摘要：在高中物理教学中培养学生科学思维,不仅有助于学生学习成绩提升,且与新一轮课程改革要义相符,有着积极现实意义。教师应厘清科学思维与核心素养内容的区别与联系,把握科学思维的相关表现,以发展科学思维为重要指向,从科学思维的四个构成要素即模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新入手,做好高中物理教学案例设计探究。

　　关键词：高中物理科学思维教学案例

　　《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》对科学思维进行界定,明确科学思维是物理视角下对事物的“认识方式”,是物理模型的“抽象概括过程”,是“分析综合、推理论证等方法在科学领域中的具体应用”,是在“质疑和批判”基础上提出“创造性见解的能力与品格”,包含模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。事实上,科学思维既是一种思维方式,也是一种学习物理知识应秉持的思维态度,即要体现出思维的科学性。科学思维是高中物理核心素养的重要构成。发展科学思维不仅有助于深入理解、扎实掌握物理知识,而且是落实核心素养培养工作的具体体现,应渗透至高中物理课堂中。

　　一、依托经典情境,凸显物理模型构建

　　高中物理有很多经典的情境,如物块在斜面上运动、小球在竖直圆形轨道上做圆周运动、行星的运动等。这些情境与高中物理知识结合起来可以设计出各种各样的问题。事实上,物理问题万变不离其宗,只要抓住问题的本质,构建相关的物理模型,便能及时有效找到问题的切入点。构建物理模型的过程,既是探寻解题思路的过程,也是促进学生科学思维发展的过程。教师可分析学生已有知识储备,做好当节授课内容梳理,使学生感受“生活情境→提炼,获取物理知识”的过程,明确物理概念,以及物理定理、物理定律的适用情境。同时,结合学情以及当堂课重点知识,筛选经典物理情境,并借助多媒体屏幕进行展现,要求学生构建物理模型尝试解决实际问题。以“圆周运动”内容为例。“圆周运动”教学中,教师可以“自行车的车轮”为切入点,完成线速度、角速度、向心力、向心加速度等基础知识的系统讲解,与学生一起运用思维导图,完成上述基础概念梳理,帮助学生厘清概念之间的区别以及内在联系。在此基础上,进行物理模型构建指引,抛出问题:在轻杆的一端连接一个小球,使其在竖直平面内做圆周运动,探寻小球到最高点时轻杆受力的方向。构建物理模型的关键,在于对运动物体的受力特点有清晰认识,并在不同运动情境下进行正确的受力分析,该教学案例亦是如此。轻杆的特点是重力不计,可以产生“拉”和“支持”两种作用,具体需根据小球的运动情况而定。根据向心力以及物体做圆周运动的特点,作出“在最高点小球重力刚好提供向心力”的假设。此时,轻杆不受力,运用圆周运动知识构建模型,计算确定小球的临界速度。当小球的速度超过该速度大小,小球重力不足以提供向心力,此时需要轻杆产生“拉”的效果。反之,轻杆产生“支持”的效果。该物理模型虽因缺乏数据无法进行更深入探讨,但模型的构建过程以及构建思路可给学生带来启示,为学生解决小球在圆形轨道、圆管内做圆周运动等问题提供参考,激活思维。

　　二、巧设问题支架,注重科学推理指引

　　科学推理是学习以及解决高中物理问题应遵循的重要原则,要求学生既要理解物理情境,准确提炼其中的有用信息,又要注重潜在信息挖掘,做好物体运动阶段的合理划分,灵活运用数学、物理知识构建物理方程。高中阶段,部分学生学习物理较为吃力,解题时容易得出错误结果。究其原因在于其分析物理问题受主观因素影响较大,而非通过科学推理做出判断。针对这一情况,教师应做好教学案例的认真设计,借助案例讲解,帮助学生把握科学推理的关键,养成科学推理的意识与习惯。设计的案例内容应体现新颖性,着重考查学生认识不清晰,容易出现理解误区的知识点。同时,通过巧妙设置问题支架,给予学生推理辅助,提高学生思考以及推理的方向性,使学生在思考、回答问题过程中找到解决问题的正确思路,在深入体会推理的过程中获得成就感。

　　“弹簧”是学生在高中物理学习过程中经常遇到的对象。围绕弹簧可以创设很多问题情境,用于检验学生对受力分析、能量转化等知识。弹簧可以产生“拉力”以及“弹力”效果,而且能够储存能量,这一特性使得学生在分析相关问题时往往不知所措。受力分析教学中,可以设计如下与弹簧相关的教学案例：一劲度系数k=200N/m的轻质弹簧下端连接一质量m=2kg的物块,放置在倾角为37°的斜面上,弹簧的上端固定在斜面顶端。物块静止在斜面上。物块和斜面间的动摩擦因数为0.5,弹簧在弹性限度内,最大静摩擦力和滑动静摩擦力相等。重力加速度g为10m/s2。判断弹簧的状态,计算弹簧的最大形变量。设计问题:(1)物块受到几个力的作用?(2)物块受到摩擦力的方向是怎样的?(3)如何计算弹簧的最大形变量?三个问题逐步深入,指向问题的解决,推理的关键在于对物块进行正确的受力分析以及对所给数据的准确计算。因弹簧弹力和物块重力沿斜面的分量大小未知,分析物块受到的摩擦力方向需分类讨论。其中,当物块受到的摩擦力方向沿着斜面向下时,弹簧的形变量最大。

