科學(xué)教學(xué)中滲透科學(xué)方法的原始物理問(wèn)題探究

楊瀾 王向麗

【摘要】科學(xué)方法是發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要內(nèi)容。基于目前小學(xué)科學(xué)教學(xué)中顯性滲透科學(xué)方法的空白、物理內(nèi)容在小學(xué)科學(xué)中的占比、原始物理問(wèn)題的教育價(jià)值及其與最新科學(xué)課標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，文章通過(guò)幾個(gè)案例探討了以設(shè)置原始物理問(wèn)題為路徑，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中滲透類(lèi)比法、歸納法、比較法的有效方法，為原始物理問(wèn)題的廣泛應(yīng)用提供思路和方法。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；科學(xué)方法；原始物理問(wèn)題；探究

【中圖分類(lèi)號(hào)】G710【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1004—0463（2023）10—0062—04

一、問(wèn)題的提出

歐美等國(guó)家在課程文件中多次提出，全球理科課程改革應(yīng)關(guān)注科學(xué)素養(yǎng)問(wèn)題，科學(xué)方法是其中的重要內(nèi)容[1]?？茖W(xué)方法指人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的一系列正確的思維方式和行為方式[2]，它既是科學(xué)認(rèn)識(shí)的精神手段，也是科學(xué)認(rèn)識(shí)工具的“軟件”，直接為科學(xué)認(rèn)識(shí)服務(wù)[3]。小學(xué)科學(xué)作為一門(mén)兼具基礎(chǔ)性、綜合性、實(shí)踐性的課程，是進(jìn)行科學(xué)教育、培養(yǎng)終身發(fā)展能力的基礎(chǔ)，更是形成科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵。2022版新課標(biāo)中明確指出科學(xué)課程需要讓學(xué)生掌握基本的科學(xué)方法，具有初步的思維能力。因此，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)科學(xué)方法教育不僅是新課標(biāo)的基本遵循，也可為中學(xué)理科教育中科學(xué)方法的進(jìn)一步運(yùn)用提供前提。

在目前的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，科學(xué)方法更多地以隱性方式運(yùn)用在知識(shí)傳授和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，而在問(wèn)題的設(shè)置與解決方面，科學(xué)方法的顯性滲透是一片空白。通過(guò)分析小學(xué)科學(xué)內(nèi)容設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)，物理占據(jù)了大部分比重。2022年版新課標(biāo)明確提出要在課程中創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，將學(xué)科概念應(yīng)用到真實(shí)情境中，這恰好與物理教育研究中的原始物理問(wèn)題相對(duì)應(yīng)。因此，以設(shè)置原始物理問(wèn)題為路徑在小學(xué)科學(xué)中顯性滲透科學(xué)方法是絕妙的選擇。

原始物理問(wèn)題指自然界及社會(huì)生產(chǎn)生活中客觀存在且未被加工的問(wèn)題[4]。在有關(guān)原始物理問(wèn)題的研究方面，孫鐵斌試圖利用原始物理問(wèn)題突破高三復(fù)習(xí)的“高原期”[5]；邢紅軍等比較研究了初中生解決中考物理計(jì)算題與原始物理問(wèn)題的能力[6]；陳輝通過(guò)原始物理問(wèn)題剖析了學(xué)生建立物理模型的障礙及原因[7]；于永建等結(jié)合2019年高考真題改編、原創(chuàng)了一組相關(guān)原始物理問(wèn)題等[8]。從目前的研究現(xiàn)狀可以看出，原始物理問(wèn)題具有重要的研究?jī)r(jià)值，但相關(guān)研究大多集中在中學(xué)階段，小學(xué)階段沒(méi)有涉及。因此，基于目前在小學(xué)科學(xué)的問(wèn)題設(shè)置中滲透科學(xué)方法的不足、物理內(nèi)容在小學(xué)科學(xué)中的占比、原始物理問(wèn)題的教育價(jià)值及其與新課標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文以4個(gè)案例為例，探索了通過(guò)設(shè)置原始物理問(wèn)題在小學(xué)科學(xué)中滲透科學(xué)方法的思路和具體做法。

二、原始物理問(wèn)題的教育價(jià)值

1.激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。斯賓塞認(rèn)為：“興趣是求知和學(xué)習(xí)最大的動(dòng)力?！笨梢?jiàn)，興趣在教育過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用。直接抽象化的習(xí)題往往是枯燥單調(diào)的文字表述，不能使學(xué)生有效聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)生活，且容易超出小學(xué)生的理解和認(rèn)知水平，造成對(duì)學(xué)科的畏懼和厭煩情緒。而原始物理問(wèn)題是由現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)現(xiàn)象引發(fā)的思考，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，成為教學(xué)過(guò)程中知、情、意、行有機(jī)結(jié)合的“發(fā)動(dòng)機(jī)”和“催化劑”[9]，為快樂(lè)學(xué)習(xí)和減量提質(zhì)創(chuàng)造源泉。

