基于深度學(xué)習(xí)下的物理科學(xué)思維的培養(yǎng)

焦?jié)櫽? 葉成林

摘 要：物理深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)對學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，科學(xué)思維能力包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑和創(chuàng)新等要素.本文從四個方面闡述教師在教學(xué)過程中應(yīng)如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí).

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;深度學(xué)習(xí);模型建構(gòu)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0044-03

基金項目：江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十三期重點(diǎn)資助課題“初中物理科學(xué)探究中培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的策略研究”（項目編號：2019JK13-ZA16）;儀征市立項課題“基于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的‘深度學(xué)習(xí)策略研究”（項目編號：2020/G/L017）.

作者簡介：焦?jié)櫽拢?974-），男，江蘇儀征人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理課堂教學(xué);

葉成林（1969-），男，江蘇儀征人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向： 中學(xué)物理課堂教學(xué)與實(shí)踐研究.

物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等四個部分.科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.物理深度學(xué)習(xí)有利于訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維能力，即幫助學(xué)生在掌握學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從物理角度認(rèn)識和了解自然，引導(dǎo)學(xué)生再現(xiàn)物理探究的過程，合理使用科學(xué)探究方法，養(yǎng)成用物理科學(xué)思維解決物理問題以及生活中實(shí)際問題的良好習(xí)慣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力.那么，如何培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)思維？筆者從以下幾個方面做出嘗試.

1 在模型建構(gòu)過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

模型是對實(shí)際問題的抽象描述，構(gòu)建物理模型是研究物理問題的科學(xué)思維方法.在物理教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中提出問題、解決并產(chǎn)生新問題，將情境與抽象概念進(jìn)行模型建構(gòu)，不僅有利于學(xué)生對所學(xué)知識深度感悟，又能培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)思維.通過物理模型建構(gòu)，使得許多抽象的物理知識具體化、直觀化、形象化，驅(qū)動學(xué)生深度思考，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)、發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)并促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).

比如，在學(xué)習(xí)定滑輪的使用后，學(xué)生很容易建構(gòu)定滑輪是等臂杠桿的模型，但這一建構(gòu)卻對動滑輪的模型建構(gòu)形成負(fù)遷移，學(xué)生不假思索地認(rèn)為動滑輪的支點(diǎn)也是軸心.為了防止學(xué)生出現(xiàn)這一錯誤假想，教師可以不急于拋出動滑輪的模型建構(gòu)，而是引導(dǎo)學(xué)生一起回憶杠桿的概念，并強(qiáng)調(diào)支點(diǎn)是杠桿旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)，而不是杠桿移動的點(diǎn).然后，教師引導(dǎo)學(xué)生動手嘗試，通過提醒學(xué)生觀察動滑輪在提升物體時滑輪的軸心是否移動，大部分學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，軸心和物體連在一起，物體移動軸心一定會移動，不符合杠桿支點(diǎn)的定義.那支點(diǎn)會在哪里？這時，教師可以讓學(xué)生完成杠桿五要素（如圖1所示），再類比動滑輪，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)支點(diǎn)在最左側(cè)的接觸點(diǎn)處，也順理成章過渡到圖2、圖3，學(xué)生對動滑輪的實(shí)質(zhì)理解更加深刻.

科學(xué)思維過程化，是指通過學(xué)習(xí)問題過程化，在短期內(nèi)加深學(xué)生對物理模型的理解，進(jìn)一步熟悉每個物理知識點(diǎn)的特點(diǎn).在熟練掌握物理模型的基本特征后，加深學(xué)生物理學(xué)科的深度學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理科學(xué)思維的發(fā)展.

2 在科學(xué)推理過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)推理是學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有知識和所給條件與事實(shí)，進(jìn)行邏輯思維推導(dǎo)，做出自己的判斷，形成正確結(jié)論.學(xué)生學(xué)習(xí)的過程不僅僅是簡單的信息積累，更是新舊知識和經(jīng)驗(yàn)之間的認(rèn)知沖突，并由此產(chǎn)生認(rèn)知結(jié)果的推理和重組.在物理教學(xué)中，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，運(yùn)用已有知識和方法進(jìn)行互動，進(jìn)一步進(jìn)行邏輯推理，從而得出正確結(jié)論.

