指向?qū)W生科學思維的物理實驗創(chuàng)新能力培養(yǎng)

樊黨娟

摘 要：科學思維是物理學科核心素養(yǎng)之一，落實初中生科學思維培養(yǎng)的側重點可放在邏輯思維能力的培養(yǎng)上.筆者通過分析全國各地區(qū)的部分中考試題，在課堂教學中以初中物理實驗探究為載體，把分析與綜合、個別與一般、逆向思維等邏輯思維方法融入物理教學評價中，并對初中階段的部分實驗進行整合與創(chuàng)新，促進學生的高階思維能力發(fā)展，提升學生科學思維素養(yǎng).

關鍵詞：科學思維;創(chuàng)新;歸納;演繹

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0012-03

作者簡介：樊黨娟（1963-），女，寧夏銀川人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學研究.

物理學是一門基于觀察與實驗，運用數(shù)學等工具合理建構物理模型，并進行科學的假設、推理和論證，最終形成系統(tǒng)的研究方法和建立完善的理論體系的學科.科學思維是從物理學科的視角出發(fā)，對自然界客觀事物的內(nèi)在屬性、內(nèi)在規(guī)律認識的一種方式，往往事物之間的關系定性成為難點;科學思維也是基于生活中的經(jīng)驗事實通過創(chuàng)新、歸納和演繹合理建構物理模型的抽象概括過程.教師對中學生科學思維能力的培養(yǎng)尤為重要，培養(yǎng)初中生科學思維是課堂教學的重要目標之一，其中合理建構模型是一種重要的科學思維方法，教師要在教學中滲透建構物理模型的思維方法，讓學生用物理模型來解決生活中遇到的實際問題.在學生科學探究過程中，教師應該引導學生發(fā)現(xiàn)和提出問題，根據(jù)解決問題需要，收集和選擇有用信息，基于證據(jù)和邏輯做出合理解釋，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力.

1 中考試題中物理科學思維能力的考查

在物理中考試卷中，題目的命制不是為培養(yǎng)學生解題技巧，而是通過生活中常見情境引發(fā)學生思考.教師創(chuàng)設合理情景可以幫助學生發(fā)現(xiàn)題干中的問題，促使學生在解題過程中全面分析、體驗物理情境，在短時間內(nèi)抽象出物理規(guī)律，通過在大腦中建構物理模型，培養(yǎng)學生從定性分析到定量研究問題的物理思維.筆者發(fā)現(xiàn)各省市部分中考試題綜合性強，循序漸進，通過遞進設問讓學生思維能力不斷進階，最終基于數(shù)據(jù)分析和邏輯培養(yǎng)學生科學思維.其中物理實驗創(chuàng)新能力培養(yǎng)對學生科學思維的形成起到至關重要作用.物理是一門以實驗為基礎的學科，學生通過實驗可以發(fā)現(xiàn)客觀事物內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)屬性，學生在探究過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，引起學生質(zhì)疑，利用小組合作的優(yōu)勢培養(yǎng)學生推理論證能力、實驗創(chuàng)新能力，從而內(nèi)化其創(chuàng)造性能力促進科學思維的形成.

2 體現(xiàn)物理科學思維能力的實例分析

在初三中考一輪復習過程中，筆者查閱了近幾年全國各省市中考試題，對部分能體現(xiàn)學生科學思維能力培養(yǎng)的試題進行篩選，并對物理科學思維的形成過程進行探究.下面以基于物理創(chuàng)新實驗裝置解決生活中實際問題為例，淺談學生科學思維能力的培養(yǎng).

2.1 拋“磚”引“玉”，從個別到一般的歸納思維

歸納推理是從個別到一般，從具體問題中抽象概括出普遍結論的推理，在初中階段，學生思維能力較弱，教師要引導學生從個別到一般尋找物理規(guī)律，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力.比如在初中物理教材“透鏡”一節(jié)，教師通過實驗探究得到透鏡對光的作用.為了拓展延伸，教師給出透鏡三種特殊入射光線，即：平行于主光軸的入射光線、過光心的入射光線、過焦點的入射光線，以凸透鏡為例，它們的折射光線分別是過焦點、方向不變、平行于主光軸，如圖1所示.

