(xué)推理

所謂科學(xué)推理，也就是由一個或者是多個已知的判斷，然后對未知結(jié)論進行推導(dǎo)。要學(xué)好以及用好物理知識，那么就必須進行科學(xué)推理，推理要用到證據(jù)，簡單而言，就是要以事實為基礎(chǔ)進行推理。例如，將吸盤（掛有重物）用力按壓在豎直玻璃表面，不會掉下來（如圖4“甲”所示）。思考是什么樣的力可以讓其不掉下來？經(jīng)過實驗可以得到結(jié)論：因為大氣壓的原因，讓吸盤壓在表面。關(guān)于這個結(jié)論，通常大部分學(xué)生都順其自然的接受了。

接著，我們可以提出這樣一個問題：“這個結(jié)論是真的嗎？可否設(shè)計實驗證明，通過科學(xué)推理出來一個規(guī)律讓大家都認(rèn)可?！痹诮處熞龑?dǎo)下，學(xué)生進行思維設(shè)計，比如說，在沒有大氣壓的環(huán)境中這樣放置吸盤會不會掉下來？以此為切入點設(shè)計實驗（如圖4“乙”所示），玻璃鐘罩內(nèi)的空氣用抽氣機抽出，發(fā)現(xiàn)吸盤開始下滑。深入推理：我們打算將玻璃鐘罩抽成真空，這意味著吸盤將失去“吸力”。大氣壓相關(guān)知識很抽象，即使實驗大部分學(xué)生也僅能看到一些表象，難以推理原理，所以，實驗過程中出現(xiàn)一些“走馬觀花”的情況。為此，以實驗為基礎(chǔ)，結(jié)合證據(jù)進行推理，再對原理歸納，將能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維[5]。

（三）科學(xué)論證

對于科學(xué)論證而言，要基于概念、規(guī)律、科學(xué)事實等，借助推理方法，證明某種觀點是否正確。從實驗教學(xué)來看，尤其遇到相關(guān)變量很接近這種情況時，部分教師卻未給學(xué)生進行科學(xué)論證的契機，通常是直接給結(jié)論，這種死記硬背的模式，將不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。實驗中應(yīng)當(dāng)給予更多的證據(jù)與實施，引導(dǎo)學(xué)生分析，盡可能使其將猜想與數(shù)據(jù)、事實結(jié)合，并對事實與自己猜想之間的邏輯關(guān)系進行分析，然后論證出定律、規(guī)律、原理等。例如在對“光的直線傳播”相關(guān)知識教學(xué)時，利用“一束激光射入玻璃、水、空氣中”的實驗，可以得到結(jié)論“在同一種均勻物質(zhì)之中，光是沿著直線傳播的”。這個結(jié)論大部分學(xué)生接受狀態(tài)都是“囫圇吞棗”。實驗就是要讓學(xué)生明白其中原理，所以，要通過實驗進行論證?？梢詫嶒炦M行改進，硫代酸鈉溶液通過長頸漏斗直到盛有水的玻璃缸的底部，讓液體變得不均勻。利用激光筆射入，發(fā)現(xiàn)光傳播路徑變彎曲;通過玻璃棒將液體攪均勻，然后再用激光筆射入，發(fā)現(xiàn)光沿直線傳播（如圖5所示）。通過對比實驗進行科學(xué)論證，非常有利于幫助學(xué)生加深對知識的印象[6]。

（四）質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑創(chuàng)新要求學(xué)生具有一定的批判性思維，但是要以一種反思、合理、心靈開發(fā)的方式進行，并能夠精準(zhǔn)表達、嚴(yán)謹(jǐn)推理、合理論證，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的思辨精神。在實驗教學(xué)中，我們應(yīng)該多鼓勵學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新，讓學(xué)生能夠大膽提出各種觀點，然后與學(xué)生一起對觀點進行探究，直到找到答案為止。

以“影響摩擦力大小的因素”實驗為例，教材上的結(jié)論部分學(xué)生均能夠“全盤接受”，也有學(xué)生產(chǎn)生了質(zhì)疑。如（圖6“乙”所示），將砝碼放置木塊上，木板與長木板之間的壓力增大，對木塊運動過程中所受到的摩擦力進行測量，部分學(xué)生提出了不同的難點：不一定是壓力增加了，可能是質(zhì)量增加了，所以滑動摩擦就加大了。

既然有質(zhì)疑，那么就應(yīng)該去驗證，可以設(shè)計這樣的實驗：將一塊磁鐵放置在一個薄木板上，然后用彈簧測力計拉磁鐵，使其能夠做勻速運動;同時，在木板后半段的下面放置一根鋼尺（如圖7所示），然后對磁鐵運動過程中所受到的摩擦力進行測量。

通過這個實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在鋼尺上方時，磁鐵勻速運動，其滑動摩擦力有突然增大的情況。但是磁鐵并沒有增加質(zhì)量，摩擦力增大的原因就可能是因為下面的鋼尺。那么鋼尺為何能夠?qū)⒒瑒幽Σ亮υ龃?？?jīng)過分析之后發(fā)現(xiàn)，磁鐵與鋼尺之間會產(chǎn)生吸引力，也因為吸引力就將磁鐵與木板間的壓力增大，這就讓滑動摩擦力變大。通過相關(guān)實驗，讓整個論證過程一目了然，成功證偽摩擦力大小與質(zhì)量的關(guān)系，成功證明摩擦力大小與木板、磁鐵之間的壓力關(guān)系。可見，質(zhì)疑創(chuàng)新很重要，如果沒有這樣的聲音，那么很多知識就可能止步于表面，不利于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展[7]。

三、結(jié)語

綜上所述，對于物理而言，實驗是靈魂，而科學(xué)思維是實驗的核心。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，學(xué)生參與度低，處于被動接受知識的尷尬境地，難以幫助學(xué)生加深知識印象，更無法提升學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。基于科學(xué)思維的實驗教學(xué)模式，圍繞學(xué)生進行模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證以及質(zhì)疑創(chuàng)新，不僅能夠彌補傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，而且能夠促進學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展，為其終身學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]王曉靜.初中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維的培養(yǎng)[J].文理導(dǎo)航（中旬），2021（9）：41-42.

[2]江裕芬.例談初中物理實驗中如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)[J].中學(xué)物理，2018.

[3]費志明，陳懋.基于科學(xué)思維培養(yǎng)的初中物理實驗教學(xué)探索[J].物理教學(xué)，2020，42（9）：44-46.

[4]姜素華.巧用初中物理實驗培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（10）：2.

[5]何娟.在初中物理實驗探究教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維[J].智力，2020（2）：67-68.

[6]李建.淺談初中物理實驗教學(xué)中科學(xué)思維的培養(yǎng)——以“光的直線傳播”教學(xué)為例[J].物理之友，2019，35（9）：15-16.

[7]江裕芬.例談初中物理實驗中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)[J].中學(xué)物理，2018，36（2）：34-36.