王玲琦 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

《普通高中物理課程標準》(2017年版)提出了物理學科核心素養(yǎng)的4個方面，而科學思維是構成物理學科核心素養(yǎng)內涵極其重要的四大成分之一.新課程標準將科學思維劃分為5個層次，用以評價學生科學思維發(fā)展的水平.而在教學中怎樣開展以科學思維為導向的物理教學，是作為一線教師和教育研究者應該思考和探索的問題.因此，能夠探索出有效的教學策略、操作性強的發(fā)展科學思維的物理教學是十分重要的[1].

本研究對近5年(《普通高中物理課程標準》提出來后)關于中學物理教學中培養(yǎng)學生科學思維的實踐與研究進行定性與定量分析，旨在為未來物理教學提供有利的幫助.

2 近5年關于物理教學中科學思維的培養(yǎng)相關研究的整體趨勢分析

為了進一步了解關于物理教學中培養(yǎng)和發(fā)展科學思維能力的研究情況，筆者在中國知網上以“科學思維 物理”為關鍵詞，將時間限制在2018年2月到2022年3月，檢索出了4 721篇文獻,得到關于物理教學中科學思維培養(yǎng)的文獻數(shù)量統(tǒng)計.其中包括了期刊和學位論文.

圖1 科學思維的研究文獻數(shù)量隨年份變化統(tǒng)計圖

根據(jù)文獻數(shù)量統(tǒng)計圖可以看出，文獻數(shù)量基本上是線性增長，而且每年關于此研究方向的論文數(shù)量較多.由此，可以看出，關于物理教學中科學思維的培養(yǎng)和發(fā)展的話題受到了研究者的極大關注，如何培養(yǎng)學生的科學思維是大量研究者和教師思考和摸索的難題.

3 研究結果

從文獻查閱梳理整合中發(fā)現(xiàn)，大概能夠將近5年關于物理學科科學思維培養(yǎng)的相關研究總體上聚焦為以下幾類：

(1)在物理概念、規(guī)律教學中培養(yǎng)學生的科學思維;

(2)在物理實驗教學中培養(yǎng)學生的科學思維;

(3)在物理問題解決中培養(yǎng)學生的科學思維;

(4)在其他方面培養(yǎng)學生的科學思維;

(5)從培養(yǎng)學生科學思維出發(fā)，分析不同版本的教材.

3.1 在物理概念和規(guī)律教學中培養(yǎng)學生的科學思維

大量研究者設計了很多關于物理概念、規(guī)律的教學去提高學生的科學思維能力.

文獻[2]以“向心力”新課為例，闡述了以科學思維為先導的教學設計，通過巧妙創(chuàng)設物理情境，精準設置核心問題；巧妙設置遞進問題；擴展設置發(fā)散性問題來進行.

文獻[3]延安大學賀雅妮以“杠桿”一節(jié)為例，以SNP教學模式為基礎，敘述了“杠桿”一節(jié)的課堂教學中將包括依托前概念，師生共同設立驅動問題；小組合作，構建模型；依托模型，小組書寫書面論證，全班口頭交互并修改模型；咨詢“專家”完善知識框架；書寫課堂反思6個環(huán)節(jié)，將SNP教學模式恰當?shù)貞迷谖锢斫虒W中可以提升學生模型建構、語言表達及學習反思的能力.

文獻[4]認為物理閱讀不僅有利于物理知識在學生頭腦中升華為物理觀念，更有利于學生分析、綜合、推理、論證等科學思維能力的發(fā)展.他提出了培養(yǎng)學生物理閱讀能力的4個原則：問題引領、強化基礎、合作研討、創(chuàng)新實踐.并以此為基礎， 在以 “課題研究——關于甩手動作的物理原理研究”“行星運動——科學漫步”為例的教學中具體貫徹上述四大原則的課堂教學.

文獻[5]基于杜威“做中學”思想，審視論證了物理實踐課堂的理論內涵，在操作層面，以核心素養(yǎng)為導向構建了行之有效的實踐物理課堂.他以“平拋運動”教學為例，提出以“思辨創(chuàng)新”為目標導向的物理“實踐課堂”.其中問題是思辨創(chuàng)新的起點，設置思維層級遞進問題，促進學生積極思考，依此來開展“實踐課堂”提高學生的科學思維能力.