物理是以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)，探究活動是獲取知識的手段，其中探究方案的設(shè)計本身要求較高的嚴(yán)謹(jǐn)性和邏輯性，方案的設(shè)計過程其實(shí)就是一次嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖晕曳此己妥晕遗u的過程，有經(jīng)驗(yàn)的教師會在方案制定過程中培育學(xué)生探索性與邏輯性的思維特質(zhì)，對已有知識進(jìn)行演繹與推理，同時能有效地發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維.

比如，在探究電流做功大小與哪些因素有關(guān)時，學(xué)生猜想后接著要設(shè)計方案，一些教師首先給出電路圖，講解此電路控制什么變量，改變什么變量，學(xué)生應(yīng)該做什么？怎么做？一步一步朝著想要的結(jié)論帶領(lǐng)學(xué)生驗(yàn)證，將學(xué)生“灌”的暈頭轉(zhuǎn)向，學(xué)生越學(xué)越覺得困難、乏味.如果換一種方式結(jié)果會是怎么樣？

師：如果探究W與U的關(guān)系需要控制什么變量？

生：I和t.

師：電路需要串聯(lián)還是并聯(lián)？

生：串聯(lián)，控制I、t一定，改變U即可.

師：串聯(lián)電路怎樣讓導(dǎo)體兩端電壓不相等？如何知道電壓不相等？

生：根據(jù)串聯(lián)分壓特點(diǎn)，讓兩只燈泡規(guī)格不同即電阻不同，分擔(dān)電壓不同，在兩只燈泡兩端并聯(lián)電壓表跟蹤觀察并比較誰的電壓大.

師：I、t一定，電流對哪只燈泡做功多？你準(zhǔn)備觀察什么？

生：我準(zhǔn)備觀察小燈泡的亮度，I、t一定時，電流做功越多，電能轉(zhuǎn)化為光能越多，燈泡就越亮.

生：為保護(hù)電路還要增加滑動變阻器.

這樣，教師創(chuàng)設(shè)深度思考的氛圍，學(xué)生順利地從電路圖圖4過渡到圖6，學(xué)生通過質(zhì)疑、批判、肯定實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階，提高分析與處理問題的能力，訓(xùn)練科學(xué)推理能力，真正成為學(xué)習(xí)的主人，最大程度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性.

3 在科學(xué)論證過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)論證是一種依據(jù)科學(xué)事實(shí)、概念或規(guī)律， 運(yùn)用一定的科學(xué)推理方法，證明一個觀點(diǎn)或結(jié)論是否正確的科學(xué)思維.此過程可以在更高層次上促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展.在物理教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)交流，在深入分析的基礎(chǔ)上，取得事實(shí)證據(jù)支持以證明自己觀點(diǎn)是否正確，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證思維.

如在“家庭電路和安全用電”教學(xué)時，針對短路會引起火災(zāi)這一教學(xué)內(nèi)容，由于安全等因素很多教師會選擇簡單陳述，震撼感不強(qiáng)，學(xué)生對短路的認(rèn)識止于淺層學(xué)習(xí)，并沒有認(rèn)同感.究竟什么是短路，短路能造成哪些危害學(xué)生并沒有直觀的感性認(rèn)知.教師在教學(xué)中可以采用實(shí)驗(yàn)，既安全又能激起學(xué)生的探究熱情.利用兩節(jié)干電池、導(dǎo)線、包裝錫紙、口香糖等器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

在實(shí)驗(yàn)過程中，一些學(xué)生將電池正負(fù)兩極直接用錫紙連接（如圖7所示），此時電源已短路，學(xué)生很快因?yàn)闋C手而松開電池.一些學(xué)生經(jīng)過思考，將錫紙中間用剪刀剪細(xì)（如圖8所示）串聯(lián)在電路中，閉合開關(guān)形成回路，這次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極為震撼，學(xué)生很快觀察到錫紙燃燒起來，引起全體學(xué)生尖叫呼喊.

這時教師可以請進(jìn)行圖8實(shí)驗(yàn)的同學(xué)介紹能夠讓錫紙燃燒起來的成功做法，并引導(dǎo)大家分析原因，再次讓全班陷入深思，學(xué)生躍躍欲試，爭先恐后說出各自的想法.此實(shí)驗(yàn)基于真實(shí)情境和問題的解決，教師步步深入，引導(dǎo)學(xué)生思考建構(gòu)新的認(rèn)知，學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到提升.

