显化科学方法培养科学思维

摘要：科学方法教育是初中物理开展实验教学培养学生物理学科核心素养及其有效的途径.本文以“神奇的升力”的教学实践为例，阐释了如何在初中物理实验教学课堂上显化科学方法教育.根据教学难点和“对应原则”，提出了引入与猜想的类比方法、设计实验的演绎方法、突破飞机升力难点的转换方法，始终以科学方法引领的思维发展，以突出科学方法在物理教育中的价值.
关键词：初中物理实验教学;科学方法;科学思维
作者简介：许辉勇（1983-），男，广东普宁人，本科，中学一级教师，研究方向： 初中物理实验教学中的科学方法教育.
物理学是一门实验科学，是一门方法学[1].建构主义观认为科学本质上是一种科学探究活动.它强调科学知识是暂时性的、主观的、建构的，它将不断地被修正和推翻.因此，物理教学实际上就是让学生体验科学研究的过程与方法，掌握科学方法、树立科学态度和弘扬科学精神.实验包含了丰富的科学方法，实验教学的本质是科学方法及思想的感悟、学习、应用.大量实践证明，以实验为载体进行科学方法教育，它是实现学生物理学科核心素养培养的有效途径.本文在分析教材内容的基础之上，基于初中物理实验的课堂教学实践，以显化科学方法来培养学生的科学思维的视觉探讨“神奇的升力”的教学.
1对教材的基本分析
粤沪版物理八年级下册第九章 浮力与升力在编排上，先让学生学习浮力，再学习升力，这种编排有利于学生类比和区别浮力与升力.本节课的编写思路是：先从飞机升空的现象提出问题：使飞机上升的力究竟是怎样产生的[2]然后安排“活动1奇妙的实验”（几个关于流体压强与流速关系的实验），激发学生的好奇心和探究欲，通过对实验现象的分析，归纳出流体压强与流速的关系.然后在观察“活动2认识升力”实验现象的基础上，通过理论分析，得出飞机升力产生的原因.最后，通过解释一些与生活相关的现象从而加深学生对流体压强与流速关系的理解.
教材的编排方式有以下两个方面值得商榷.
（1）教材虽然突出了“探究性”，却忽视了学生的认知规律，直接从问题“飞机升力是怎样产生的”直接跳跃到“活动1”的几个关于“流体的压强与流速关系”的实验，学生不能够联想到“飞机的升力”与“流体的压强与流速的关系”之间的联系，教材对此问题的处理无疑增加了学生的认知负荷和教学难度.
（2）教材在“风扇使机翼模型飞起来”的实验基础上（如图1所示），通过理论分析，得出飞机升力产生的原因.初中生的思维正处于由形象思维向抽象逻辑思维的过渡阶段.因此，初中生的思维总是从一定的感性材料的归纳中形成物理模型.该模型是基于形象思维并通过运用物理模型进行思维加工而形成的.在初中物理教学中过于强调理论分析，会抑制学生的思维兴趣，使学生的思维能力停滞在形象思维阶段.
首都师范大学邢红军教授认为，物理教学要以科学方法为中心，并视科学方法为能力的核心，科学方法可分为物理方法和思维方法，这与心理学中强认知方法与弱认知方法是一致的.物理方法是客观的，所以可以通过传授的方法来掌握，而思维方法是主观的和大脑的功能，这就需要训练才能使学生掌握，科学方法具有导源、突破、中介和建构的功能，能够通过显化科学方法来解决目前一些物理教学逻辑的问题[3].笔者认为，以“教材中的知识”与“科学方法”为主线，使“知识线”和“方法线”在物理实验教学中同时进行，有助于学生的理解和应用，培养学生的科学思维能力.
2彰显科学方法、培养思维的实验教学
2.1“类比法”引课题，诱发思维
古人云：“学贵有疑”，“学则有疑”.质疑是探索新知识的开始，是培养学生科学思维能力的开始.“需要作为人的积极性的重要源泉，它是激发人们进行各种活动的内部动力”[3].教师要善于创造情境，通过激趣设疑让学生有“需要”的思考，调动他们思维活动的自觉性与积极性，才能使其思维得到很好的发展.
在“神奇的升力”一课的引入中，笔者以“听话的乒乓球（如图2所示）”和“吹水实验（简易喷雾器实验如图3所示）”的实验作为学生的前知识引导学生思考质疑，激发学习动机，明确思维指向，提供认知起点，从而提出问题.
[教学片断1]
教师取一个水杯，把一个乒乓球放入其中，要求不用手和借助任何器具，在不损坏容器的条件下将乒乓球球取出，并请学生到前台尝试.学生听到可以尝试就充满兴趣，当然，学生经过多次试验均未成功.这时，教师以“魔术”的演绎方式赋予乒乓球神秘的色彩，“我给乒乓球吹口仙气，让它自己跳出来”，教师在水杯口上方用力水平吹一口气，乒乓球从杯底部快速地“跳了出来”，此时学生惊叹不已.学生充满着疑惑，恨不得马上揭开这个谜底.
接下来，让一个学生演示简易喷雾器实验.学生观察到杯里的水升起从管口喷出.
