基于深度學習下的物理科學思維的培養

焦潤勇 葉成林

摘 要：物理深度學習強調對學生科學思維能力的培養，科學思維能力包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑和創新等要素.本文從四個方面闡述教師在教學過程中應如何培養學生的科學思維，促進學生的深度學習.

關鍵詞：科學思維;深度學習;模型建構

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0044-03

基金項目：江蘇省中小學教學研究第十三期重點資助課題“初中物理科學探究中培養學生批判性思維的策略研究”（項目編號：2019JK13-ZA16）;儀征市立項課題“基于初中物理實驗教學的‘深度學習策略研究”（項目編號：2020/G/L017）.

作者簡介：焦潤勇（1974-），男，江蘇儀征人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理課堂教學;

葉成林（1969-），男，江蘇儀征人，本科，中學高級教師，研究方向： 中學物理課堂教學與實踐研究.

物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度和責任等四個部分.科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.物理深度學習有利于訓練學生科學思維能力，即幫助學生在掌握學科知識的基礎上，進一步從物理角度認識和了解自然，引導學生再現物理探究的過程，合理使用科學探究方法，養成用物理科學思維解決物理問題以及生活中實際問題的良好習慣，提高學生創新能力以及實踐能力.那么，如何培養學生的物理科學思維？筆者從以下幾個方面做出嘗試.

1 在模型建構過程中培養學生的科學思維

模型是對實際問題的抽象描述，構建物理模型是研究物理問題的科學思維方法.在物理教學中，教師創設真實情境，引導學生在真實情境中提出問題、解決并產生新問題，將情境與抽象概念進行模型建構，不僅有利于學生對所學知識深度感悟，又能培養學生模型建構思維.通過物理模型建構，使得許多抽象的物理知識具體化、直觀化、形象化，驅動學生深度思考，引導學生自主建構、發展學生物理學科素養并促進學生深度學習.

比如，在學習定滑輪的使用后，學生很容易建構定滑輪是等臂杠桿的模型，但這一建構卻對動滑輪的模型建構形成負遷移，學生不假思索地認為動滑輪的支點也是軸心.為了防止學生出現這一錯誤假想，教師可以不急于拋出動滑輪的模型建構，而是引導學生一起回憶杠桿的概念，并強調支點是杠桿旋轉的點，而不是杠桿移動的點.然后，教師引導學生動手嘗試，通過提醒學生觀察動滑輪在提升物體時滑輪的軸心是否移動，大部分學生不難發現，軸心和物體連在一起，物體移動軸心一定會移動，不符合杠桿支點的定義.那支點會在哪里？這時，教師可以讓學生完成杠桿五要素（如圖1所示），再類比動滑輪，學生很容易發現支點在最左側的接觸點處，也順理成章過渡到圖2、圖3，學生對動滑輪的實質理解更加深刻.

科學思維過程化，是指通過學習問題過程化，在短期內加深學生對物理模型的理解，進一步熟悉每個物理知識點的特點.在熟練掌握物理模型的基本特征后，加深學生物理學科的深度學習能力，進一步促進學生物理科學思維的發展.

2 在科學推理過程中培養學生的科學思維

科學推理是學生根據現有知識和所給條件與事實，進行邏輯思維推導，做出自己的判斷，形成正確結論.學生學習的過程不僅僅是簡單的信息積累，更是新舊知識和經驗之間的認知沖突，并由此產生認知結果的推理和重組.在物理教學中，教師根據實驗引導學生創設情境，運用已有知識和方法進行互動，進一步進行邏輯推理，從而得出正確結論.

物理是以實驗為主的科學，探究活動是獲取知識的手段，其中探究方案的設計本身要求較高的嚴謹性和邏輯性，方案的設計過程其實就是一次嚴謹的自我反思和自我批評的過程，有經驗的教師會在方案制定過程中培育學生探索性與邏輯性的思維特質，對已有知識進行演繹與推理，同時能有效地發展學生科學思維.

比如，在探究電流做功大小與哪些因素有關時，學生猜想后接著要設計方案，一些教師首先給出電路圖，講解此電路控制什么變量，改變什么變量，學生應該做什么？怎么做？一步一步朝著想要的結論帶領學生驗證，將學生“灌”的暈頭轉向，學生越學越覺得困難、乏味.如果換一種方式結果會是怎么樣？

師：如果探究W與U的關系需要控制什么變量？

生：I和t.

師：電路需要串聯還是并聯？

生：串聯，控制I、t一定，改變U即可.

師：串聯電路怎樣讓導體兩端電壓不相等？如何知道電壓不相等？

生：根據串聯分壓特點，讓兩只燈泡規格不同即電阻不同，分擔電壓不同，在兩只燈泡兩端并聯電壓表跟蹤觀察并比較誰的電壓大.

師：I、t一定，電流對哪只燈泡做功多？你準備觀察什么？

生：我準備觀察小燈泡的亮度，I、t一定時，電流做功越多，電能轉化為光能越多，燈泡就越亮.

生：為保護電路還要增加滑動變阻器.

這樣，教師創設深度思考的氛圍，學生順利地從電路圖圖4過渡到圖6，學生通過質疑、批判、肯定實現思維進階，提高分析與處理問題的能力，訓練科學推理能力，真正成為學習的主人，最大程度地發揮學生的主觀能動性.

3 在科學論證過程中培養學生的科學思維

科學論證是一種依據科學事實、概念或規律， 運用一定的科學推理方法，證明一個觀點或結論是否正確的科學思維.此過程可以在更高層次上促進學生思維能力的發展.在物理教學中，教師引導學生科學交流，在深入分析的基礎上，取得事實證據支持以證明自己觀點是否正確，有助于培養學生科學論證思維.

