桑韶飛 李若平

摘? ?要：物理概念是對物理現(xiàn)象和物理過程共同屬性和本質(zhì)特征的一種抽象概括。科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。以2019年人教版教材為依托進行概念建構(gòu)，教師在實施概念教學(xué)的過程中，通過凸顯研究本質(zhì)、顯化方法教育、強化證據(jù)意識、培養(yǎng)批判思維和創(chuàng)造思維，進而提高學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。

關(guān)鍵詞：概念建構(gòu);科學(xué)思維;物理模型;物理教材

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）12-0009-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中將物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面[1]。其中，科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，提高學(xué)生科學(xué)思維能力是發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

2019年版新教材部分省份已經(jīng)開始使用，教材中每一個物理概念的呈現(xiàn)形式和建構(gòu)邏輯都凝聚了全國教育專家、學(xué)科專家、教材編寫專家和一線教師的集體智慧[2-4]。物理教師在概念教學(xué)過程中，要以教材為載體，深入挖掘教材中呈現(xiàn)的物理概念的建構(gòu)方式，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生參與概念建立的過程并主動進行思維活動，促進學(xué)生深入理解物理概念的同時不斷提高思維能力和思維品質(zhì)，使核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有切實有效的著力點。

1? ? 凸顯研究本質(zhì)，加強建模能力

物理模型能夠加深學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。中學(xué)階段常見的物理模型主要有理想化實體模型，如質(zhì)點、點電荷、單擺、彈簧振子等;理想化過程模型，如勻變速直線運動、平拋運動、自由落體運動、彈性碰撞等;理想化條件模型，如勻強電場、勻強磁場、理想氣體等[5]。在物理概念的教學(xué)中，聚焦概念的客觀本質(zhì)特征，引領(lǐng)學(xué)生根據(jù)物理情境進行思維加工，在對事物抽象和概括的基礎(chǔ)上舍棄次要因素，抓住主要因素，建立適當(dāng)?shù)睦硐牖Ｐ?，逐漸培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的意識和能力，具體的模型建立過程如圖1所示。

【案例1】 必修1：質(zhì)點概念的建構(gòu)

（1）呈現(xiàn)具體情境，確定研究現(xiàn)象：

“雄鷹在空中翱翔，翅膀在向前運動的同時也在上下運動;足球在綠茵場上滾動，向前運動的同時還在轉(zhuǎn)動”。創(chuàng)設(shè)這種雙重運動情境（翅膀既向前運動也上下運動，足球向前運動的同時也轉(zhuǎn)動），引領(lǐng)學(xué)生主動思考應(yīng)該研究哪種運動現(xiàn)象，有助于學(xué)生從具體的物理情境中聚焦研究現(xiàn)象。

（2）分析研究屬性的主要因素和次要因素：

“研究雄鷹從一個位置飛行到另一個位置時，翅膀的運動方式就成了次要因素;研究地球公轉(zhuǎn)引起的位置變化時，自轉(zhuǎn)就可以忽略”。在分析物體運動的過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生找出研究屬性的主要因素和次要因素，培養(yǎng)忽略次要因素的意識，在復(fù)雜運動過程中做到化繁為簡，鍛煉學(xué)生的思維能力。

（3）概括論證物理模型，認(rèn)識“理想化”：

“忽略大小和形狀進而轉(zhuǎn)化為一個有質(zhì)量的點叫作質(zhì)點”，這樣忽略次要因素，凸顯主要因素，通過理想化的處理方式建立質(zhì)點模型，進一步幫助學(xué)生理解質(zhì)點的概念。

（4）應(yīng)用實踐物理模型，讓模型思想根植于心：

“一個是被球拍擊出的乒乓球，另一個是正在飛行的殲-20隱形戰(zhàn)斗機。請你為乒乓球和戰(zhàn)斗機創(chuàng)設(shè)問題，問題中的乒乓球和戰(zhàn)斗機可以是質(zhì)點也可以不是質(zhì)點?！睉?yīng)用物理模型解決問題的過程要注重聯(lián)系生活，這樣學(xué)生能夠在生活中應(yīng)用物理模型，使模型活起來，有助于學(xué)生知識的遷移和物理知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

從質(zhì)點概念的建構(gòu)來看，教師在引導(dǎo)學(xué)生進行概念學(xué)習(xí)時，要將建構(gòu)物理模型融入到教學(xué)過程中。在引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型時應(yīng)注重：①模型表征情境化。教師要創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的物理情境，這樣學(xué)生能夠在情境中自覺聯(lián)想到物理知識，進一步確定要研究的物理問題，在潛移默化中提升融合知識與情境的能力。例如，在天體運動模型建立過程中，可以引入“神舟十二號”繞飛空間站這一情境;在平拋運動模型建立過程中，可以讓學(xué)生去操場參加扔鉛球比賽。②模型剖析理想化。對建立物理模型過程中的影響因素進行分析，忽略次要因素。例如，在點電荷模型的建立過程中，忽略電荷的質(zhì)量和體積;在單擺模型的建立過程中，忽略擺球的大小;彈簧振子的建立，忽略了彈簧的質(zhì)量、振子的大小和形狀以及摩擦阻力;理想變壓器這一模型的建立，忽略了能量損耗等。③模型應(yīng)用生活化。從學(xué)生的日常生活中尋找素材，拉近知識與學(xué)生的距離，消除學(xué)生的畏懼感。例如，在圓周運動模型中，通過汽車拐彎、火車拐彎、汽車過橋等問題的探討，或者讓學(xué)生表演“水流星”節(jié)目，使學(xué)生應(yīng)用物理知識在日常生活中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過模型表征情境化、模型剖析理想化、模型應(yīng)用生活化，使學(xué)生能夠充分認(rèn)識模型的本質(zhì)特征，進一步引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際生活情境抽象出物理模型，進而分析、解決實際問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型、應(yīng)用模型的能力。