　　三、重视课堂互动,激发思考热情

　　有效的课堂互动能够活跃课堂氛围,引发学生主动、深入思考。在高中物理教学中,教师应依托教学案例与学生互动,让学生积极投入论证活动。论证是一项复杂的思维活动,要求借助专业知识做出准确判断,展示论据进行证明,对学生认知,灵活运用所学能力要求较高。因此,教师设计的教学案例,应考查学生对所学知识的灵活应用程度,又要让学生从论证过程中获得新知识,通过互动指引学生围绕论点进行论据收集,认真计算与推理,使学生知其然更知其所以然,把握物理结论成立的条件,积累论证经验。当然,教师不能忽略对学生表现情况的评价,可在关键环节口头表扬,增强学生获得感,帮助学生树立论证自信心。

　　“平抛运动”是高中物理非常重要的运动类型。设计教学案例,可以创设如下新的问题情境,要求学生立足平抛运动规律进行论证:小球正对着一面白墙做平抛运动时,在小球的抛出点位置放置一光源,小球在运动过程中和白墙未发生碰撞,则小球平抛运动过程中小球在竖直白墙上的影子做什么运动?该案例仅有文字叙述,没有给出相关参数,而且要证明的结论位置,具有一定难度。课堂上,教师可通过互动给予学生论证思路指引,让学生明白在没有参数的物理问题中,通常需要抓住问题关键,合理设置参数。在该题中,要论证影子的运动类型,需要证明影子的位移与时间的关系。如何证明?引导学生画出相关草图,观察图形特点,灵活运用数学中的相似三角形知识构建相关线段之间的关系。同时,运用平抛运动规律表示对应线段的长度,通过等量代换整理后,容易得出小球影子在竖直白墙上做匀速直线运动。根据推理所得的表达式,可以看出影子的速度和小球抛点与白墙的距离、小球平抛时的水平速度有关。如此设计教学案例,并借助课堂互动启发论证,学生能够很好掌握论证步骤,在推理过程中提高运用数学知识解决物理问题的意识。

　　四、重视案例反思,创新解题方法

　　在学习活动中,学生不能一味接受所学,注重质疑创新,能更为透彻理解所学,获得解决物理问题的更好思路与方法,实现科学思维更好发展。高中物理教师应认识到质疑创新的重要性,借助教学案例的有效设计,指引学生敢于质疑,勇于质疑,并结合自身理解敢于表达自己想法。应摒弃传统展示案例、讲解案例,不给学生预留交流、质疑创新机会的做法,在案例解答中通过故意示错、预留空白时间、要求学生思考解答过程是否正确,存在哪些错误,为什么会出现这样的错误,在质疑中寻找正确解答做法。同时,设计能够进行一题多解的案例,要求学生思考解答,积极交流,通过相互质疑,从不同视角出发探寻新的解题思路,进行一题多解。

　　在进行“匀加速直线运动”教学中,学生常会遇到求相对位移的问题。该类问题较为抽象,很多学生对物体运动规律掌握不清晰而出错。为澄清学生认识,可设计如下教学案例:在平板车上放一质量为m的货物。货物和平板车的动摩擦因数为μ。在t=0时,平板车从A点由静止加速到v0,经过的时间为2v0/μg;而后减速停止在B点,经过的时间为7v0/3μg;平板车在运动过程中始终处于水平,货物也未从平板车上滑落,重力加速度为g;求货物相对于平板车位移大小。该教学案例较为典型,可以使用匀加速直线运动知识,分别求出平板车和货物的位移;也可运用相对加速度求解。另外,可根据已知条件分别作出平板车和货物v-t运动图像。物体运动图线和t轴围成的面积为物体运动的位移,借助图像法便可将复杂的物体运动直观化。在确定相关参数后,只需计算对应图形的面积即可,解题因此变得直观、简单。如何要求学生想到这三种思路呢?教师可以要求学生相互交流解题心得,部分学生就会围绕“解题烦琐”程度进行质疑,最终达成共识:使用图像法解答会减少不必要的计算,提高解题效率。在教学案例设计中,加入交流、质疑环节,既能激活课堂,又能使学生在交流、质疑中深化对相对运动的理解,掌握更为简便的解题方法。

　　五、结语

　　在新一轮课程改革实施背景下,高中物理教学应将培养学生核心素养作为重要价值取向,深入理解、掌握核心素养的内涵及表现。明晰科学思维与核心素养的内在逻辑关联,以教学案例为抓手,通过教学案例的精心设计进行物理知识的深入、系统讲解,让学生扎实掌握物理基础知识的同时,有针对性地锻炼与发展学生的科学思维。
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