科學(xué)探究: 思維不能缺席
——對(duì)“牛頓第一定律”教學(xué)的深度思考

王 高

(江蘇第二師范學(xué)院，江蘇 南京 210013)

科學(xué)探究是人們發(fā)現(xiàn)規(guī)律、獲取知識(shí)的主要過(guò)程和重要方法,是物理教學(xué)的重要目標(biāo)、內(nèi)容和手段．科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要內(nèi)容之一,也是物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)培育的基礎(chǔ)．然而,中學(xué)物理實(shí)際教學(xué)中大部分老師搞的是“速成探究”而不是科學(xué)探究,即老師帶著學(xué)生快速地完成探究程序,有“形式”卻鮮見(jiàn)效果,欲速而不達(dá)．究其原因主要是在科學(xué)探究中讓“思維”缺席了,學(xué)生不能形成自己的思考,被動(dòng)地跟著老師“探究”,這種狀況急需變革．本文以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例做一深度探究．

1 格物致理: 物理的本質(zhì)特征

物理學(xué)是基于觀察、實(shí)驗(yàn)來(lái)建構(gòu)物理模型,通過(guò)科學(xué)推理、論證來(lái)揭示自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,即:格物致理,格物——探究自然界的萬(wàn)事萬(wàn)物,致理——搞清其中的道理(客觀規(guī)律、客觀方法、客觀理性)并加以運(yùn)用,可見(jiàn),科學(xué)探究是物理學(xué)的本質(zhì)特征．

物理教育應(yīng)該尊重物理學(xué)發(fā)展的歷程,引領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的探究過(guò)程．人類(lèi)很早以前就對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了研究,基于不同的研究方法,產(chǎn)生了不同的認(rèn)識(shí),其中以亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓的觀點(diǎn)最具代表性,見(jiàn)表1．師生通過(guò)查閱物理學(xué)史資料、辯論、實(shí)驗(yàn)探究等方式了解他們的觀點(diǎn)、研究方法以及認(rèn)識(shí)發(fā)展變化,體驗(yàn)到物理學(xué)是以真實(shí)證據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)歸納與演繹推理、理想實(shí)驗(yàn)等科學(xué)方法來(lái)建立合理性關(guān)系的過(guò)程．物理學(xué)總是在探究中不斷發(fā)展、完善的,進(jìn)一步理解牛頓“是站在巨人的肩膀上”的意義．

表1

科學(xué)探究充分體現(xiàn)了物理本質(zhì)與教育本質(zhì)的結(jié)合．物理本質(zhì)的探究是不斷追求真理和修正錯(cuò)誤、不斷地創(chuàng)新,學(xué)習(xí)物理如果忽視了對(duì)科學(xué)探究過(guò)程的理解和體驗(yàn), 就難以理解物理的本質(zhì);教育本質(zhì)的探究是促進(jìn)人的發(fā)展, 即通過(guò)探究具體情境,獲得知識(shí)、方法、技能以及客觀理性,促進(jìn)人的科學(xué)素養(yǎng)的全面提升．所以,核心素養(yǎng)背景下的物理教學(xué)更應(yīng)重視科學(xué)探究!

2 理性思維:科學(xué)探究的靈魂

物理的發(fā)展是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以思維為中心的,兩者在探究過(guò)程中是互為融通的,伽利略的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”正是實(shí)驗(yàn)和思維有機(jī)結(jié)合的事例．

科學(xué)探究主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素,它有兩種形式:實(shí)驗(yàn)探究和理論探究．實(shí)驗(yàn)探究不僅是觀察、操作、記錄和處理信息, 其中,提出問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思等更是一種自覺(jué)的創(chuàng)造性活動(dòng), 自始至終閃耀著理性思維的光輝,所以,理性思維是物理實(shí)驗(yàn)的生命,它始終貫穿在基于實(shí)驗(yàn)的物理概念的形成、理論的建立過(guò)程中, 離開(kāi)了理性思維, 物理實(shí)驗(yàn)就會(huì)因?yàn)槊つ慷鴨适Яα浚?/p>

在牛頓第一定律教學(xué)中,基于真實(shí)的情境,抓住問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素,展開(kāi)探究教學(xué),具體設(shè)計(jì)為.

(1) 情境.

情境包括生活實(shí)際情境和學(xué)習(xí)探索情境．情境必須是真實(shí)的并且與研究的內(nèi)容相關(guān)．例如:推箱子、敲鐵釘、踢足球、火車(chē)進(jìn)站等都是與力有關(guān)的學(xué)生生活的真實(shí)情境．對(duì)于這些生活情境,教師首先需要“翻譯”成物理語(yǔ)言來(lái)表述,比如:“汽車(chē)從剎車(chē)到停下來(lái)”表述為汽車(chē)剎車(chē)時(shí)速度減小到0．然后發(fā)現(xiàn)這些情境中的共同特征:運(yùn)動(dòng)物體的速度都減小為0．再?gòu)墓餐卣髦邪l(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題．即真實(shí)情境—物理語(yǔ)言表達(dá)—?dú)w納出共同特征—發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題．

(2) 問(wèn)題.

