以多元化的物理情境教學(xué)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

尤飛鵬

摘 ? 要：發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要目標(biāo)之一。文章從情境創(chuàng)設(shè)的角度，以“物理學(xué)史、模型建構(gòu)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)踐”為載體，結(jié)合教學(xué)實(shí)例，闡述在高中物理教學(xué)中如何多維度地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：物理情境；情境教學(xué)；科學(xué)思維

科學(xué)思維作為高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是形成物理觀念的重要途徑。物理學(xué)中的一些重要概念、規(guī)律，如相互作用與運(yùn)動(dòng)定律、機(jī)械能守恒定律等都是科學(xué)思維的產(chǎn)物?？茖W(xué)思維貫穿于科學(xué)探究的一般過(guò)程，是科學(xué)探究的重要組成部分。在科學(xué)探究的過(guò)程中，需要比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、批判性思維等多種思維方法。因此，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要目標(biāo)之一。從物理學(xué)史、模型建構(gòu)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)踐等方面為載體創(chuàng)設(shè)物理教學(xué)情境，可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法探討、闡釋物理現(xiàn)象及規(guī)律，解決實(shí)際問(wèn)題，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

1 ?以物理學(xué)史為載體，發(fā)展質(zhì)疑創(chuàng)新思維

物理學(xué)史通常是物理科學(xué)發(fā)展過(guò)程中里程碑式的研究成果，不僅敘述著科學(xué)家的探究故事，還蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)知識(shí)、嚴(yán)密的科學(xué)思維、求真的探索精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度?？v觀物理科學(xué)史的發(fā)展過(guò)程，它并不是一帆風(fēng)順的，而是一個(gè)在繼承中不斷修正和完善的過(guò)程。每個(gè)科學(xué)家研究的著力點(diǎn)往往是針對(duì)前人研究成果的可疑之處進(jìn)行深入分析得出來(lái)的。因此，以物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，可引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡層層深入科學(xué)探究過(guò)程，品悟科學(xué)的開(kāi)放修正性，從而發(fā)展學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新等思維品質(zhì)。

“人類對(duì)太空的不懈探索”這節(jié)的教材內(nèi)容是按照歷史時(shí)間為序展開(kāi)，介紹了牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的歷史背景，展示了人類探索太空的曲折與艱辛。在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師重在對(duì)托勒密“地心說(shuō)”、哥白尼“日心說(shuō)”、第谷的精確觀測(cè)、開(kāi)普勒的嚴(yán)密計(jì)算和三定律、牛頓“萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)”等素材進(jìn)行科學(xué)思維上的引導(dǎo)創(chuàng)設(shè)。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)家研究結(jié)果的分析，進(jìn)一步設(shè)問(wèn)，并以此為新的問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行下一步的探究。問(wèn)題情境如下：托勒密“地心說(shuō)”的主要觀點(diǎn)是什么？宇宙的中心真的是地球嗎？“日心說(shuō)”與“地心說(shuō)”爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是什么？第谷通過(guò)精確觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了什么問(wèn)題？開(kāi)普勒的嚴(yán)密計(jì)算對(duì)哥白尼的理論產(chǎn)生了什么樣的挑戰(zhàn)？牛頓能夠建立萬(wàn)有引力定律的原因是什么？這些問(wèn)題環(huán)環(huán)相扣，有利于引導(dǎo)學(xué)生追尋新知識(shí)的生成，提升學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

從本課例的史實(shí)可以看出，每個(gè)科學(xué)家的研究都會(huì)受到身處時(shí)代背景的影響，每個(gè)研究成果都有一定的局限性，科學(xué)的進(jìn)步離不開(kāi)科學(xué)家們的質(zhì)疑創(chuàng)新思維。物理學(xué)史是高中物理學(xué)的重要內(nèi)容，無(wú)論是機(jī)械能、萬(wàn)有引力、電磁場(chǎng)，還是光的折射等學(xué)習(xí)內(nèi)容都離不開(kāi)物理學(xué)史。教師不應(yīng)視而不見(jiàn)或?qū)⑦@些史料當(dāng)作小故事，而應(yīng)在科學(xué)史情境教學(xué)中深度挖掘物理科學(xué)史的教育價(jià)值。以科學(xué)史為載體的情境化教學(xué)，要求教師對(duì)科學(xué)史實(shí)材料有準(zhǔn)確的把握，對(duì)蘊(yùn)含其中的科學(xué)思維有深入的挖掘，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，特別是批判性思維。