2.加深知識(shí)理解，抽象概念具體化。皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論認(rèn)為，小學(xué)階段的學(xué)生正在逐漸形成抽象思維，但仍需要具體事物的支持[10]。原始物理問(wèn)題為學(xué)生提供了具體生動(dòng)的生活實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生從生活和自然中走向物理。這恰好能夠適應(yīng)學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)抽象概念的生活化、具體化，使他們了解物理現(xiàn)象、掌握物理規(guī)律，進(jìn)而加深對(duì)知識(shí)概念的深層次理解。

3.加強(qiáng)理論和實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)知識(shí)的有效遷移。實(shí)踐是理論的基礎(chǔ)，而理論必須與實(shí)踐相結(jié)合，接受實(shí)踐的檢驗(yàn)并為其服務(wù)，兩者相輔相成[11]。傳統(tǒng)的習(xí)題練習(xí)從根本上來(lái)說(shuō)仍屬于機(jī)械化的理論學(xué)習(xí)，無(wú)法有效地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，而原始物理問(wèn)題來(lái)源于生活情境并解決實(shí)際問(wèn)題，可以很好地克服這一缺陷。并且生活中許多物理現(xiàn)象蘊(yùn)含的原理相同，學(xué)生很容易舉一反三，從而促進(jìn)知識(shí)的有效遷移，使學(xué)生在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中運(yùn)用，在遷移中創(chuàng)新。

4.促進(jìn)知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化，提升科學(xué)素養(yǎng)。原始物理問(wèn)題的解決往往需要多種能力的配合，包括對(duì)真實(shí)生活情境中的現(xiàn)象進(jìn)行思考，并將其轉(zhuǎn)換為物理語(yǔ)言的建模能力、科學(xué)推理的實(shí)證能力等。在小學(xué)科學(xué)中設(shè)置原始物理問(wèn)題，可以使學(xué)生從兒童時(shí)期就接觸實(shí)際問(wèn)題并進(jìn)行分析、建模和實(shí)證訓(xùn)練，從而促進(jìn)知識(shí)向多種能力轉(zhuǎn)化。另外，還可引導(dǎo)學(xué)生從表觀現(xiàn)象中總結(jié)歸納事物的本質(zhì)規(guī)律，培養(yǎng)透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的哲學(xué)思想和思維方式，從而全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、滲透科學(xué)方法的原始物理問(wèn)題案例分析

1.類(lèi)比法。類(lèi)比法指對(duì)比兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)象間的相似性，從已知對(duì)象認(rèn)識(shí)未知對(duì)象，得出描述未知對(duì)象的概念與特征的方法[12]。類(lèi)比法不僅可以使分析和解決問(wèn)題更加快速簡(jiǎn)捷，而且還能促進(jìn)知識(shí)和技能的靈活運(yùn)用與遷移[13]，為學(xué)生學(xué)習(xí)新技能、進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)和探索、培養(yǎng)創(chuàng)造能力提供重要途徑[14]。

【案例】光的反射是生活中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，我們利用它在鏡子前整理著裝，科學(xué)家利用它制造出潛望鏡、額鏡、汽車(chē)后視鏡等，那么聲音遇到障礙物也會(huì)發(fā)生反射嗎？請(qǐng)利用類(lèi)比法通過(guò)分析光的反射現(xiàn)象描述聲音的反射。

最新教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)“光的反射現(xiàn)象”一課中，學(xué)生了解了光在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)會(huì)改變傳播方向產(chǎn)生反射的現(xiàn)象。潛望鏡的制作便利用了這一原理，如圖1所示。光的本質(zhì)是電磁波，而聲音的本質(zhì)也是一種波——機(jī)械波，雖然兩者本質(zhì)不同，但具有相同的性質(zhì)。如我們?cè)谏焦戎新?tīng)到的回聲，其反射原理如圖2所示。聲音的反射原理在生活中應(yīng)用廣泛，如在醫(yī)學(xué)上用B超為病人檢查身體，利用聲吶技術(shù)或設(shè)備探測(cè)海洋深度等。本題的設(shè)置可與中學(xué)物理良好銜接，形成層次清晰、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹R(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也可以將我國(guó)高精尖技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)滲透在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，促進(jìn)小學(xué)階段課程思政建設(shè)和學(xué)生核心素養(yǎng)的提高。

2.歸納法。歸納法是由個(gè)例性知識(shí)推出一般性結(jié)論的方法[15]。歸納法不僅能促使學(xué)生理解事物的本質(zhì)，而且可促進(jìn)學(xué)生抽象思維和概括能力的提高[16]，使學(xué)生形成良好的思維習(xí)慣。

