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物理学科培养科学思维的方法
【摘 要】本文从发展理论出发,探析科学思维的积极意义,通过建构模型、加强类比、等效变换、应用守恒、整合数学等五个方面论述结合物理本质培养物理科学思维的方法.
【关键词】物理教学 学科素养 科学思维
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）08B-0063-02
随着科学的进步,物理知识已经渗透到生活的方方面面.在高中物理教学过程中,最重要的是培养学生科学思维,将科学精神、科学态度、科学方法与传统物理教学结合起来,培养学生敢于质疑、善于质疑的学习态度,全面提升学生的物理核心素养.然而面对升学和高考的重大压力,目前的高中物理教育大多聚焦于知识传授、解题技能练习,忽略了对学生科学思维的培养.因此教师在教学的过程中要注重培养学生的科学思维,培养学生实事求是的物理探索精神,将知识教学和思维教育有机地结合起来,结合物理本质,有意识地锻炼学生的科学思维能力,帮助学生既能更好地学习物理知识,又能为物理这门学科的发展培养人才.
一、借鉴发展理论,探析科学思维的积极意义
美国心理学家、教育学家杜威曾说过：“思维是有意识地去努力寻求我们所造成的结果之间某种特定的联结.”科学思维即是通过科学的方法和手段,依据科学的规律,借鉴发展理论,探究事物之间的内在联系,避免定势思维.
例如,班上的学生在分析物理问题的时候,往往会轻易地得出了结论,缺乏严密的逻辑思考和思维程序.笔者曾深入了解他们思考问题的过程,当学生面对一个难以解决的问题时,他们不知该如何证明结论时,就会想当然地为问题添加一些条件或者省略一些证明过程,以接近心目中的答案.这种方法或许可以在考试中帮助学生节约时间,但从根本上不利于学生物理学习思维的发展,所以笔者每隔一段时间就会向学生强调物理这门学科学习过程中的思维程序：①弄清事物本质,把握事物现象；②确定所要探究问题的关键,把握现象特征,关注现象的本质；③选用恰当的物理规律,验证现象和事实本质.进一步总结为：物理现象→物理条件→物理规律→逻辑推理→结论与分析,进一步培养学生科学思维习惯.
正确的思维是学好物理这门学科的法宝,教师在教学过程中要注意培养学生的科学思维和科学意识,激发学生学习物理的兴趣,感受物理的魅力,帮助学生养成良好的思维习惯,使学生具有可持续发展的潜力.
二、结合物理本质,培养物理科学思维
教师在物理教学的过程中,有意识地结合物理学科本质,点拨和培养学生的物理科学思维,不仅可以帮助学生提升物理学习的积极性,培养学生对物理这门学科浓厚的兴趣,而且可以培养学生正确的学习方法,发展物理核心素养.面对同一个问题,通过科学思维分析,用不同的方法来解答,往往能收获意想不到的效果.下面从模型构建法、类比法、等效法、应用守恒法、数学整合法等方法来具体分析.
(一)建构模型,形成认知体系
构建物理模型,是将物理知识直观化、精简化的一种解题手段,是突出相关问题中的主要影响因素,弱化影响程度较小的因素的过程.物理模型分为过程模型和实物模型,它是帮助学生学习物理、形成认知体系的常见手段.
例如,在高一接触“质点”这一物理概念时,有这样一道例题：
一辆摩托车的最大行驶速度是 30 m／s,摩托车从静止的状态出发,要在 200 s 内追上它前方相距为 200 米的小汽车,小汽车正以 20 m／s 的速度在平直的公路上行驶.求摩托车在追逐小汽车的过程中,至少应有多大的加速度？
要解决这道题目,首先要把运动的摩托车和小汽车看作一个质点,这便是典型的物理模型解题法.把摩托车和小汽车看成在直线上水平运动的质点,忽略车在行驶时车轮的滚动等不重要的因素.在本质上提炼出分析和解决对应物理问题的相关条件,抓住位移和时间的关系,进而求得摩托车最小的加速度 a＝2.5 m／s2.
教师在教学的过程中渗透物理模型意识,帮助学生在头脑中构建一幅清晰的物理图景,锻炼学生的科学思维,进一步把握每一个公式、每一个知识点的准确性,提升解题能力.
(二)加强类比,强化特征认知
学生往往习惯于形象思维,缺乏抽象思维能力和逻辑推理能力.教师在教学的过程中要引导学生加强知识间的类比,强化学生对知识特征的认知,帮助学生理解抽象知识,培养学生的科学思维能力.
例如,在学习“静电场”这一部分内容时,建立“电场”这一概念十分重要,但由于电场的概念较为抽象,无法形象地表达,很多学生理解起来比较困难.笔者在讲授这一知识点时,将电场和重力环境进行类比,地球的周围存在重力场,G等于mg,同样的电荷的周围也存在静电场,F等于qE.然后再进一步类比重力势能和电势能,引出电势差的知识点,,引导学生对静电场中的相关知识点进行学习和总结.笔者通过这样的类比,在新旧知识之间搭建桥梁,让学生通过旧知识学习新知识,通过新知识巩固旧知识.新旧类比,帮助学生强化知识点之间的特征认知,明确不同知识点之间的联系和区别.