如果考查透鏡對一般光線的作用（特殊光線以外），學生往往會形成定向思維，無法跳出舊的思維模式，面對新的情境無所適從.如圖2所示，根據(jù)不同入射光線通過透鏡后折射光線的方向，在虛線框里填入適當透鏡.學生拿到試題，首先會想到凸透鏡對光具有會聚作用，凹透鏡對光具有發(fā)散作用.學生會根據(jù)前概念得出錯誤結論：即甲透鏡為凹透鏡，乙透鏡為凸透鏡.因此需要從透鏡對個別特殊光線的作用到對一般光線的作用過渡，學生在歸納基礎上還要進行科學拓展，不然就會陷入錯誤的理解區(qū)域.

如果沒有透鏡，光線將在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，如圖3中虛線所示.虛線框中放入甲透鏡后，通過與原來的直線傳播方向比較，明顯可以看到光線向內(nèi)側發(fā)生偏折， 因此甲透鏡對光具有會聚作用，為凸透鏡;同理乙透鏡對光線具有發(fā)散作用，為凹透鏡.這種從個別到一般的歸納課程設計，符合中學生對物理知識的認知規(guī)律，而且教師循序漸進地引導可以培養(yǎng)學生的科學思維.教師在講授透鏡對光線的作用時，應該先講解個別情況，讓學生通過演示實驗觀察不同透鏡對特殊光線的作用，再拓展到一般情況，對所有情況進行歸納總結，在腦海中構建一個完整的知識體系.

2.2 另辟蹊徑，學生逆向思維的考查

學生在學習過程中由于習慣于正向思維，受自我認知的束縛，不能擺脫原有認知體系，因此常常缺乏分析問題能力.筆者認為在物理教學中有意識地加強對學生逆向思維訓練，對提高學生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力具有很大幫助.

如圖4所示，在甲圖中用溫度計測量液體溫度.溫度計利用液體熱脹冷縮的原理，其玻璃泡受熱膨脹，內(nèi)部水銀柱就會上升，最終顯示溫度的高低.學生在掌握溫度計使用方法后，能快速地讀數(shù)確定某時刻液體的溫度.筆者在初三復習課中用到了乙圖中的溫度計，學生拿到試題無所適從，由于思維定勢，不知道如何去測量物體溫度.圖乙中玻璃管液柱上方有部分空氣，利用空氣中玻璃泡測量氣體溫度，首先學生遇到的第一個問題，玻璃泡中沒有液體怎么熱脹冷縮？因此教師要打破學生思維定勢，空氣也可以熱脹冷縮.接著就會有兩種情況：其一是當玻璃泡外界大氣壓不變時，當外界氣體溫度升高時，玻璃泡內(nèi)部氣體受熱膨脹，液柱下降，圖乙中B點的溫度高于A點溫度;其二是當被測溫度不變時，如果外界大氣壓減小，玻璃泡內(nèi)部氣壓大于外界氣壓，在內(nèi)部氣壓作用下，玻璃管中液注也會下降.因此，教師有意識地對學生進行逆向思維訓練，不僅可以激發(fā)學生學習物理的興趣，而且可以培養(yǎng)他們創(chuàng)新意識、科學思維和質(zhì)疑習慣.

2.3 標新立異，從一般到個別的演繹思維

在歷年中考試題中，傳感器的使用、儀表的改裝居多.大多數(shù)試題使用電壓表或電流表來定性地判斷力的變化情況，進而揭示力傳感器的工作原理.在中考一輪復習中為學生精選一些試題，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)學生的科學思維.

