物理教学如何培养学生的科学思维素养
黄基森
摘 ? 要：科学思维模式主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。就科学思维特点而言，它又可以划分为抽象思维、联动思维、化归思维、数理思维等。物理教学中学生科学思维培养的途径为：突出概念本质，促进学生的抽象思维;引导延伸追问，促进学生的联动思维;通过问题演变，促进学生的化归思维;借助数学模型，促进学生的数理思维。
关键词：科学思维;抽象思维;联动思维;化归思维;数理思维
科学思维，指人们正确认识客观事物和解决实际问题的思辨方式或思维模式。如分析、比较、归纳、综合、抽象、概括、质疑、推理、论证等，均是科学思维的不同思辨方式或思维模式[ 1 ]。 从物理学的研究角度来说，科学思维模式主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。就科學思维特点而言，它又可以划分为抽象思维、联动思维、化归思维、数理思维等[ 2 ] 。 笔者就初中物理教学对这四种科学思维素养的培养，谈谈个人的认识。
1 ?突出概念本质 ?促进学生的抽象思维
物理概念是物理现象或物理过程在本质或特征方面的概括性反映，其中抽象性的科学思维是建立概念的重要方式。所谓抽象思维，指运用分析与综合、抽象与概括的方法来揭示事物本质属性或特征的思维过程[ 1 ]。如“力是物体对物体的作用”概念，它就是在对诸多力现象进行分析和比较基础上进行抽象概括而获得的认识。其中“每个物体既是受力物体又是施力物体”的性质就是力现象的共同特征，至于“两物体是否接触”的作用位置、“推、拉、压、挤”的作用方式、“形变或运动状态改变”的作用效果，这些均不是力现象的本质性内涵。依据力的作用位置、作用方式与作用效果特点，由力作用的内涵又可以构建“力的三要素图示模型”。这就是力概念建立的抽象思维过程。可见，抽象思维是概念模型建构的基础。
概念的建立，为描述物理规律提供了可能，同时也奠定了物理学理论的基础。这足以体现抽象思维的价值。
在概念建构中要促进学生的抽象思维，关键在于突出概念的本质，从而奠定抽象与概括的思维基础。如“压强”概念的构建，教学中可以设置以下教学活动：
（1）演示“压力的作用效果”实验，使学生知道“压力”与“受力面积”是决定“压力作用效果”的两个要素;
（2）提出问题让学生思考：
①在水平桌面上，一块砖平放和两块砖叠置平放，哪种压力的作用效果大？
②在水平桌面上，同一块砖平放和侧放，哪种压力的作用效果大？
由上面两个问题来启发学生“同中辨异”的比较思维，因为比较是抽象的基础。
（3）启迪学生的抽象思维：
提出问题1：在水平桌面上，放置一盒粉笔和一杯水，哪种压力的作用效果大？对此问题，压力和受力面积均不同，难于比较，学生会感到困惑。
提出问题2：能否转化为“同中辨异”的问题？这个“同”是什么呢？速度概念是怎么建立的？
在问题2中，学生自然会联想速度概念的构建过程，借助类比，一般学生就能想到用“压力/受力面积”来描述压力效果，所谓“同”，这里指“单位面积所受的压力大小”。这就是“压强”概念教学中促进学生抽象思维的过程。
2 ?引导延伸追问 ?促进学生的联动思维
联动思维，指由此及彼的连贯性思维。其形式可以是刨根问底的递进思维，也可以是不同方向的发散思维，还可以是“由因索果”到“由果究因”的逆向思维，其中的流畅性、灵活性与变通性是其主要特征[ 1 ]。联动思维是一种创造思维，它是促使物理科学发展的重要思维品质。牛顿由伽利略“运动物体不受力作用会永远运动下去”的观点提出了牛顿第一定律，在此基础上又进而提出牛顿第二定律，这就是思维递进的结果。奥斯特发现“电能生磁”，法拉第则猜想“磁也能生电”并归纳出“电磁感应定律”，这就是“由果究因”的逆向思维。
初中物理仅是介绍简单的物理现象与知识，而且多数属于定性描述，更复杂更深奥的东西以及定量描述都属于高中或大学内容，因此在延伸拓展教学方面，初中物理有着广阔的空间，延伸提问的目的就是诱发学生的联动思维。
引导延伸提问，就是要求学生在教材知识内容的基础上适当深入或扩展性地提出一些新问题，简单地说，就是学会联动质疑。就质疑思维而言，它可以分为以下三种方式：①由现象究原理。如对于“冷水浇铁皮罐”实验，在认知“气体的压强随温度降低而减小”的基础上，如果学生能提出“为什么温度越高气体的压强越大？”“气体压强变化与温度变化具有怎样的数量关系？”等问题，那么这何尝不是科学探究的起步？②由原理究方法。如针对“在岸边看水中的‘鱼变浅了” 的折射问题，学生如果能提出“从水中看岸上的人是变高了还是变矮了？”，那么这就是一种逆向的联动思维，如果学生进而能提出“用什么方法来验证像的大小”问题，这何尝不是科学方法层面的思维。③由方法促创造。如对于“伏安法测电阻”，不论安培表外接还是内接，都会产生测量误差。对于这个问题，多数学生都能分析出哪一种接法测量值是偏大还是偏小的结论，在此基础上，如果学生能进一步提出“哪一种接法误差较小”“误差大小与哪些因素有关”“怎样的测量电路方可消除误差”等问题，那么这就是逐步推进的创造思维。