物理学是一门源于自然的学科,几乎每个知识点间都有内在的联系,教师可通过新旧知识的类比联系,培养学生的科学思维,给予学生学习方法上的启示,提升学生的学习能力,发展物理核心素养.
(三)等效变换,推开多维视角
等效法是从物理本质出发,将原本复杂、抽象的物理问题,通过抓住效果相等这一关键点,转化为简单、直观的物理信息.例如,平均值概念的引出,笔者就运用了等效变换的原理,帮助学生展开多维视角,训练学生的科学思维.
例如,在“电路”的讲解中有这样一道例题：
电路中的 E,r,R0 都是未知的,在这个电路的输出端 a,b 间接一个未知电阻 Rx,当未知电阻 Rx等于Rx1等于10 Ω 时,Ix等于Ix1等于1 A,当未知电阻 Rx等于Rx2等于18 Ω 时,Ix等于Ix2等于0.6 A,试问当未知电阻 Rx 为多少时,电路中的电流为 0.1 A？
在这道例题中,虽然电路中的 E,r,R0 都是未知的,但它们是确定的,因为变化的只有 a 和 b 两端的电阻值.此时,笔者引导学生将 a 和 b 两端的电路等效为一个电源,这样在解决这道题目的时候,就不再受“电路中的 E,r,R0 都是未知的”这一条件的困扰.学生在笔者的引导下很快就有了解题思路,并根据闭合电路欧姆定律解出答案.
在高中物理中,除了电路问题,还有合力和分力、合运动和分运动等问题都常常运用等效变换方法求解.因此教师要帮助学生学习等效变换法,学会用等效变换寻求最佳解法的能力,帮助学生推开多维视角,培养科学思维.
(四)运用能量守恒,引导深度探究
能量不会凭空消失,更不会凭空产生,它只能是从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,这就是能量守恒定律的本质.从能量守恒的本质入手,就可以清晰地梳理出很多题目的解题思路,进行深入探究.
例如,为了让学生更好地理解“机械能守恒定律”,笔者给学生出了这样一道例题：
有一匀速运行的传送带,其速度为 v＝3 m／s,在传送带的底端突然放一个装满沙子的盒子,试分析沙子从传送带的底端运送到顶端的过程中沙子和传送带的功能关系.
当沙子刚刚被放在传送带上时,沙子和传送带之间会产生摩擦,传送的功就会转化成沙子的动能和产生热量,即 Q总等于Q动+Q热.当学生都掌握了这一关系后,笔者又给题目添加不同的条件,让学生借助功能关系练习解答,进一步探究能量守恒的具体应用.学生经过多次练习之后,牢固掌握了能量守恒定律,对解答相关的题目都有自己的方法和思路,解题速度得到了提高.
能量储存的方式千变万化,但不管能量储存的方式如何变化,其都是守恒的.当我们面对这一类题目时,教师一定要求学生抓住能量守恒这一关键点,深入探究题目的条件,找到解题思路,从而使学生的科学思维得到锻炼,解题能力得到提升.
(五)整合数学,拓展学科资源
物理和数学是相互联系、相互影响的两门学科,教师在讲解物理题目的过程中,既要引导学生用物理的逻辑思维分析题目,又要学生用数学思维习惯,认真审题,挖掘题目中隐藏的信息,找到解决问题的办法.也就是说,教师要拓展学科资源,训练学生科学思维.
例如下面这道题：
一个 “200 V,1000 W”的电热水器,在额定电压下工作了 17 分钟,产生的热量被 2.5 kg,25 ℃,的水全部吸收.试问,在标准大气压下水的温度上升了多少摄氏度？
学生看到这道题时,马上将相关条件套入公式,得到：
Q＝Pt＝1000×17×60 J＝1.02×106 J
电热水器工作 17 分钟后,一共产生热量 1.02×106 J ,全部被水吸收.水的温度上升：
得到答案,水温上升了 97.14 ℃.
学生得出这个答案之后,笔者引导学生结合数学的思维来思考物理问题,是不是忽略了题目中的一些隐含条件.学生很快发现,按照这个计算结果,水温将达到 25 ℃＋97.14 ℃＝122.14 ℃.而标准大气压下水的温度最高是 100 ℃,这道题的正确答案应该是 75 ℃.
正如“数学语言奇迹般地适合于表述物理定理”,物理题目和数学题目总是有着异曲同工之处.教师给学生讲授物理题目的时候,要恰当引导学生将物理思维和数学思维相结合,让两种思维相互联系、相互补充,达到学科发展,资源整合的目标.
物理是一门来源于自然的学科,培养科学思维是物理学习过程中的核心要素.教师要引导学生结合物理本质,利用科学的方法和思维对问题进行分析,养成科学思维习惯.教师有意地培养学生的科学思维,发展物理核心素养,将有助于学生加深对物理知识的理解和学习,灵活运用课堂所学知识解决问题.
【参考文献】
［1］刘艳红．基于高中物理核心素养培养开展课程导入［J］．中国校外教育,2017（34）
［2］乔金芳．高中物理教学中培养类比思维的策略研究［J］．学周刊,2016（28）
（责编 卢建龙）
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