物理概念建构视域下的科学思维能力提高策略——以2019年人教版新教材为例.pdf

Vol.39 No.12物 理 教 学 探 讨2021年第12期普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）中将物理学科核心素养分为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面1。其中，科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，提高学生科学思维能力是发展物理学科核心素养的关键所在。2019年版新教材部分省份已经开始使用，教材中每一个物理概念的呈现形式和建构逻辑都凝聚了全国教育专家、学科专家、教材编写专家和一线教师的集体智慧2-4。物理教师在概念教学过程中，要以教材为载体，深入挖掘教材中呈现的物理概念的建构方式，以学生为主体，引导学生参与概念建立的过程并主动进行思维活动，促进学生深入理解物理概念的同时不断提高思维能力和思维品质，使核心素养的培养有切实有效的着力点。1凸显研究本质，加强建模能力物理模型能够加深学生对科学本质的理解。中学阶段常见的物理模型主要有理想化实体模型，如质点、点电荷、单摆、弹簧振子等；理想化过程模型，如匀变速直线运动、平抛运动、自由落体运动、弹性碰撞等；理想化条件模型，如匀强电场、匀强磁场、理想气体等5。在物理概念的教学中，聚焦概念的客观本质特征，引领学生根据物理情境进行思维加工，在对事物抽象和概括的基础上舍弃次要因素，抓住主要因素，建立适当的理想化模型，逐渐培养学生建立物理模型的意识和能力，具体的模型建立过程如图1所示。收稿日期：2021-07-11作者简介：桑韶飞（1995-），男，硕士研究生，主要从事物理学科教学研究。通信作者：李若平（1979-），女，副教授，主要从事物理课程与教学方面的研究。物理概念建构视域下的科学思维能力提高策略以 2019 年人教版新教材为例桑韶飞1，李若平21.河南大学物理与电子学院，河南 开封4750042.物理与电子国家级实验教学示范中心，河南 开封475004摘要：物理概念是对物理现象和物理过程共同属性和本质特征的一种抽象概括。科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。以2019年人教版教材为依托进行概念建构，教师在实施概念教学的过程中，通过凸显研究本质、显化方法教育、强化证据意识、培养批判思维和创造思维，进而提高学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力。关键词：概念建构；科学思维；物理模型；物理教材中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2021）12-0009-5根据具体情境确定研究现象分析研究属性的主、次因素概括论证物理模型应用实践物理模型【案例1】必修1：质点概念的建构（1）呈现具体情境，确定研究现象：“雄鹰在空中翱翔，翅膀在向前运动的同时也在上下运动；足球在绿茵场上滚动，向前运动的同时还在转动”。创设这种双重运动情境（翅膀既向前运动也上下运动，足球向前运动的同时也转动），引领学生主动思考应该研究哪种运动现象，有助于学生从具体的物理情境中聚焦研究现象。图1模型建立过程图9-2021年第12期物 理 教 学 探 讨Vol.39 No.12（2）分析研究属性的主要因素和次要因素：“研究雄鹰从一个位置飞行到另一个位置时，翅膀的运动方式就成了次要因素；研究地球公转引起的位置变化时，自转就可以忽略”。在分析物体运动的过程中，教师要引导学生找出研究属性的主要因素和次要因素，培养忽略次要因素的意识，在复杂运动过程中做到化繁为简，锻炼学生的思维能力。（3）概括论证物理模型，认识“理想化”：“忽略大小和形状进而转化为一个有质量的点叫作质点”，这样忽略次要因素，凸显主要因素，通过理想化的处理方式建立质点模型，进一步帮助学生理解质点的概念。（4）应用实践物理模型，让模型思想根植于心：“一个是被球拍击出的乒乓球，另一个是正在飞行的歼-20隐形战斗机。请你为乒乓球和战斗机创设问题，问题中的乒乓球和战斗机可以是质点也可以不是质点。”应用物理模型解决问题的过程要注重联系生活，这样学生能够在生活中应用物理模型，使模型活起来，有助于学生知识的迁移和物理知识网络的构建。从质点概念的建构来看，教师在引导学生进行概念学习时，要将建构物理模型融入到教学过程中。