2 ?以模型建構(gòu)為載體，強(qiáng)化抽象概括能力

物理模型介于客觀物質(zhì)世界和物理概念、物理規(guī)律之間，是對(duì)自然現(xiàn)象的高度概括。模型建構(gòu)過(guò)程是指將客觀物質(zhì)世界中較復(fù)雜的物理對(duì)象和過(guò)程用一定的思維形式構(gòu)建成物理模型，使物理現(xiàn)象和規(guī)律簡(jiǎn)單化、具體化，幫助學(xué)生理解物理概念和物理規(guī)律，從而解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程[ 1 ]。在物理教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)模型情境有助力于培養(yǎng)學(xué)生的模型思維，發(fā)展抽象概括等科學(xué)思維能力。也有助于學(xué)生在遇到陌生情境時(shí)，能從原始問(wèn)題抽取核心要素，建構(gòu)恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。

“自由落體”一節(jié)的教學(xué)，教師以紙團(tuán)和硬幣兩種不同質(zhì)量的物體自由下落運(yùn)動(dòng)創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生觀察物體下落的情況，并思考問(wèn)題：在正常情況下，不同物體下落規(guī)律是否一樣？在忽略空氣阻力的情況下，不同物體下落規(guī)律會(huì)出現(xiàn)什么樣的變化？落體運(yùn)動(dòng)遵循怎樣的規(guī)律？通過(guò)問(wèn)題的解決，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生將具體的物理過(guò)程抽象出來(lái)，簡(jiǎn)化為自由落體運(yùn)動(dòng)的模型，并提煉自由落體運(yùn)動(dòng)的概念。自由落體運(yùn)動(dòng)模型建構(gòu)的關(guān)鍵在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，從而修正“重物體落得快、輕物體落得慢”的前概念。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷將物體下落的復(fù)雜情境抽象概括為簡(jiǎn)單的理想模型的思維過(guò)程，不僅對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)涵有一定的認(rèn)知，而且體會(huì)建構(gòu)物理模型的思維方式。

建模方法在解決物理實(shí)際問(wèn)題中具有普適性和“四兩撥千斤”的作用，無(wú)論是從動(dòng)量的角度、能量的角度還是力的角度研究問(wèn)題都可以通過(guò)建構(gòu)模型來(lái)解決。因此，發(fā)展學(xué)生的建構(gòu)思想顯得至關(guān)重要。模型情境教學(xué)流程一般包括：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、構(gòu)建物理模型、探究理論知識(shí)、總結(jié)物理規(guī)律或物理概念、解決實(shí)際問(wèn)題。由復(fù)雜的原始物理問(wèn)題簡(jiǎn)化成物理模型的過(guò)程是發(fā)展學(xué)生模型思維的關(guān)鍵，教師應(yīng)在問(wèn)題創(chuàng)設(shè)上多下功夫，有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生思維的轉(zhuǎn)化。

3 ?以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，體悟科學(xué)實(shí)證思想

物理學(xué)科的發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)中的一些重要概念、規(guī)律等，無(wú)一不是建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。物理學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：提出問(wèn)題、做出猜想和假說(shuō)、制定和實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋[ 2 ]。利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情境教學(xué)時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生從探究問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)步驟、證據(jù)和解釋等環(huán)節(jié)展開(kāi)思考和討論，從而激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)力，感悟科學(xué)現(xiàn)象的解釋性，體悟科學(xué)實(shí)證思想。

“安培力及其應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境：探究安培力的方向。步驟一，介紹奧斯特實(shí)驗(yàn)。步驟二，通過(guò)類比和邏輯推理，猜測(cè)磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，然后通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。讓學(xué)生借助自制教具（見(jiàn)圖1）進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，運(yùn)用控制變量法，去探索安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流強(qiáng)度I、在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系。步驟三，啟發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題：磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力的大小、方向可能與哪些因素有關(guān)？有怎樣的關(guān)系？方向又是如何判定的？步驟四，引導(dǎo)學(xué)生抽象概念，得出左手定則。安培力是一個(gè)比較抽象的概念，教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境讓每個(gè)學(xué)生親自驗(yàn)證“磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用”的猜想，推導(dǎo)出磁場(chǎng)力、電流、磁場(chǎng)三者之間大小、方向的關(guān)系，進(jìn)而學(xué)會(huì)計(jì)算安培力的大小，理解左手定則。

