張德炳

摘 要： 本文闡述物理課程中的比較思維、類比思維和設計思維以及對學生的培養(yǎng)。

關鍵詞： 科學思維；比較思維；類化思維；設計思維

物理是融科學知識、科學方法與科學思維為一體的自然科學課程 [1 ]。如“牛頓第一定律”的建立，教材是設計如下斜面實驗：讓一滑塊在同一斜面的同一高度自由滑下，然后在不同粗糙程度的水平面上滑行，水平面越光滑，滑塊滑行的距離就越長。由此實驗現象進行下面一系列的推理：①滑塊由運動變?yōu)殪o止是由于受到摩擦阻力的作用；②在水平面運動的物體，如果不受摩擦阻力的作用，那么物體將永遠運動下去；③如果不受力的作用，物體將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。其中“力和運動的關系”就是科學知識，“控制滑塊下滑條件”的實驗就是科學方法，而由實驗現象進行推理就是科學思維過程。應該說，物體在水平面滑動的事實是人們司空見慣的一種生活現象，然而伽利略卻能設置特定的斜面實驗并透過運動的表面現象而發(fā)現“力和運動”的本質聯系，這就是科學方法和科學思維的力量?？梢?，在人們認識并改造自然的實踐活動中，科學方法與科學思維比科學知識更重要，這也正是物理課程倡導探究性學習的教學目標所在，即重視科學方法的領悟與科學思維的培養(yǎng)。本文就物理課程中幾種科學思維及其對學生的培養(yǎng)，談談個人的認識。

1 比值概念中的比較思維

比值概念，在物理量的定量描述方面，指某一個量等于其它兩個量的比值。如密度ρ=、功率P=、電阻R=等。用比值方法來定量描述概念，不僅是物理中最常見的一種科學方法，也是其它學科的常見方法，如化學中的“溶液的質量分數=溶質的質量/溶液的質量”、經濟學中的“經濟增長率=當年的經濟總增長量/上一年經濟總量”等。應該說，物理中的比值概念，它體現的是某種事物的過程特征或屬性特征等。

比值概念C=的認知基礎是理解“”的含義，如速度概念，關鍵是能把“”理解為單位時間物體所所通過的路程，而要形成這樣的理解又在于如何辨析運動快慢中的比較思維。所謂比較思維，就是指“同中辨異”或“異中求同”的思維方法，并從中發(fā)現問題的特征或特性。[2 ]在速度概念的建構中，教材是引導學生通過“比一比，跑一段相同的路程，看誰先到達終點”和“比一比，用相同的時間，看誰跑的路程長”來領悟比較運動快慢的方法，然后教材就直接陳述：“在物理學中，將物體在一段時間內通過的路程與這段時間的比值稱為速度”，至于為什么可以利用路程與時間比值形式來表征運動的快慢，學生仍是一知半解。正是由于教材的這種編排，教師們很少在突破這個教學難點問題上下功夫，以至錯過了培養(yǎng)比較思維的教學良機。

對于促進學生對速度比值概念的建構，教學中可以設計如下定量分析問題：

問題：物體A、B、C分別在水平面上運動，運動時間與所通過的路程分別為：sA=300m，tA=20s，sB=300m，tB=30s，sC=450m，tC=30s，哪個物體運動最快，哪個物體運動最慢？

對于A和B，學生可以通過“路程相同，比較時間長短”來比較兩者的運動快慢，對于B和C，學生也可以通過“時間相同，比較路程長短”來比較兩者的運動快慢，顯然，這兩種比較方法均是“同中辨異”的比較思維。然而對于A和C，時間和路程均不同，如何比較，學生往往不知所措，如果教學中提出“如何將A和C的運動轉化為‘時間相同或路程相同的情形來進行比較”的問題，那么學生就有可能想到利用“”的方法來計算“單位時間里通過的路程”，或想到利用“”的方法來計算“單位路程里所用的時間”來比較兩者的運動快慢。顯然，這時學生對描述運動快慢的比值概念就會有著本質性的理解，這就是培養(yǎng)學生比較思維的有效教學。

2 問題分析中的類化思維

利用已有知識與方法來分析并認識新問題，即“以舊探新”的方法是學生開展有效學習的具體表現，然而學生能否將新問題轉化為自己所熟悉的問題，其中去決定性作用的是學生的類化思維。所謂類化思維，就是指把新問題直接類同為熟悉的問題，或通過合理的變換而轉化為已知的問題并納入已有的知識建構中來認識新問題的思維方法 [2 ]。如“壓強”概念，它與“壓力”和“受力面積”這兩個因素有關，其中一個是正相關關系，另一個反相關關系，而速度概念也正好是與“路程”正相關而與“時間反相關”，因此壓強概念就可以直接類同于速度概念的來理解，即壓力與受力面積的比值就可以描述壓強的作用效果。而對于滑動摩擦力大小概念，它也與壓力和接觸面的粗糙程度兩個因數有關，但它們都是正相關的關系，所以它就不能類同于速度概念來認知，也不能用“壓力/動摩擦因素”的比值關系來描述摩擦力大小概念。再如在學生學習了“二力平衡”知識后提出“三力平衡”問題，如果學生能把其中的兩個力等效看作是一個力，而且能領悟到這個等效力與第三個力“大小相等且方向相反”，那么這就是類化思維以促進認知的效果。至于這個等效力與這兩個力具有怎樣的關系，或怎樣求算這個等效力，這正是促進學生發(fā)現新問題并提出新問題且開展進一步探究性學習的起步。