在引导学生建立物理模型时应注重：模型表征情境化。教师要创设体现概念本质特征的物理情境，这样学生能够在情境中自觉联想到物理知识，进一步确定要研究的物理问题，在潜移默化中提升融合知识与情境的能力。例如，在天体运动模型建立过程中，可以引入“神舟十二号”绕飞空间站这一情境；在平抛运动模型建立过程中，可以让学生去操场参加扔铅球比赛。模型剖析理想化。对建立物理模型过程中的影响因素进行分析，忽略次要因素。例如，在点电荷模型的建立过程中，忽略电荷的质量和体积；在单摆模型的建立过程中，忽略摆球的大小；弹簧振子的建立，忽略了弹簧的质量、振子的大小和形状以及摩擦阻力；理想变压器这一模型的建立，忽略了能量损耗等。模型应用生活化。从学生的日常生活中寻找素材，拉近知识与学生的距离，消除学生的畏惧感。例如，在圆周运动模型中，通过汽车拐弯、火车拐弯、汽车过桥等问题的探讨，或者让学生表演“水流星”节目，使学生应用物理知识在日常生活中发现问题、解决问题。通过模型表征情境化、模型剖析理想化、模型应用生活化，使学生能够充分认识模型的本质特征，进一步引导学生根据实际生活情境抽象出物理模型，进而分析、解决实际问题，逐步培养学生建构模型、应用模型的能力。2显化方法教育，锻炼推理能力科学推理是科学思维中十分重要的一种思维类型，逻辑上包括类比推理、演绎推理和归纳推理6。教材中显化的科学方法有助于发展高中生类比推理能力、演绎推理能力和归纳推理能力。在实际教学中，教师要帮助学生正确理解和应用科学方法，有助于实现物理知识的融会贯通、举一反三，有助于学生科学思维的全面发展。2.1类 比类比是根据两类对象在某些属性上的相同或相似，通过比较来推出它们在其他属性上也相同或相似。在属性或特点上寻找类比对象与类比源的相似性，推过逻辑推理建立起新的物理概念，具体的思维过程如图2所示。类比源属性或特点类比对象属性或特点新概念推理类比其相似性图2类比思维过程【案例2】必修3：磁场和磁感应强度概念的建构类比源：电场和电场强度。根据电荷之间不接触就能发生相互作用的现象，法拉第提出了电荷的周围存在电场，电场是在与电荷的相互作用中表现出自身的特性，因此在研究静电场的电场强度时，引入试探电荷q0，电场在该点的电场强度就是试探电荷的静电力与它的电荷量的比值，即E=Fq0。类比对象：磁场和磁感应强度。根据两个磁体之间不接触也能发生相互作用的现象，类比电场，引入磁场的概念，磁场是在与通电导线的相互作用中表现出自身的特性，因此在研究磁感应强度时，类比电场强度的思维，引入电流元Il，由此，在导线与磁感应强度垂直的情况下，磁感应强度就是安培力与电流元的比值，即B=FIl。类比法在连接新旧知识之间具有启发性的10-Vol.39 No.12物 理 教 学 探 讨2021年第12期相似属性或特点类比源类比对象比值定义式速度加速度、角速度、线速度、功率、电场强度、磁感应强度、电势场的性质重力场；匀强电场；电场线电场、磁场；匀强磁场；磁感线变化率加速度功率、感应电动势过程量功冲量理想化模型质点点电荷做功特点重力做功和重力势能电场力做功和电势能不连续性元电荷能量子、光子乘积定义物理量功动量、冲量表达式相似万有引力定律库仑定律作用，类比源构成了学生学习新知识的逻辑起点，在学习磁场和磁感应强度时，如果以电场和电场强度作为类比源，降低了学生的思维难度，学生的思维活动逐渐从表层向深层移动，培养学生的深层思维。教材中关于物理概念之间的类比还有很多，笔者整理出来（表1），有助于学生建立概念网络，深入理解物理概念。2.2演 绎演绎是由一般到特殊的推理方法。推论前提与结论之间的联系是必然的，是一种确实性推理。【案例3】必修2：动能定理的构建质量为m的某物体在光滑水平面上运动，在与运动方向相同的恒力F的作用下发生一段位移l，速度由v1增加到v2，如图3所示。v1v2FFmml图3物体在恒力作用下运动由牛顿第二定律F=ma，根据匀变速直线运动的速度与位移的关系式v22-v21=2as，在这个过程中，恒力F做的功W=Fl，可得：W=12mv22-12mv21在得到动能的表达式后，可以改写成：W=Ek2-Ek1=Ek通过演绎推理的思维过程，在原有的知识上层层突破，最终对动能定理有了一定的认识，把演绎问题的逻辑方法潜移默化地渗透到学生的思维和学习中，使学生的思维得到了训练和发展，在此基础上引导学生对变力做功积极探索。设一质点在变力F的作用下，沿曲线从a点运动到b点，质点在a、b两点的速率分别为va和vb，dr是运动过程中的元位移，如图4所示。