【案例】生活中電磁起重機(jī)、揚(yáng)聲器、磁懸浮列車(chē)等器械的結(jié)構(gòu)中都含有磁鐵或電磁鐵，它們?cè)诮油娫春箝_(kāi)始工作，你能通過(guò)分析工作原理后用歸納法總結(jié)出磁現(xiàn)象和電流的關(guān)系嗎？

教科版小學(xué)科學(xué)二年級(jí)下冊(cè)“磁鐵”單元介紹了基本的磁知識(shí)，其中提到的磁鐵既包括天然磁鐵，也包括電磁鐵，即鐵芯外部纏繞與其功率相匹配的導(dǎo)電線組裝置，它們?cè)谏钪袘?yīng)用廣泛且具有共通之處。例如，電磁起重機(jī)接通電源工作時(shí)會(huì)將大量鋼鐵材料牢牢吸引住，如圖3（a）所示，而斷開(kāi)電源后這些鋼鐵材料將掉落，如圖3（b）所示；揚(yáng)聲器接通電源后，內(nèi)部線圈因有電流通過(guò)便產(chǎn)生了磁性，使其和內(nèi)部磁鐵一會(huì)吸引一會(huì)排斥發(fā)生振動(dòng)；磁懸浮列車(chē)通電后，位于列車(chē)車(chē)廂底部的電磁鐵產(chǎn)生了磁性，它和軌道上的電磁鐵相互排斥從而將列車(chē)從導(dǎo)軌上抬升或懸浮起來(lái)。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，接通電源有電流通過(guò)電磁鐵時(shí)它便產(chǎn)生了磁性，說(shuō)明磁現(xiàn)象與電流有關(guān)，這就是電流的磁效應(yīng)。本題的設(shè)置可以為學(xué)生創(chuàng)造最近發(fā)展區(qū)，將電流與磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)間的交叉融合，并可為中學(xué)進(jìn)一步學(xué)習(xí)電磁現(xiàn)象創(chuàng)造必備的前提條件。

3.比較法。比較法是把兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)象進(jìn)行比較，辨別異同、認(rèn)識(shí)本質(zhì)、揭示事物規(guī)律的思維方法[17]。它不僅可以促進(jìn)學(xué)生掌握事物間內(nèi)在的更深層次關(guān)系，而且在易混淆概念和知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)與學(xué)習(xí)中尤其重要。

【案例】戴玉強(qiáng)和葉佩英是我們非常熟悉的高音歌手，聆聽(tīng)他們演唱時(shí)我們可以將電視音量調(diào)大一些，以便更好地欣賞歌曲。這里說(shuō)的高音和音量是一回事嗎？你能利用比較法說(shuō)明嗎？

本題通過(guò)將音高和音量這兩個(gè)概念進(jìn)行比較，加深學(xué)生對(duì)聲音的認(rèn)識(shí)，以便更好地理解其物理實(shí)質(zhì)。題目中的高音指音高，即聲音的高低，音量指聲音的大小、強(qiáng)弱、輕重，它們是用來(lái)描述聲音不同屬性的兩個(gè)物理量，學(xué)生在學(xué)習(xí)中極易混淆。音高取決于振動(dòng)物體的頻率，而振動(dòng)頻率與振動(dòng)系統(tǒng)的固有屬性有關(guān)，如物體的質(zhì)量、長(zhǎng)短、粗細(xì)、大小等。音量取決于距離發(fā)聲體的距離和振動(dòng)的幅度，而振幅與振動(dòng)系統(tǒng)的初始條件有關(guān)，如施加于物體的外力大小。音高與音量的物理實(shí)質(zhì)及影響因素如圖4所示。

小學(xué)科學(xué)作為一門(mén)兼具基礎(chǔ)性、綜合性、實(shí)踐性的課程，是形成科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵。而原始物理問(wèn)題與新課標(biāo)對(duì)真實(shí)生活情境的強(qiáng)調(diào)相吻合，且其在小學(xué)科學(xué)中具有重要的教育價(jià)值，因而以設(shè)置原始物理問(wèn)題為路徑在小學(xué)科學(xué)中滲透科學(xué)方法是極其必要且有意義的，但目前相關(guān)研究非常缺乏。本文通過(guò)設(shè)置4個(gè)原始物理問(wèn)題案例，探討了類(lèi)比法、歸納法、比較法在小學(xué)科學(xué)中的顯性滲透路徑。期望本論文的研究能夠?yàn)樾W(xué)科學(xué)的教學(xué)提供一定的參考和借鑒，為原始物理問(wèn)題的廣泛應(yīng)用提供思路和方法。

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（本文系“中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目”的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：31920220079；西北民族大學(xué)2023年校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“創(chuàng)新模式下量子力學(xué)課程多樣化教學(xué)模式探究”的研究成果；“2022年度甘肅省高等教育教學(xué)成果培育項(xiàng)目”資助成果，項(xiàng)目編號(hào)：2022GSJXCGPY-06）

編輯：張昀