情景1 如圖5所示，甲是電子秤的原理圖.Rx為壓力傳感器，它的特性是Rx的阻值隨壓力的變化而變化，其具體變化關系如圖乙所示，壓力傳感器表面有壓力承載范圍限制，壓桿與壓力傳感器的接觸面積一定，其中托盤的質(zhì)量、壓桿的質(zhì)量可以忽略不計.眾所周知，通過實驗創(chuàng)新，電子秤的出現(xiàn)給人們的生活帶來了便利，直觀快捷.電子秤的工作電路中結合壓力傳感器和歐姆定律相關知識.其原理是：壓力表是由電流表改裝而成，將壓力變化轉(zhuǎn)換為電流表的示數(shù)變化.從圖乙中可以看到壓力傳感器的阻值隨壓力值呈非線性變化.從甲圖中定性分析可以得出結論：當壓力增大時，其阻值減小，電路中電流增大，電流表示數(shù)變化和壓力大小之間呈正相關.學生通過電路分析得到壓力變化與電流表示數(shù)的定性關系，此過程考查學生的邏輯思維和物理觀念.

教師引導學生繼續(xù)追問：我們只是定性地知道壓力與電流表示數(shù)的關系，但是壓力大小和電流表示數(shù)之間到底存在怎樣的關系？進而引發(fā)學生的思考.教師給出另一個創(chuàng)新實驗模型如圖6所示，讓學生通過小組探究首先分析物理模型，建構合理的表達式來定量計算儀表示數(shù)和力的對應關系，進而培養(yǎng)學生科學思維和實驗創(chuàng)新能力.

情景2（中考題改編） 如圖6所示，在物理實驗課中，學生受到電子秤原理的啟發(fā)，通過小組合作，探究設計了一款壓力表.學生通過小組合作、交流得到了電壓表示數(shù)U與托盤所受壓力F的解析式.

學生分析：如圖6所示，設滑片移動時，電壓表所測得電壓值隨著滑片的移動而改變，電壓表示數(shù)表征了電阻值為R′時其兩端的電壓值，其中R′大小與滑動變阻器長度有關，設總長度為l.壓力為F時彈簧壓縮量為x.

根據(jù)胡克定律可知：F=kx①

當P恰好位于R的最下端時托盤所受壓力為F2.此時：F2=kl②

由①②得到：F=xlF2 ③

圖6中電壓表的示數(shù)U=ER+R0R′④

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，如果不考慮電阻受到的溫度影響，當導體的材料、橫截面積一定時，導體的電阻值與導體的長度呈正相關關系.因此，長度為l時，導體的電阻為R，長度為任意值x時，導體的電阻值為R′=xlR⑤

由③④⑤得：U=ER+R0·RF2F.

通過上述推導得到了電壓表示數(shù)和壓力值之間的關系式，學生可以把抽象的壓力變化轉(zhuǎn)化為簡單的邏輯關系式，從定性到定量，一方面符合學生的認知規(guī)律;另一方面通過建模、從一般到個別的演繹得到普遍規(guī)律，學生通過參與學習的過程可以促進其科學思維的形成，促進學生高階思維發(fā)展.

總之，在物理教學中，教師首先要借助問卷前測、引導式提問等環(huán)節(jié)了解學生已有認知水平和能力水平.然后基于學生已有知識框架，以突破學生的思維障礙為目標設計課程，利用由個別到一般的歸納思維、學生逆向思維培養(yǎng)、從一般到個別的演繹思維對初中物理知識中傳統(tǒng)實驗進行創(chuàng)新，打破學生原有認知觀念，通過科學建模、質(zhì)疑、科學推理促進中學生科學思維的形成，提升學生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]許亞偉.高中物理教學中學生逆向思維能力培養(yǎng)的策略[J].中學教學參考，2017（08）：73.

[3]張羽燕.初中物理教學中學生科學思維的培養(yǎng)[J].物理教學探討，2018，36（01）：32-35.

[4]劉鵬.實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維能力的思考[J].中學物理教學參考，2021，50（15）：47-48.

[5]汪文軍.基于初中物理科學思維的錯誤前概念轉(zhuǎn)化[J].數(shù)理化解題研究，2021（14）：48-49.

（收稿日期：2021-04-21）