文獻[6]基于新課標要求，提出在高中物理教學中，通過豐富感性材料、創(chuàng)設問題情境、質疑傳媒信息、運用物理圖像、經歷問題解決等手段，能有效促進學生科學思維的發(fā)展.他以“圓周運動”為例，運用頻閃相機拍攝的視頻展示不同轉速的圓周運動的例子，并進行設問，能夠讓學生在直觀中分析比較、概括，訓練學生的抽象思維能力.

從研究者們提出的在物理概念、規(guī)律教學中培養(yǎng)學生科學思維的主張中，可以提煉出教學策略主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)注重情境的創(chuàng)設；促進學生科學思維的主動性發(fā)揮.

(2)注重問題、問題串的設計；基于建構主義理論，要讓學生帶著問題進入課堂，才能啟發(fā)學生思考，并且問題串的設計要能起到促進學生思維進階的引導作用.

(3)實行分層教學；針對不同的教學對象，對概念、規(guī)律的教學設計、對科學思維的培養(yǎng)標準要有所調整.這樣才能最大限度地使培養(yǎng)學生科學思維的物理教學目標落到實處.

(4)要注重小組學習；學生科學思維的體現(xiàn)往往是在小組討論和學習中發(fā)展的，學生可以互相之間進行思想上的碰撞，對科學思維的培養(yǎng)有著事半功倍的效果.

3.2 在物理實驗教學中培養(yǎng)學生的科學思維

文獻[7]提出了有效互動思維的觀點.提出要通過探究實驗來加強有效思維互動.作者以特級教師的“關于靈敏電流計改裝為安培表”的公開示范課為例，通過創(chuàng)設實驗情境，適時引導，將理論討論的教學過程轉變?yōu)閷W生的實驗探究、創(chuàng)造過程，提供充足的思維互動空間，有效地突破了教學難點.

文獻[8]的作者發(fā)現(xiàn)角反射器的光路原理在各地物理中考常常出現(xiàn)，但很多初中物理老師并不真正了解其工作原理，于是他提出通過實驗展示角反射器的反射光路，運用幾何進行反射光路方向的證明，探討實驗和質疑對初中物理教師科學思維品質培養(yǎng)的價值，指出實驗是質疑和批判的證據(jù).

文獻[9]的作者了解到學生在“楞次定律”學習中的難點之處在于學生沒有親身體驗楞次定律的產生過程.因此，他設計了這樣的教學思路：通過演示實驗創(chuàng)設情境、質疑設問、確定主題；通過分組實驗、利用創(chuàng)新自制教具合作探究、理解楞次定律產生過程；交流信息、探討結論、得出楞次定律；借助自制教具拓展延伸、推廣應用、落實效果.通過實踐發(fā)現(xiàn)在中學物理教學中教師可以通過自制實驗器材，從而有效培養(yǎng)和提升學生的物理學科核心素養(yǎng).

文獻[10]以“電容器與電容”一節(jié)為例，通過設計“引入實驗，定性實驗，定量實驗和拓展實驗”，淺談核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落地生根.通過定性和定量的實驗來進行課堂探究，使學生在合作探究、交流中學習科學方法，激發(fā)創(chuàng)新能力.

文獻[11]認為思維的靈活性是指基于現(xiàn)實情境的變化，適時轉換并提出新方案的思維特征，教師應有意識訓練學生打開思路.例如，通過演示覆杯實驗，針對傳統(tǒng)實驗提出“水不滿的覆杯實驗能否成功？”激發(fā)學生求異心與求索欲.在親歷驗證后，學生直面認知沖突，主動探索實驗原理，科學論證，靈活構建知識，深切感悟高中物理學習的進階性.

從研究者們提出的在物理實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維的主張中，可以提煉出教學策略主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)加強學生的思維互動；教師要有意識地設置問題情境，一步一步地引導學生對所探究的問題思考進行，在演示實驗過程中的一些突發(fā)情況使得實驗過程并不能按照事前預設的情境一貫到底，那就要根據(jù)學生的需要進行適當調整.

(2)創(chuàng)新實驗教具；利用學生司空見慣的生活用品去制作一些能夠幫助教師教學的教具，在教學中拿出來能夠讓學生顯而易見地觀察到實驗現(xiàn)象，讓學生受到激勵和啟發(fā)，從而發(fā)展他們的主動性、創(chuàng)造性思維.

(3)實驗設計要循序漸進、環(huán)環(huán)相扣；在演示實驗教學中每一個實驗的安排都格外重要.尤其是第一個實驗要勾起學生的好奇心和求知欲，將學生帶動到演示實驗過程中主動思索，靈活構建知識.