这样的情境创设诱发学生的认知冲突，引发学生去思考、体味，诱发学生思维，促使学生去发现问题，提出问题“为什么乒乓球（水滴）会升起”，激发学生的强烈的求知欲.
2.2“类比法”助猜想，启发思维
实验是物理学发展的科学基础，是检验物理学理论的唯一标准.猜想与假设则是提出实验的重要环节，也是科学想象的一种形式，科学想象是一种创造性的思维形式和研究方法.爱因斯坦指出：“想象比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，……严格地说，想象是科学研究中的重要因素”[1]. 猜想环节是学生根据已有的知识或经验提出的，是创造思维的准备期和酝酿期，也是思维加工的过程.在引导学生猜想“流体压强与流速”关系时，由于学生缺乏“流体的压强与流速有关”的“前概念”，学生很难提出“流体的压强与流速的关系”，因此在课堂的引入阶段的“乒乓球飞出杯子”和“简易喷雾器”的实验，通过“激趣设疑”，有效诱发学生思维，学生能猜想“乒乓球（水滴）的升起”与“吹气（流速）”有关，但学生就以上情境仍然难以聯想到“流体的压强”与“流速”有关，从而产生了“升力”.粤沪版的教材中一句“流体流动时，在流速不同的地方会表现出一种奇妙的特性”[2]带过就进入实验.在实际教学中，教师往往也是三言两语带过，学生则是被动地接受与跟着教师的思路去完成接下来的实验活动，更不明白为什么要通过这些实验去探究流体的压强与流速的关系.学习是一个连续的过程，任何学习都是在学习者已经具有的知识经验和认知结构，已经获得的动作技能，已经习得的态度等基础上进行的[4].建构主义认为，学习迁移实质上就是在新情境对知识的应用.奥苏贝尔认为，“一切有意义的学习必然包括迁移”.为了让学生能够科学猜想，笔者采取继续显化类比法这一科学研究方法，紧抓“吸管吸饮料实验”和“简易喷雾器实验”的共同之处，做大胆的猜想.
[教学片断2]
如图4所示，让学生演示吸管吸饮料.
师：饮料为什么能够上升到我们的嘴里呢？请解释这个现象.
生：利用大气压.
师：怎样利用大气压？
生：当用吸管从瓶中吸饮料时，管内的空气被吸走，管内的气压变小，外面的大气压不变，大气压大于管内的气压，将饮料压入嘴里.
......
如图5所示，让物理科代表演示“吹水实验（简易喷雾器实验）”.
师：同学们观察到什么？
生：水喷出来.
师：水要喷出来，首先水从下方如何运动？
生：升上去.
师：同学觉得是谁把水压上去的？
生：大气压把“水”压上去.
师：大气压把“水”压上去，那么说明管内的气压发生什么变化？
生：管内的气压“变小了”.
师：在实验中，管内的气压变小了，在没吹气之前管内的气压怎么没有变小？
生：科代表刚才吹气.
师：吹气改变了什么？
生：空气流动的速度？
师：也就是说，是什么原因导致了管内的气压变小？
生：可能是空气流速变大，压强变小.
……
笔者借助“类比法”，通过问题链启发引导学生进行分析，温故知新，让学生思维经历对新旧知识的对比和分析的过程，培养学生的分析能力和概括能力，促成学生更有效的对知识进行迁移.在思维中促成知识迁移，在迁移中激发思维，新旧知识之间的联系和比较分析带给学生的更多的是一种思维的习惯学习的方法，更有助于学生的发展.
上述两个方面都体现了类比法的丰富内涵.
类比法是一种由特殊到特殊或由一般到一般的推理，是根据两个（或两类）对象之间在某些方面相同或相似而推出它们在其他方面也有可能相同或相似的推理方法[1].
类比法具有触类旁通、启发思路、沟通新旧知识的作用，有效顺接了学生学习新知的逻辑起点，降低了学生的思维难度，学生的思维活动逐渐从表层向深层转移，培养学生的深层思维.同时水到渠成地向科学探究迈出了最关键的一步-“猜想和假设”，为接下来的学习与以后的学习做好准备，避免了把科学方法当做机械的知识来灌输，使意义学习产生功效.由此可见，显化“类比法”等科学方法并让学生感受科学方法是富有潜在意义.
2.3“演绎法”设实验，锻炼思维
实验探究的过程其实是思维加工的过程，通过培养学生的观察能力和手脑并用的能力，从而加强学生思维能力的培养.学生学习一种方法或技能需要进行模仿性训练，在训练中思维也获得锻炼与提升.“由于表象具有动摇性、模糊性”[2]，教师要为学生学习科学方法建立提供丰富的表象和反复呈现表象，以期表象更加丰富、清晰和稳定.因此教学时，教师通过“演绎法”来固化这种表象.
[教学片断3]
师：现在，小组讨论，如何利用桌上的仪器来探究流体的压强与流速的关系，验证猜想.请几个小组派代表向大家展示一下你们的设计.