对于上述问题，虽然初中学生难于做到独立性解决，但就培养学生的科学思维而言，却有着积极的意义。
3 ?通过问题演变 ?促进学生的化归思维
“以旧探新”的认知方法是人们获取新知识或形成新技能的基本方法。所谓化归思维，指把问题由难化易，由繁化简，由复杂化简单、由未知到已知而认识和解决问题的思维方式，其中“难化易”或“繁化简”的“转化”是其思维灵魂[ 1 ]。“以旧探新”的认知方法，实质就是化归思维的具体运用。如“声音的传播”，学生难于理解其传播原理，如果教学中引导学生借助己熟悉的运动问题模型来认识“物体振动（发声）→空气振动→耳膜振动（声觉）”，那么学生对“声音的传播”就能形成直观形象化的理解，进而也会运用“速度公式”来定量分析声音的传播问题。这就是认识或解决新问题中的化归思维。
在物理学中，化归思维主要体现在“问题模型化归”和“思想方法化归”两方面。如上面把“声音的传播”转化为“匀速运动模型”就属于问题模型的化归，而用“累计法”测定纸张厚度就是“放大思想”的化归，其中化归的具体过程与方法就是对问题进行演变而类化。
课题知识难点的教学突破是启迪学生化归思维的良好契机。如对于“凸透镜会聚平行光”的性质，学生难于理解，为突破这个难点，教学中就可以引导学生把这个复杂的问题分解为下面四个已知的问题：①平行三棱镜底边的光通过三棱镜后会向底边偏折;②凸透镜可以粗略看成是底边重合的两个三棱镜的组合;③由于对称特点，关于底边对称的平行光经三棱镜折射后必定在底边的延长线上相交;④实际的凸透镜可以分解为无数个顶角不同的三棱镜截出底边部分的组合，越靠近边缘，三棱镜的顶角越大，光线偏折越大。明确了上面四个问题，学生不仅能较好地理解“凸透镜会聚平行光”的性质，而且对培养学生的化归思维，也有着很好的启迪作用。
解题思维的形成教学是训练学生化归思维的良好途径。如“铅笔斜插入装有水的玻璃杯中，从侧面观察，就是“水中铅笔为什么变粗”的问题，如果教师启发学生把玻璃杯和水看做是凸透镜，那么这种化归思维则会使得学生豁然开朗，这就是化归思维的魅力。
4 ?借助数学模型 ?促进学生的数理思维
数学作为一种语言或工具，对物理学的建立与发展有着重要价值和作用。首先是数学对物理概念与规律的定量描述提供了简洁的语言，使得物理理论体系得以建立;其次是数学为物理科学的抽象思维与逻辑推理提供了便捷的工具，使得理论与实际应用对接[ 2 ]。作为数学应用于物理学科的数理思维，即用数学思想和方法来描述物理世界思维方式，它是物理科学思维的重要思维品质，而教学中借助对数学模型的构建和认识是促进学生数理思维的主要途径。
首先要重视概念与规律的数学模型构建教学。物理概念与规律是构成物理学理论的基本元素，其数学模型的建立过程，正是人们对物理世界的研究和认识过程，重视这个过程的教学，既是教学的返璞归真，更是促使学生形成数理思维的有效过程。引导学生构建概念与规律的数学模型，关键是引导学生学会用数学语言来描述物理现象或过程的本质或特征。如“密度”概念，在实验中学生会发现：对同一种物质，虽然质量和体积均不相等，但两者的比值都相等;对于不同的物质，其比值都有特定的值。如何用数学形式来描述物质的这种特征呢？教学中要让学生去思考或讨论，让学生自己尝试建立ρ=■的数学模型，切忌教师包办代替。只有通过学生个体的“悟”，数理思维才能得以发展。
其次是重视数学模型中物理意义的认知教学。数理思维，既要从数学的角度来理解物理事件实质，又要从物理的角度来认识数学模型的内涵。如液体压强公式P=ρhg，从数学的角度可理解为：公式是依据固体的压强概念而得到的，其适用情形为静止的液体。物理意义为：在同一地点和针对同一种液体，其内部压强大小与深度成正比，方向为各个方向，这种特点是由液体流动性特点所决定。从物理的角度又可理解为：公式是表示液体内部压强随深度的变化关系，如果用P—h图象来描述，它是通过原点的一条直线，其斜率表示物质密度ρ与重力加速度g的乘積，对不同的液体其图象斜率不同，对同一种液体，所处的地理位置不同，这个斜率值也不同。显然，引导学生从数学和物理这两个角度来认识物理问题的数学模型，既有利于促进学生的数理思维，又可以促使学生更好地运用数学知识来分析与解决实际的物理问题。
科学思维素养是物理学科的核心素养。从育人目标层面而言，培养学生的科学思维素养，就是教会学生如何思考问题，即如何分析问题和解决问题。科学思维素养，既是学生当前学好各种课程的基本素养，又是学生未来从事社会实践工作的必备素养，更是学生能获得终生发展的重要素养。
参考文献：
[1]周建武.科学推理-逻辑与科学思维方法[M].北京：化学工业出版社，2017：5～15.
[2]郭玉英，姚建欣，张玉峰，等.基于学生核心素养的物理学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017：12～15.