再如，在“電功率”教學(xué)過程中，在面對額定功率、實(shí)際功率和燈泡亮度三者關(guān)系時，很多學(xué)生感覺到頭疼，分不清、搞不明.為幫助學(xué)生克服障礙，突破難點(diǎn)，教師不妨謀求實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：在家庭電路接線板上同時接上四盞燈（如圖9所示），并引導(dǎo)學(xué)生觀察各燈亮度，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)格燈泡亮度不同.接著教師拋出問題串引領(lǐng)學(xué)生深度思考，額定功率大的燈是否一定亮？燈泡亮度由什么決定？“220V 100W”的燈泡實(shí)際功率一定是100W嗎？后面三盞燈亮度是否相同？能否通過計算證明？學(xué)生通過分析電路，進(jìn)一步推理、判斷并加以計算，再通過實(shí)驗(yàn)探究能夠從本質(zhì)上理解額定功率、實(shí)際功率、燈泡亮度三者關(guān)系且不易遺忘.

綜上所述，分析是論證的前提，論證是分析的結(jié)論.每次實(shí)驗(yàn)設(shè)計與創(chuàng)新都建立在科學(xué)分析論證的基礎(chǔ)之上，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的可靠事實(shí)幫助學(xué)生證明自己觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題能力，發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證思維.

4 在質(zhì)疑創(chuàng)新過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

質(zhì)疑是學(xué)習(xí)者在強(qiáng)烈的好奇心下，敢于獨(dú)立思考，設(shè)難題，敢于大膽發(fā)言，熱烈討論，敢于刨根問底，探索未知.而創(chuàng)新是突出已有知識的局限性，從不同角度思考物理問題.質(zhì)疑是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，創(chuàng)新是質(zhì)疑的深化.在物理課堂教學(xué)中，教師深度評價，引導(dǎo)學(xué)生多提問、多質(zhì)疑，并鼓勵學(xué)生創(chuàng)新方法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新思維.

再如，在蘇科版物理教材九年級第十五章第四節(jié)“電熱器 電流熱效應(yīng)”教學(xué)過程中，就如何探究電熱與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)活動中，教師可以先提供三組不同實(shí)驗(yàn)方案，再拋出問題串引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入深度思考，你準(zhǔn)備選擇哪組器材實(shí)驗(yàn)？為什么這樣選擇？在你選擇的方案中，是通過觀察什么比較電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少？水、煤油、空氣使用哪組介質(zhì)現(xiàn)象更為明顯？

問題串提出后，全班學(xué)生陷入深度思考，部分學(xué)生說圖11錯誤，R1電阻絲阻值大，產(chǎn)生的熱量多，但散熱面積也大，兩根火柴頭應(yīng)該同時被點(diǎn)燃，無法比較R1、R2產(chǎn)生熱量的多少.

但面對圖12、圖13兩圖，班級學(xué)生卻爭論不下，一些支持圖12，一些支持圖13.這時，教師抓住契機(jī)將學(xué)生分為兩組，分別采用圖12、圖13兩圖親自探究，這時學(xué)生的探究熱情被點(diǎn)燃，探究欲望更加強(qiáng)烈.學(xué)生通過對比實(shí)驗(yàn)方案發(fā)現(xiàn)，采用圖13用時少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，學(xué)生又陷入深度思考，為什么加熱空氣現(xiàn)象明顯？師生共同探討、分析，得出是因?yàn)樗涂諝獾谋葻崛荽笮〔煌斐?，?shí)現(xiàn)知識遷移.

通過上述“折騰”，學(xué)生在器材和實(shí)驗(yàn)方案的對比與評價中發(fā)展思維，加深理解.

評價是一種價值判斷，是一種主觀活動.它的作用是指導(dǎo)教學(xué)活動，確定活動目標(biāo)和方向，進(jìn)行評價和溝通，既能體現(xiàn)語言的準(zhǔn)確性、邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性，又能形成深刻反思，使思維更加深刻.

總之，在物理課堂教學(xué)中，教師要緊扣物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)，秉承發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維理念，鼓勵學(xué)生批判和質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生合理建構(gòu)模型，以事實(shí)為判斷依據(jù)，以邏輯推理為論證手段，以質(zhì)疑反思為評價起點(diǎn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).

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（收稿日期：2021-08-03）