(4)注重實驗與數(shù)學的結合；不僅是要讓學生體驗實驗探究的過程，還要讓學生能夠對實驗現(xiàn)象進行數(shù)學推理，明白現(xiàn)象和本質，發(fā)展學生科學推理能力.

3.3 在物理問題解決中培養(yǎng)學生的科學思維

文獻[12]提出了在物理問題解決教學中的幾點教學策略：經歷情境描述過程，將情境描述轉化為物理描述；經歷模型建立過程，實現(xiàn)實際問題的模型建構；經歷方案評估過程，實現(xiàn)對實際問題解決方案的制定；進行跨學科的思維融合；思維發(fā)展實施分層教學.希望借此能夠在物理問題教學中突破學生解決實際問題的難點，實現(xiàn)學生個性化發(fā)展和科學思維的發(fā)展.

文獻[13]以應用動能定理解決多過程運動問題為例，通過創(chuàng)設物理情境，一題多解，一題多變，巧妙地給予學生搭建臺階，讓學生形成必備知識與關鍵能力，開展深度教學，培養(yǎng)學生高階思維能力.文獻[14]以2021年高考全國卷Ⅱ理綜物理試題為例，總結出在高中物理教學中，教師要創(chuàng)設真實情境，引導學生建構模型并加強學以致用，提高學生的物理觀念與科學思維的核心素養(yǎng).

文獻[6]以訓練學生建模能力精心設計的例題為例，讓學生通過極限思維、類比等方法進行建模，熟練模型建構的方法，提高模型建構的能力.作者還為學生在學習了“放射性元素的衰變”后，呈現(xiàn)了一個實際生活中的案例和觀點，讓學生評價案例.在這個過程中，學生對他人的觀點提出合理和有價值的質疑，并從物理學的視角對嘉賓的說法進行了科學的分析，在質疑和批判中提高了科學思維能力.

文獻[15]以“電磁感應單桿模型微專題”復習為例，教學過程中設置模型線、情境線、問題線、知識線4線并行，以模型線為“明線”展開，設置任務情境驅動教學，通過簡化抽象構建模型，然后以模型為基礎設置多維度問題，引導學生在模型問題解決過程中逐步將知識和科學思維等內化“結晶”，優(yōu)化構建模型解決的認知結構.

從研究者們提出的在問題解決教學中培養(yǎng)學生科學思維的主張中，可以提煉出教學策略主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)教授學生利用科學方法解決問題；在問題解決過程中不僅僅是幫助學生解決難題，更重要的是要把科學方法傳授給學生，并且及時地進行變式訓練，讓學生及時利用所學到的科學方法融會貫通，從而解決一類問題并發(fā)展了科學思維.

(2)幫助學生將問題情境轉化為物理模型；鍛煉學生用物理語言去描述問題情境，再一步步深入把物理情境轉化為相應的物理模型，訓練和提高學生的模型建構能力.

(3)注重培養(yǎng)學生的質疑創(chuàng)新能力.在教學中不僅是幫助學生解決問題，還要在解決問題后引導學生對問題情境進行推敲，例如：問題的數(shù)據(jù)是否符合實際、問題的情境是否真的能實現(xiàn)、從問題解決過程中能有哪些啟發(fā)等問題引導學生去思考，提高學生質疑創(chuàng)新的意識和能力.

3.4 在其他方面培養(yǎng)學生的科學思維

文獻[16]的作者發(fā)現(xiàn)物理作業(yè)是物理課程的重要組成部分，建議每個單元精心設計1～2個長作業(yè)貫穿本單元，并且控制不同類型的長作業(yè)的布置次數(shù)；作者還建議從單元視角基于學情整體上設計長作業(yè)，將短作業(yè)與長作業(yè)有機融合，催化學生的科學思維能力的提升.

文獻[17]的作者提出發(fā)揮引言部分的功能，主張引言課的開展，并以蘇科版《物理》引言課為例，指出蘇科版《物理》引言課中蘊含的科學思維方法有控制變量法(“酒杯發(fā)聲”)、轉換法(“蠟燭熄滅”)、對比法(“隔杯看物”)等.于是在教學實踐中策劃多種活動，讓學生體驗這些思維方法，并引導學生明白用科學思維思考分析問題是學好物理的法寶.