2? ? 顯化方法教育，鍛煉推理能力

科學(xué)推理是科學(xué)思維中十分重要的一種思維類型，邏輯上包括類比推理、演繹推理和歸納推理[6]。教材中顯化的科學(xué)方法有助于發(fā)展高中生類比推理能力、演繹推理能力和歸納推理能力。在實際教學(xué)中，教師要幫助學(xué)生正確理解和應(yīng)用科學(xué)方法，有助于實現(xiàn)物理知識的融會貫通、舉一反三，有助于學(xué)生科學(xué)思維的全面發(fā)展。

2.1? ? 類? 比

類比是根據(jù)兩類對象在某些屬性上的相同或相似，通過比較來推出它們在其他屬性上也相同或相似。在屬性或特點上尋找類比對象與類比源的相似性，推過邏輯推理建立起新的物理概念，具體的思維過程如圖2所示。

【案例2】 必修3：磁場和磁感應(yīng)強度概念的建構(gòu)

類比源：電場和電場強度。

類比對象：磁場和磁感應(yīng)強度。

類比法在連接新舊知識之間具有啟發(fā)性的作用，類比源構(gòu)成了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的邏輯起點，在學(xué)習(xí)磁場和磁感應(yīng)強度時，如果以電場和電場強度作為類比源，降低了學(xué)生的思維難度，學(xué)生的思維活動逐漸從表層向深層移動，培養(yǎng)學(xué)生的深層思維。教材中關(guān)于物理概念之間的類比還有很多，筆者整理出來（表1），有助于學(xué)生建立概念網(wǎng)絡(luò)，深入理解物理概念。

2.2? ? 演? 繹

演繹是由一般到特殊的推理方法。推論前提與結(jié)論之間的聯(lián)系是必然的，是一種確實性推理。

【案例3】 必修2：動能定理的構(gòu)建

質(zhì)量為m的某物體在光滑水平面上運動，在與運動方向相同的恒力F的作用下發(fā)生一段位移l，速度由v1增加到v2，如圖3所示。

通過演繹推理的思維過程，在原有的知識上層層突破，最終對動能定理有了一定的認(rèn)識，把演繹問題的邏輯方法潛移默化地滲透到學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)中，使學(xué)生的思維得到了訓(xùn)練和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生對變力做功積極探索。

設(shè)一質(zhì)點在變力F的作用下，沿曲線從a點運動到b點，質(zhì)點在a、b兩點的速率分別為va和vb，dr是運動過程中的元位移，如圖4所示。

讓學(xué)生在不同情況下感受演繹的魅力，參與到恒力做功和變力做功的演繹過程中，提高演繹推理能力。

2.3? ? 歸? 納

歸納是一種由個別到一般的推理，由特殊具體的事例推導(dǎo)出一般原理、原則的解釋方法。

【案例4】 必修1：力的構(gòu)建

教材中并沒有直接提出力的概念，需要教師推動學(xué)生自主探究、相互交流，從大量與力相關(guān)的自然、生活、生產(chǎn)現(xiàn)象中歸納概括出來?？蓞⒖既缦虏襟E：

第一步：呈現(xiàn)演示實驗。例如，用彈簧測力計拉動靜止在桌面上的物塊、用手拍打衣服上的塵土、兩個手用力按壓在一起等，以此來引導(dǎo)學(xué)生建立起力的初步概念，并在此基礎(chǔ)上提出力不能離開物體而單獨存在，即力是物體與物體之間的相互作用。

第二步：問題驅(qū)動加深理解。例如，兩個物體之間的相互作用，究竟是哪個物體對哪個物體施加了力？彈簧測力計拉動桌面上靜止的物塊，這里面誰給了誰力？哪個是施力物體？哪個是受力物體？通過這樣的問題驅(qū)動的形式，促進學(xué)生對于問題的深入思考，以更好地建立起力的概念。

第三步：歸納。歸納出力是物體與物體的相互作用，力不能離開物體而單獨存在，施力物體與受力物體同時存在、同時消失。

應(yīng)用歸納法對物理概念的教學(xué)，可以從生活中的實例出發(fā)，也可以通過探究實驗呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，問題驅(qū)動引發(fā)學(xué)生深入思考，層層遞進、歸納總結(jié)得出物理概念，具體過程如圖5所示。