用于創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以是科學(xué)家所做的實(shí)驗(yàn)，也可以是教師的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)等?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果都有著豐富的內(nèi)涵，往往作為創(chuàng)設(shè)情境的主要素材。一般情況下，在呈現(xiàn)研究成果之前，應(yīng)先呈現(xiàn)科學(xué)研究過(guò)程，以引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)合理地推導(dǎo)結(jié)論，并嘗試做出解釋。實(shí)驗(yàn)情境具有真實(shí)性、實(shí)踐性、直觀性，學(xué)生可以從中領(lǐng)悟物理概念和物理規(guī)律的真實(shí)來(lái)源。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)積極創(chuàng)設(shè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)推理思維。

4 ?以生活實(shí)踐為載體，深化科學(xué)證據(jù)認(rèn)知

生活實(shí)踐情境是指貼近學(xué)生日常生活的物理現(xiàn)象和問(wèn)題，主要包括三個(gè)方面：大自然中的物理現(xiàn)象，如海市蜃樓、日夜更替、四季變化等；與生產(chǎn)生活相關(guān)的物理問(wèn)題，如中醫(yī)的拔罐原理、冬天穿毛衣時(shí)的靜電現(xiàn)象；科技前沿，如手機(jī)5 G技術(shù)、天和空間站等[ 3 ]。以生活實(shí)踐創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，正是體現(xiàn)了生活處處有物理，物理處處有生活。這樣的情境會(huì)讓物理教學(xué)變得豐富而有趣，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力，自然而然地記住了生活實(shí)踐問(wèn)題中的物理知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生將物理知識(shí)用于解釋生活實(shí)踐問(wèn)題，深化了對(duì)科學(xué)證據(jù)的認(rèn)知能力。

在講授“光的折射”時(shí)，可以給學(xué)生展示人造彩虹、插入水中筷子彎折等現(xiàn)象，讓學(xué)生分析討論這些現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的？有人說(shuō)“不經(jīng)歷風(fēng)雨怎能見(jiàn)彩虹”你認(rèn)為有道理嗎？在講授“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”時(shí)，可播放射箭的相關(guān)視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考：要命中目標(biāo)，站射與騎射這兩種方式哪種比較有難度？為什么？在講授“牛頓第二定律”時(shí)，以我國(guó)復(fù)興號(hào)高速動(dòng)車為載體，創(chuàng)設(shè)物體受力情況的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生求解物體運(yùn)動(dòng)情況，也可以人用力推靜止的柜子為例，引導(dǎo)學(xué)生思考：有時(shí)即使人用了很大的力去推柜子也無(wú)法推動(dòng)它，這是否與牛頓第二定律存在矛盾呢？為什么？

物理教學(xué)的生活化才是教學(xué)的本真，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該思考：與本節(jié)教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的生活實(shí)踐情境有哪些？哪些情境是學(xué)生日常生活中接觸過(guò)的現(xiàn)象或碰到過(guò)的問(wèn)題？進(jìn)而將情境與物理知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，將學(xué)生置身于所創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境中。生活實(shí)踐情境的運(yùn)用主要在于體現(xiàn)學(xué)以致用的思想，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)去解釋具體問(wèn)題。因此，教師應(yīng)避免過(guò)度關(guān)注情境趣味性而應(yīng)重視情境背后蘊(yùn)含的物理知識(shí)和原理。

綜上所述，以物理學(xué)史、模型建構(gòu)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)踐等為載體創(chuàng)設(shè)多元化的物理教學(xué)情境，能夠多維度地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。在教學(xué)實(shí)踐中，教師可以根據(jù)具體的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容采用一種或多種不同的物理情境，結(jié)合多媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)放性的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析解決具體問(wèn)題，從而更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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