如在“家庭電路和安全用電”教學時，針對短路會引起火災這一教學內容，由于安全等因素很多教師會選擇簡單陳述，震撼感不強，學生對短路的認識止于淺層學習，并沒有認同感.究竟什么是短路，短路能造成哪些危害學生并沒有直觀的感性認知.教師在教學中可以采用實驗，既安全又能激起學生的探究熱情.利用兩節干電池、導線、包裝錫紙、口香糖等器材進行實驗.

在實驗過程中，一些學生將電池正負兩極直接用錫紙連接（如圖7所示），此時電源已短路，學生很快因為燙手而松開電池.一些學生經過思考，將錫紙中間用剪刀剪細（如圖8所示）串聯在電路中，閉合開關形成回路，這次實驗現象極為震撼，學生很快觀察到錫紙燃燒起來，引起全體學生尖叫呼喊.

這時教師可以請進行圖8實驗的同學介紹能夠讓錫紙燃燒起來的成功做法，并引導大家分析原因，再次讓全班陷入深思，學生躍躍欲試，爭先恐后說出各自的想法.此實驗基于真實情境和問題的解決，教師步步深入，引導學生思考建構新的認知，學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到提升.

再如，在“電功率”教學過程中，在面對額定功率、實際功率和燈泡亮度三者關系時，很多學生感覺到頭疼，分不清、搞不明.為幫助學生克服障礙，突破難點，教師不妨謀求實驗創新：在家庭電路接線板上同時接上四盞燈（如圖9所示），并引導學生觀察各燈亮度，學生驚奇地發現同樣規格燈泡亮度不同.接著教師拋出問題串引領學生深度思考，額定功率大的燈是否一定亮？燈泡亮度由什么決定？“220V 100W”的燈泡實際功率一定是100W嗎？后面三盞燈亮度是否相同？能否通過計算證明？學生通過分析電路，進一步推理、判斷并加以計算，再通過實驗探究能夠從本質上理解額定功率、實際功率、燈泡亮度三者關系且不易遺忘.

綜上所述，分析是論證的前提，論證是分析的結論.每次實驗設計與創新都建立在科學分析論證的基礎之上，并根據實驗過程中的可靠事實幫助學生證明自己觀點，培養學生分析問題能力，發展學生科學論證思維.

4 在質疑創新過程中培養學生的科學思維

質疑是學習者在強烈的好奇心下，敢于獨立思考，設難題，敢于大膽發言，熱烈討論，敢于刨根問底，探索未知.而創新是突出已有知識的局限性，從不同角度思考物理問題.質疑是創新的基礎，創新是質疑的深化.在物理課堂教學中，教師深度評價，引導學生多提問、多質疑，并鼓勵學生創新方法解決問題，培養學生質疑創新思維.

再如，在蘇科版物理教材九年級第十五章第四節“電熱器 電流熱效應”教學過程中，就如何探究電熱與電阻關系的實驗活動中，教師可以先提供三組不同實驗方案，再拋出問題串引領學生進入深度思考，你準備選擇哪組器材實驗？為什么這樣選擇？在你選擇的方案中，是通過觀察什么比較電流通過導體產生熱量的多少？水、煤油、空氣使用哪組介質現象更為明顯？

問題串提出后，全班學生陷入深度思考，部分學生說圖11錯誤，R1電阻絲阻值大，產生的熱量多，但散熱面積也大，兩根火柴頭應該同時被點燃，無法比較R1、R2產生熱量的多少.

但面對圖12、圖13兩圖，班級學生卻爭論不下，一些支持圖12，一些支持圖13.這時，教師抓住契機將學生分為兩組，分別采用圖12、圖13兩圖親自探究，這時學生的探究熱情被點燃，探究欲望更加強烈.學生通過對比實驗方案發現，采用圖13用時少，實驗現象更明顯，學生又陷入深度思考，為什么加熱空氣現象明顯？師生共同探討、分析，得出是因為水和空氣的比熱容大小不同造成，實現知識遷移.

通過上述“折騰”，學生在器材和實驗方案的對比與評價中發展思維，加深理解.

評價是一種價值判斷，是一種主觀活動.它的作用是指導教學活動，確定活動目標和方向，進行評價和溝通，既能體現語言的準確性、邏輯性和嚴謹性，又能形成深刻反思，使思維更加深刻.

總之，在物理課堂教學中，教師要緊扣物理學科核心素養目標，秉承發展學生科學思維理念，鼓勵學生批判和質疑，引導學生合理建構模型，以事實為判斷依據，以邏輯推理為論證手段，以質疑反思為評價起點，進一步培養學生科學思維，促進學生深度學習，發展學生核心素養.

參考文獻：

[1]李欣.在物理探究性學習中培養科學精神[J].教育科學論壇，2017（34）：68.

[2]黃建林.“深度學習”視域下實驗教學的策略研究[J].教學月刊·中學版（教學參考），2018（09）：61-65.

[3]楊琳.模型思維在初中物理深度學習課堂中的實踐[J].中學物理，2021，39（14）：29-32.

[4]陳懋，費志明.基于科學思維培養的初中物理深度學習探索[J].中學物理教學參考，2021，50（01）：18-21.

[5]楊俊龍.深度學習理念下中學生物理科學思維的研究[D].昆明：云南師范大學，2019.

（收稿日期：2021-08-03）