则合外力F做的功为：Aab=ba乙Fdr=ba乙（Fte軆t+Fne軆n）（dse軆t）=ba乙Ftds=ba乙matds=ba乙mdvdtds=ba乙mdvdsdt=vbva乙mvdv=12mv2b-12mv2a即Aab=Ekb-Eka=EkabdrF质点在合外力F作用下从a点运动到b点图4变力条件下物体的运动让学生在不同情况下感受演绎的魅力，参与到恒力做功和变力做功的演绎过程中，提高演绎推理能力。2.3归 纳归纳是一种由个别到一般的推理，由特殊具体的事例推导出一般原理、原则的解释方法。【案例4】必修1：力的构建教材中并没有直接提出力的概念，需要教师推动学生自主探究、相互交流，从大量与力相关的自然、生活、生产现象中归纳概括出来。可参考如下步骤：第一步：呈现演示实验。例如，用弹簧测力计拉动静止在桌面上的物块、用手拍打衣服上的尘表1高中物理概念类比11-2021年第12期物 理 教 学 探 讨Vol.39 No.12土、两个手用力按压在一起等，以此来引导学生建立起力的初步概念，并在此基础上提出力不能离开物体而单独存在，即力是物体与物体之间的相互作用。第二步：问题驱动加深理解。例如，两个物体之间的相互作用，究竟是哪个物体对哪个物体施加了力？弹簧测力计拉动桌面上静止的物块，这里面谁给了谁力？哪个是施力物体？哪个是受力物体？通过这样的问题驱动的形式，促进学生对于问题的深入思考，以更好地建立起力的概念。第三步：归纳。归纳出力是物体与物体的相互作用，力不能离开物体而单独存在，施力物体与受力物体同时存在、同时消失。应用归纳法对物理概念的教学，可以从生活中的实例出发，也可以通过探究实验呈现物理现象，问题驱动引发学生深入思考，层层递进、归纳总结得出物理概念，具体过程如图5所示。列举日常生活实例探究实验，呈现物理现象问题驱动，引发深入思考归纳概括出物理概念图5归纳物理概念归纳法不仅能帮助学生理解物理概念的内涵，也能促进学生对物理概念的外延有一定的认识，帮助学生建立物理概念体系，提高学生的科学推理能力。3强化证据意识，提升论证能力论证是在证据的基础上提出自己的观点，并能够通过推理在观点和证据之间建立起一种合乎逻辑关系的方法。证据是支持观点的材料，可以保证科学论证活动的可靠性和可信度。培养学生科学论证能力的具体过程如图6所示。教师创设问题情境学生提出观点师生共同论证观点学生收集证据图6论证过程【案例5】必修1:加速度概念的建构（1）教师创设问题情境：“一辆小汽车在10 s内，速度从0到100 km/h，一列火车在300 s内，速度也从0到100 km/h”。这两种物体的运动情况是不同的，用“速度大”或“速度小”能描述运动的不同吗?如果不能，应该怎么描述呢？达到速度相同的情况下，能用所经历的时间长短来比较吗？还能用什么来比较呢？通过一系列的物理问题情境，引导学生从情境中提炼问题，有助于学生朝着概念建立的方向思考。（2）学生提出观点：根据速度和时间的对比，学生较容易得出“两个物体速度变化相同，所用时间短的速度变化得快，所用时间长的速度变化得慢”的观点。这样“速度变化快慢”就浮现在学生的脑海里。学生根据自己的已有知识，并在问题的引导下提出自己的认识。（3）学生收集证据：对于高中生来说，生活中最常见的现象就是最好的证据，当然也可以是视频等其他资源，寻找证据来证明自己的观点，主动探索，提升解决问题的能力。例如，可引导学生讨论并收集百米赛跑运动员从起跑到冲刺过程中的有关数据，说明“速度”和“速度的变化”是两个完全不同的概念。（4）师生共同推理论证：“自然界中某量D的变化可以记为D，发生这个变化所用的时间间隔可以记为t，变化量D与t的比值就是这个量对时间的变化率。”物理学中把速度的变化量与发生这一变化所用的时间之比，叫作加速度，用a来表示，则有a=vt。课堂教学应该让学生积极参与，主动从生活中寻找证据，促进对概念的深入理解。4激发批判思维，提高创新能力批判思维是依据一定的理论对结论进行重新思考和质疑的科学思维过程，在解决问题的基础上重新建构问题，属于高阶认知技能。创新是获得全新的解决问题的方法的过程。只有在质疑、批判的驱动下，才能积极自主地进行创新思考。【案例6】必修2：功率概念的建构教师引导学生用批判的眼光审视功率的概念，以此产生对功率新的认识，在潜移默化中提高创新能力，可参考如下教学片段：师：在功率概念的表述中，我们为什么用功W与完成这些功所用时间t的比值定义功率呢？我们能不能用时间t与功W的比值来表示做功的快慢呢？如果能，教材中为什么不这样定义？高中物理中还有哪些概念的定义与此相似？请同学们思考、辨析。