基于情境或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象分析提出科學(xué)問(wèn)題,這些問(wèn)題大體分為3個(gè)層次．同樣,根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)問(wèn)題解決形成猜想與假設(shè),也可以分為3個(gè)層次(見(jiàn)表2)．

表2

教學(xué)中根據(jù)學(xué)生的情況循序漸進(jìn),逐步提高．

(3) 證據(jù).

為驗(yàn)證假設(shè)選擇實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),操作實(shí)驗(yàn),并能從實(shí)驗(yàn)中全面、客觀地獲取信息,分為3個(gè)層次進(jìn)行(見(jiàn)表3)．

表3

續(xù)表

表4 滑塊在不同表面上運(yùn)動(dòng)的距離

證據(jù)不僅是為歸納特征、獲得結(jié)論提供必要的信息,還是通過(guò)實(shí)驗(yàn)等途徑獲得證據(jù)進(jìn)行證明的過(guò)程,讓學(xué)生獲得物理知識(shí)的同時(shí)能夠經(jīng)歷推理等思維過(guò)程體驗(yàn),發(fā)展高階思維能力,提高科學(xué)思維品質(zhì),這是實(shí)驗(yàn)探究中應(yīng)該高度重視的內(nèi)容．

(4) 解釋.

科學(xué)地處理證據(jù),能客觀、直觀地呈現(xiàn)信息,運(yùn)用科學(xué)的思維進(jìn)行概括、推理,進(jìn)而得出結(jié)論(見(jiàn)表5)．

表5

(5) 交流.

讓學(xué)生準(zhǔn)確地表達(dá)出自己的觀點(diǎn),并認(rèn)真傾聽(tīng)別人的觀點(diǎn),對(duì)結(jié)論、過(guò)程、方法以及結(jié)論進(jìn)行反思(見(jiàn)表6)．

表6

交流中問(wèn)題的提出、方案的設(shè)計(jì)、信息收集和處理、結(jié)論的得出及解釋、反思等,以及文字、表格、圖像、公式等都需要準(zhǔn)確和富有邏輯性．

本課題探究中我們清楚地看到:“實(shí)驗(yàn)”幫助我們收集一些證據(jù),包括:現(xiàn)象發(fā)生的條件、現(xiàn)象的重要特征、現(xiàn)象變化的量值、影響現(xiàn)象變化量值的關(guān)鍵因素．但是,這些證據(jù)并不能揭示出事物的本質(zhì)規(guī)律．而“理性思維”幫助我們分析、歸納、概括,得出了合理的推論．“理性思維”是指把收集到的證據(jù),通過(guò)大腦“加工處理,去粗取精,去偽存真”的過(guò)程,即發(fā)現(xiàn)事物中最本質(zhì)的東西．

可見(jiàn),牛頓第一定律是在理想條件下,借助理想實(shí)驗(yàn),通過(guò)邏輯推理的方法得到的．理性思維在揭示事物本質(zhì)過(guò)程中起到關(guān)鍵性、決定性的作用,所以說(shuō),思維是科學(xué)探究的靈魂．

3 實(shí)驗(yàn)探究:思維生長(zhǎng)的沃土

德波諾說(shuō)過(guò): 思維就是為了某一目的的探究.實(shí)驗(yàn)操作不僅是在思維控制下的一種思維的“外現(xiàn)”,更重要的是在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,對(duì)思維相關(guān)因素的活躍以及品質(zhì)產(chǎn)生一種刺激的作用．

從實(shí)驗(yàn)探究目的看,檢驗(yàn)物理理論、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律或物理特征、測(cè)定物理量等,都需要巧妙構(gòu)思、精心設(shè)計(jì)出科學(xué)的探究方案,以求對(duì)探究的問(wèn)題做出客觀真實(shí)的回答,這實(shí)際上是一個(gè)縝密的思維過(guò)程;從實(shí)驗(yàn)的操作看,測(cè)量什么、如何測(cè)量及保證實(shí)驗(yàn)的精度?以及如何控制變量、獲得信息等,理性思維仍需占據(jù)主導(dǎo)地位;從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理看,更是顯示了理性思維的突出地位,且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作恰當(dāng)正確的理論解釋和概括,無(wú)疑是更高層次理性思維的產(chǎn)物,往往由此導(dǎo)致新的科學(xué)發(fā)現(xiàn),所以說(shuō)實(shí)驗(yàn)探究是思維生長(zhǎng)的沃土．

在牛頓第一定律教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)中活化思維,通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化思維,處處促進(jìn)學(xué)生思維的生長(zhǎng)．思維生長(zhǎng)的主要著力點(diǎn)見(jiàn)表7．

表7 牛頓第一定律教學(xué)中思維訓(xùn)練著力點(diǎn)

續(xù)表

科學(xué)家的探究總是從問(wèn)題開(kāi)始,又以問(wèn)題結(jié)束．教學(xué)中的科學(xué)探究既能讓物理魅力增加,課堂更精彩,更能讓學(xué)生的思維得到發(fā)展、生長(zhǎng),科學(xué)開(kāi)展探究教學(xué)正是物理核心素養(yǎng)落地的重要抓手,值得我們深度思考、有效實(shí)施．