歸納法不僅能幫助學(xué)生理解物理概念的內(nèi)涵，也能促進學(xué)生對物理概念的外延有一定的認(rèn)識，幫助學(xué)生建立物理概念體系，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力。

3? ? 強化證據(jù)意識，提升論證能力

論證是在證據(jù)的基礎(chǔ)上提出自己的觀點，并能夠通過推理在觀點和證據(jù)之間建立起一種合乎邏輯關(guān)系的方法。證據(jù)是支持觀點的材料，可以保證科學(xué)論證活動的可靠性和可信度。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力的具體過程如圖6所示。

【案例5】 必修1： 加速度概念的建構(gòu)

（1）教師創(chuàng)設(shè)問題情境：

“一輛小汽車在10 s內(nèi)，速度從0到100 km/h，一列火車在300 s內(nèi)，速度也從0到100 km/h”。這兩種物體的運動情況是不同的，用“速度大”或“速度小”能描述運動的不同嗎？如果不能，應(yīng)該怎么描述呢？達(dá)到速度相同的情況下，能用所經(jīng)歷的時間長短來比較嗎？還能用什么來比較呢？通過一系列的物理問題情境，引導(dǎo)學(xué)生從情境中提煉問題，有助于學(xué)生朝著概念建立的方向思考。

（2）學(xué)生提出觀點：

根據(jù)速度和時間的對比，學(xué)生較容易得出“兩個物體速度變化相同，所用時間短的速度變化得快，所用時間長的速度變化得慢”的觀點。這樣“速度變化快慢”就浮現(xiàn)在學(xué)生的腦海里。學(xué)生根據(jù)自己的已有知識，并在問題的引導(dǎo)下提出自己的認(rèn)識。

（3）學(xué)生收集證據(jù)：

對于高中生來說，生活中最常見的現(xiàn)象就是最好的證據(jù)，當(dāng)然也可以是視頻等其他資源，尋找證據(jù)來證明自己的觀點，主動探索，提升解決問題的能力。例如，可引導(dǎo)學(xué)生討論并收集百米賽跑運動員從起跑到?jīng)_刺過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)，說明“速度”和“速度的變化”是兩個完全不同的概念。

（4）師生共同推理論證：

“自然界中某量D的變化可以記為ΔD，發(fā)生這個變化所用的時間間隔可以記為Δt，變化量ΔD與Δt的比值就是這個量對時間的變化率?！蔽锢韺W(xué)中把速度的變化量與發(fā)生這一變化所用的時間之比，叫作加速度，用a來表示，則有a=■。課堂教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生積極參與，主動從生活中尋找證據(jù)，促進對概念的深入理解。

4? ? 激發(fā)批判思維，提高創(chuàng)新能力

批判思維是依據(jù)一定的理論對結(jié)論進行重新思考和質(zhì)疑的科學(xué)思維過程，在解決問題的基礎(chǔ)上重新建構(gòu)問題，屬于高階認(rèn)知技能。創(chuàng)新是獲得全新的解決問題的方法的過程。只有在質(zhì)疑、批判的驅(qū)動下，才能積極自主地進行創(chuàng)新思考。

【案例6】 必修2：功率概念的建構(gòu)

教師引導(dǎo)學(xué)生用批判的眼光審視功率的概念，以此產(chǎn)生對功率新的認(rèn)識，在潛移默化中提高創(chuàng)新能力，可參考如下教學(xué)片段：

師：在功率概念的表述中，我們?yōu)槭裁从霉與完成這些功所用時間t的比值定義功率呢？我們能不能用時間t與功W的比值來表示做功的快慢呢？如果能，教材中為什么不這樣定義？高中物理中還有哪些概念的定義與此相似？請同學(xué)們思考、辨析。

經(jīng)歷過這樣的質(zhì)疑，加深學(xué)生對功率概念的理解，促進了思維的發(fā)展，開拓了解決問題的新途徑。

5? ? 結(jié)束語

教材是教師教學(xué)的指揮棒，教師要在物理課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，深入分析和挖掘教材在建立物理概念過程中所呈現(xiàn)的模型建構(gòu)邏輯、科學(xué)方法、推理論證過程、批判思維，設(shè)計好教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)情境，并提出精準(zhǔn)的物理問題，引發(fā)學(xué)生去主動思考、積極探索，摒棄傳統(tǒng)的自導(dǎo)自演的教學(xué)模式，將學(xué)生置于主體地位，鼓勵學(xué)生自主探究，相互交流與討論，提出自己的觀點，并在教師指引下自我修正，最終形成科學(xué)理論知識和學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生在建構(gòu)知識的過程中產(chǎn)生思維變化，達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)思維能力的目的。

參考文獻(xiàn)：

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[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2019：4.

[5]王晶瑩，張躍，張洋.中學(xué)物理教師對科學(xué)模型教育認(rèn)識的實證研究[J].全球教育展望，2016，45（02）：93-105.

[6]李正福，谷雅慧.論物理核心素養(yǎng)視野下的科學(xué)思維教育內(nèi)容[J].課程·教材·教法，2018，38（02）：97-102.

（編輯? ? 趙保鋼）