（学生进行讨论.各小组的仪器有：装有水的水槽、矿泉水瓶盖、吸管、纸片、蜡烛、打火机、漏斗、乒乓球等）
师：在探究设计实验过程中，首先有一个关键的地方，你觉得这是什么呢？
生：我们要验证“流体的流速越大、压强越小”的猜想是否正确，所以关键是要让气体或者液体流动起来.
师： 很好，相信很多同学都注意到了这个问题.那么怎样使气体或者液体流动起来呢？现在，按照你们刚刚制定的实验步骤进行实验，使气体或液体流动起来.
（学生小组实验，老师巡回指导）
……
师：请第一小组的代表上来展示他们所设计的实验.
生： 我们小组是用吸管和点燃的蜡烛，用吸管对准两根蜡烛的火焰的中间吹气，令人惊奇的是两个火焰靠拢在一起.分析其原因是：吹气时，两根蜡烛的火焰中间的空气流动加快，压强变小，火焰外侧的大气压保持不变，火焰内外侧存在压强差，把火焰压向两个火焰中间.此实验说明：流速大的地方压强越小.（同时另一学生在旁边演示）
……
通过上述的情境可以看出，学生要设计实验验证“流体的流速越大、压强越小”的猜想，需要厘清以下几个问题：
（1）实验的流体是什么？
（2）吹气改变了哪部分流体的流速？怎么变？
（3）观察到什么现象，判断出压强发生了什么变化？
（4）分析现象得到什么结论.
通过演绎法，笔者抓住“流速”这个关键词设置问题， ，引导学生带着“怎样使它流动”的疑问去自主设计实验方案与展示方案，又进一步让学生在探究活动中尝试运用“观察法、分析法”等科学方法，从而在学生的头脑中形成更稳定的认知结构，把独立思考和分析问题的科学方法潜移默化的渗透到学生的思维和学习中，使学生的思维得到了训练与发展，为显化科学方法教学奠定了丰厚的基础.
2.4“转换法”破难点，提升思维
本节课的一个难点是学生难以理解飞机的機翼模型上凸下平会导致机翼的上方流速大，下方的流速小.纯理论的分析学生理解难度大，很多课例采取的是动画讲解，一定程度上帮助了学生理解，但是学生接受起来依然有些吃力.科学家丁肇中说过，“实验可以推翻理论，理论不能推翻实验”.笔者通过转换法的实验思想，改进实验器材，变抽象为直观，帮助学生理解.
[教学片断4]
教师用“飞机的升力演示仪器”演示飞机起飞.
师：老师提供两个仪器：风速表和压强计，它们可以分别测量风速的快慢和压强，测量的结果将显示在液晶显示屏上.接下来，把这风速表和压强计交给第一小组的同学，让他们分别测出机翼上、下方的流速和压强.
……
通过“转化法”化抽象为直观，对比、分析机翼上、下方的气体压强与流速，学生很好地接受了机翼模型对于流速的影响，此时再引导学生抽象出机翼模型进行分析，更有利于学生理解现象的本质，提升学生的思维能力.
3教学的反思
方法是通向能力的桥梁，能力既依赖于知识，更依赖于方法;在某种意义上，方法本身就是能力的一部分[1].反思整个过程，笔者认为，教学逻辑程序、物理知识的建构，难点的突破都可以找到对应的科学方法.“神奇的升力”以“类比法—演绎法——转换法”方法为知识的内核与脉络组织教材，安排教学的过程，让知识的建构水到渠成.
4实验教学中显化科学方法注意的问题
4.1教师要学会分析与挖掘实验教学中的科学方法
张宪魁教授在《物理科学方法教育》和邢红军教授在《初中物理科学方法教育》的著作中都提到，目前很多教材都没有显性地提示科学方法.因此，通过分析和挖掘教材中的科学方法，才有可能给学生“显性”总结和传授科学方法.而实验教学中的科学方法是按科学实验的程序伴随学生的认知过程呈现，比较切合科学研究的实际，因此我们可以沿实验探究过程理出“方法线”和“知识线”，根据科学方法逻辑设计和开展教学活动.
4.2实验教学中的科学方法显化应当遵循适度原则
科学方法教育是以知识教学为载体的渗透教育，并不是“重方法，轻知识”， 更不是要求把教材中所涉及的所有方法均显化处理.因此，进行科学方法的显性教育，一方面要注意寓方法教育于知识教育中，把方法视为知识的内核与脉络来安排教学活动;另一方面，教师需要根据实验的特点，抓住对学生思维发展有益的“方法”，以此为主其他方法为辅进行方法教育.
英国教育家爱德华德波诺认为“教育就是教人思维”.初中的物理教學不仅仅是通过实验掌握知识，更重要的是使学生掌握科学的思维方式.针对学生思维特点，在物理实验教学活动中通过显化科学方法，促进了学生的知识学习，培养了学生的核心素养.
参考文献：
[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社.2015.
[2]华东地区初中物理教材编写组.物理（八年级下册）[M].广东：广东教育出版社，2015.
[3]邢红军.初中物理科学方法教育[M].北京：中国科学技术出版社.2015.
[4]陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M]. 北京：北京师范大学出版社，2007.