文獻[18]的作者發(fā)現(xiàn)STEAM教育與物理學科核心素養(yǎng)在學生培養(yǎng)目標方面是不謀而合的．于是他以開展“橋梁創(chuàng)意設計大賽”為例，從收到的設計作品中可以看出設計者們能夠大量搜集材料，并且在具體模型細節(jié)中能夠融入衍生學、結構力學、化學等，采取了很多的辦法來維持橋梁的堅固.這些都能夠體現(xiàn)學生在解決問題過程中所體現(xiàn)出來的創(chuàng)造性思維.由此可見，此類比賽不僅對學生的科學探究與科學思維素養(yǎng)有著較明確的培養(yǎng)環(huán)節(jié)設置，而且在現(xiàn)場展示和答辯環(huán)節(jié)中，學生利用科學知識解決工程問題的能力和勇于質疑的精神也有良好體現(xiàn).

一些研究者不僅注意到了在常規(guī)物理教學中培養(yǎng)學生的科學思維，他們還注意到了在其他方面也可以通過一些其他時間進行活動設計來幫助學生發(fā)展科學思維.

3.5 從培養(yǎng)學生科學思維出發(fā) 分析或對比教材

文獻[19]的作者從新教材較原教材對“電磁感應”一章中“楞次定律”與“法拉第電磁感應定律”兩節(jié)內容順序的調整，提出探究感應電流的方向從科學思維角度來說，要求學生有較強的推理和歸納能力，從實驗設計上來說，需要對操作程序有一個清晰的“從目的到手段”的思維通道.而法拉第電磁感應定律限于高中階段的實驗條件和數(shù)學知識不可能用實驗做定量研究，因此從教學安排的變化，反映出新教材對科學思維的關注.

文獻[2]的作者發(fā)現(xiàn)在2004版人教版教材中，向心力這一節(jié)內容置于向心加速度之后，邏輯性很強.而在2019版人教版教材中，卻將向心力這一節(jié)內容調整到了向心加速度之前，他基于課程標準的深入研究，認為新人教版教材更符合學生的思維發(fā)展水平，更能夠根據(jù)學生的認知特點來提高學生的科學思維.

文獻[20]的作者發(fā)現(xiàn)從整體上看，“新教材”習題更多的是直接指向科學思維和物理觀念的診斷評價，在6冊教材中，主要指向科學思維的習題數(shù)量都穩(wěn)定在81～85道題之間.可見，指向科學思維的習題仍然是當前教材習題中的絕對主導，這些習題主要包括對推理、論證、計算、質疑、建模等物理學科思維的診斷.

新教材的使用使得很多一線教師注意到了教材編排的變化，他們從核心素養(yǎng)方面去分析教材編排改變的設計意圖，發(fā)現(xiàn)教材編排上更考慮了學生自身的思維發(fā)展，于是驅使一線教師能夠及時調整自己的教學，以促進學生思維更好的發(fā)展.

4 總結與展望

通過文獻的查閱與整合，基本上可以斷定，在往后的一段很長時間里，關于該主題的研究仍然是一個熱點.雖然關于科學思維研究有很多，但也有一些不足之處，因此，筆者就其中一些不足提出一些展望和建議.

(1)關注點不夠發(fā)散；大部分的研究者都是研究在常規(guī)物理教學中如何培養(yǎng)學生的科學思維，從而提出相應的教學策略.極少的研究者能夠關注到在其他時間以及活動設計去提高學生的科學思維.

(2)基于培養(yǎng)科學思維的角度去分析新舊教材的編排調整也可以擴充到分析不同版本的教材的設計意圖上，研究的面就更廣了，也能讓廣大一線教師選擇合適的教學順序的教材去有效提高學生的科學思維.

(3)實證性研究極少；這些教學策略是否真的有利于培養(yǎng)學生的科學思維；以及如何在具體教學中更好地去評價學生科學思維的發(fā)展水平的相關研究較少，所以這部分的研究空間還很大.

(4)大部分研究者在實驗教學中培養(yǎng)學生科學思維關注到的都是演示實驗教學部分，而關于分組實驗教學，研究者們更偏重于分組實驗培養(yǎng)學生的科學探究能力.如何在分組實驗教學中融合培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力的教學策略也可以成為一個研究方向.

因此，雖然關于科學思維的物理教學相關研究已經有很多，但是如何更好地發(fā)揮物理教學以及課外活動來培養(yǎng)學生的科學思維仍然是廣大研究者和一線教師所思考和實踐的重要方向.