類化思維不僅在促進學生分析并認知新問題方面有著良好的作用，而且在引導學生分析與解決問題方面也有這獨特的效果。如《光的折射》，教材是以“鉛筆的一段置于裝有水的杯中，鉛筆在水面處‘折斷，水中的那一段明顯變粗”的現象作為課題導入，對于水中那段明顯“變粗”現象，學生往往感到困惑，然而在學習了《科學探究：凸透鏡成像》課題后，教師就可以引導學生分析“變粗”原因，如果學生能把水杯類化為凸透鏡，那么學生就能立即能領悟鉛筆“變粗”是凸透鏡成放大虛像的原因。

對學生類化思維的培養(yǎng)，教學中要有意識地滲透思維訓練。如在《壓力的作用效果》課題教學中，當學生算出了一張報紙平放在水平桌面所產生的壓強為0.5Pa后，再要求學生估算物理課本放在桌面上所產生的壓強，如果學生能采用“課本總頁面數÷2”而迅速地估算出壓強值，這何以不是類化思維而形成的計算智慧！

從類化思維的形式而言，它可以分為物理模型的類化（如水杯類化為凸透鏡）、物理條件的類化（如三力平衡類化為二力平衡）、事物特征的類化（如壓強比值特征類化為速度比值特征）、研究對象的類化（如把課本對桌面的壓強類化為一疊報紙對桌面的壓強），等等。但不論哪一種類化形式，兩者之間必定存在著某種相同點或相似，而這種相同點或相似點正是形成類化思維的基礎，教學中必須讓學生對此有著明確的認識。

3 科學實驗中的設計思維

物理是以生活事實為基礎并以科學實驗為主要手段的科學課程，不論是物理概念的形成或建構，還是物理規(guī)律的導出，幾乎都離不開科學實驗。教材中的實驗探究過程，既是前人科學探究過程的模擬再現，也是學生獲取知識并提升科學素養(yǎng)的學習過程。尤其是其中的實驗設計原理與方法，不僅是前人科學家的科學思維與智慧的結晶，而且是啟迪學生對科學實驗設計思維的良好載體。

誠然，實驗設計一種創(chuàng)造性的活動，教材實驗中的奇思妙想，它可能是科學家數日或數月乃至數年的思維產物，更多的是課程研究專家對前人實驗設計的改造并使得實驗原理與方法達到了至善至美。然而要求學生在有限的課堂學習時間里想到能與教材實驗設計相媲美的實驗方案，確實有天方夜譚之嫌。作為促進學生科學素養(yǎng)形成的物理課程教學，培養(yǎng)學生的科學實驗中的設計思維，不僅關乎課程的教育效益，更關乎科學創(chuàng)新人才的培養(yǎng)乃至國家與民族的振興。在課堂學習過程中，雖然學生對科學探究實驗的設計不如教材，或欠妥，甚至幼稚，但它仍然是對實驗設計的一種經歷，一種體驗，而這種經歷與體驗中反思或教訓正是催發(fā)智慧性思維的酵母，隨著訓練的增多，學生的對科學實驗的設計思維能力自然會得到一定的提升。

引導學生對科學實驗的設計，關鍵是使學生有著明確的實驗目的，而引導學生明確實驗目的的教學原則是促進學生對科學問題的猜想，一旦猜想正確，那么實驗設計僅是有關知識與方法的靈活運用。即使所設計的方案欠妥，但它離科學創(chuàng)造的河岸也距之不遠。

促進學生對科學問題的猜想，它可以是引導學生對事物或現象的認真觀察，也可以是教師創(chuàng)設某種問題情境或提出具有啟發(fā)性的問題而加以暗示。如“研究平面鏡成像特點”的實驗設計，教學中就可以讓學生認真觀察物體在平面鏡中的所成的像，如果學生能猜想到“物像大小相等”和“物像到鏡面的距離相等”，那么學生對實驗的設計思考就會聚焦在“如何確定像的位置”和“如何比較物像的大小”這兩個問題上，如果教師再展示既可以成像又可以透視的毛玻璃，那么學生們就可能設計出多種實驗方案。再如促進學生對“阿基米德原理”的猜想，教學中就可以創(chuàng)設這樣的問題情境：以推導液體壓強公式中的液柱為研究對象，然后提出如下問題：這個液柱受到那些力的作用（液柱側面受到的壓力互相抵消，豎直方向受到液柱重力與液體浮力這兩個力的作用）？你能猜想到浮力的大小與什么因素有關？這是一種教學暗示，如果學生能猜想到浮力等于所排開液體的重力，那么學生就能形成對探究“阿基米德原理”實驗設計的頓悟或靈感。從思維培養(yǎng)的角度而言，既可以啟迪學生對模型建構的抽象思維，又可以促進學生對科學實驗的設計思維。

物理科學思維是人類思維智慧的寶貴結晶，它是物理課程的精髓，不僅能引導人們探索自然并改造自然，更是人們從事現代化技術創(chuàng)造發(fā)明的有力武器。它可以使知識變活，更可以給知識賦予強大的力量。因而，注重對學生科學思維的培養(yǎng)，是物理課程教學貫徹創(chuàng)新教育的具體表現。

參考文獻：

[1]王較過.物理教學論[M].西安：陜西師范大學出版社， 2009：2-3.

[2]黃建明.科學思維法[M].成都：四川辭書出版社，2007：132-143.