生：可以用tW来表示做功的快慢，但这并不符合学生的认知思维习惯，教材中（下转第20页）12-2021年第12期物 理 教 学 探 讨Vol.39 No.12（上接第12页）选用了学生比较容易理解的一种方式来定义功率。在高中学习阶段，加速度也是按照这种方式定义的。师：描述物体做功快慢的方法有哪些？同理，描述速度变化快慢的方法有哪些？生：可以用功W与完成这些功所用时间t的比值，即Wt来表示，也可以用tW来表示，只不过Wt值越大，表明做功越快，而tW越小，表明做功越快；同理，描述物体速度变化快慢可以用这段时间内速度的变化量v与时间t的比值表示，即vt，也可以用tv来表示，不过vt值越大，表明物体速度变化越快，而tv越小，表明速度变化越快。经历过这样的质疑，加深学生对功率概念的理解，促进了思维的发展，开拓了解决问题的新途径。5结束语教材是教师教学的指挥棒，教师要在物理课程标准的指导下，深入分析和挖掘教材在建立物理概念过程中所呈现的模型建构逻辑、科学方法、推理论证过程、批判思维，设计好教学环节与教学情境，并提出精准的物理问题，引发学生去主动思考、积极探索，摒弃传统的自导自演的教学模式，将学生置于主体地位，鼓励学生自主探究，相互交流与讨论，提出自己的观点，并在教师指引下自我修正，最终形成科学理论知识和学习方法，让学生在建构知识的过程中产生思维变化，达到提高学生科学思维能力的目的。参考文献：1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）M.北京：人民教育出版社，2020：4.2人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册M.北京:人民教育出版社,2019：4.3人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第二册M.北京:人民教育出版社,2019：4.4人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册M.北京:人民教育出版社,2019：4.5王晶莹,张跃,张洋.中学物理教师对科学模型教育认识的实证研究J.全球教育展望，2016，45（02）:93-105.6李正福,谷雅慧.论物理核心素养视野下的科学思维教育内容J.课程教材教法，2018，38（02）:97-102.（栏目编辑赵保钢）2.3.2导入与正文间的联系通过教材分析可以发现，导入与正文部分存在联系的章节仅有人教版的第一章第四节，在导入部分构建火车和汽车运动情境后，在正文部分依然以汽车和火车速度继续进行说明，教材内容的连贯有序也能帮助学生有序构建知识。而在其他章节中，两版教材导入与正文部分基本呈现脱节现象，以粤教版第一章第二节为例，教材导入部分构建“探险队在塔克拉玛干沙漠中探险”的情境，明确引出本节课的核心概念“位置、位移和路程”，但是正文部分却又从“生活、生产和技术应用”开始说起，并未提及导入部分的情境内容，造成导入与正文部分脱节。3研究启示通过教材对比分析可以发现，不同版本教材在不同维度上有各自的优势和不足之处。在设计教材导入部分时应该充分考虑以上维度，结合学生的心理特点，基于学生的认知水平及学习兴趣丰富课堂导入形式，在导入部分明确学习任务，通过社会情境激发学生的求知欲和学习自觉性，增强新、旧知识和初、高中知识的联系，设计出更有效的导入环节。而教师在利用教材进行教学时也要充分了解教材的使用价值和不足之处，利用好教材资源的同时也要基于教材，高于教材，以学生为主体展开导入设计，推进课堂教学有效进行。参考文献：1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）S.北京:人民教育出版社，2018:67-682程靖.职前中学教师数学教学基本功的发展围绕课堂导入的个案研究D.上海：华东师范大学,2016.3Turney,C.Etal.Sydney Micro Skills M.Sydney:SydneyUniversity Press,1975.4张厚粲.心理学M.天津:南开大学出版社，2002:24-28.5人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册M.北京：人民教育出版社，2019:10-32.6熊建文.普通高中教科书物理必修第一册M.广州：广东教育出版社，2019:1-30.7曾天山.国外关于教科书插图研究的述评J.外国教育研究，1999，26(03):20-23.8孙晓康.中学生数学学习内驱力的调查研究D.济南：山东师范大学,2008.（栏目编辑刘荣）20-