通过合理设问培养学生科学思维
蒋汶洋
摘? ?要：科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，作为物理学科核心素养重要的组成部分，对学生科学思维的培养应当体现在教育教学的实践过程当中。教师可以通过科学、合理、有效地设问，为学生还原科学思维过程。文章以《电场强度》教学片段为例，介绍在教学过程中如何通过合理设问，引导、培养学生的模型建构能力、科学推理能力、科学论证能力以及质疑创新能力。
关键词：科学思维;合理设问;核心素养;教育实践
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）11-0066-4
1? ? 合理设问在培养学生科学思维中的作用
我国2017年颁布的普通高中课程方案及各学科课程标准将发展学生核心素养作为此次修订工作的重要理念，其包含的学科核心素养需要每一位教育教学工作者深入思考并认真实践。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任，这四个方面的内容对于培养全面发展和具有终身学习能力的学生来说都发挥着不可替代的作用。其中，科学思维是一种内隐的思维模式，其思考对象是关于所有与科学领域相关的主题、内容或问题，思考者通过熟练地运用其自身思维的内部结构和知识本体，以达到提高自身思维品质的目的。作为物理学科核心素养的重要组成部分，对学生科学思维的培养应当体现在教育教学的实践过程当中。
科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。因此，对学生科学思维的培养就应当落实在对学生的模型建构能力、科学推理能力、科学论证能力、质疑创新能力的培养和提高上。通过高中物理课程的学习，学生应该具有模型建构的意识和能力;能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论;具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测;具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新。
培养学生的科学思维是一项科学教育当中的教育实践活动，其本质离不开教师与学生在一定教学设计前提下的以学生为主体、教师为主导的交流与互动。然而，许多中学生由于阅历相对较浅，缺少解决问题的经验，缺乏运用科学思维解决问题、掌握知识的动机等，他们尚且不能自发调动自己各方面的科学思维能力，更不必说在已有素养的基础上进一步提高其科学思维。此时，作为课堂主导者的教师就应该积极发挥自己的辅助角色，为学生创设合适的问题情境，帮助学生明确当前要解决的目标和任务，并在学生感到困惑时及时给予点拨和鼓励，做好学生的“助产士”，使学生学会运用科学思维提出问题、解决问题、积累经验、掌握知识，同时使其科学思维能力循序渐进地得到提高。
在高中物理课堂中，对于某些物理概念的学习，教师若采用单刀直入的方式直接提出，虽然可以在最短时间内为学生呈现相关概念，提高了教学效率。但如此“填鸭式”的教学并不利于学生科学思维的养成，不能充分施展教学的有效性，与新课标的教育理念不符。笔者认为，设问作为教学过程中的一个重要环节，可以起到创设问题情境、明确目标和任务、启发鼓励思考等作用。因此，教师可以通过科学、合理、有效地設问，为学生还原科学思维过程。本文以《电场强度》的教学片段为例，尝试通过合理设问的方法培养学生的科学思维能力。
2? ? 《电场强度》教学案例
2.1? ? 通过合理设问促进学生模型建构思维养成
片段1 “试探电荷”概念的提出
在《电场强度》一节中，有一个看似不起眼，但却十分重要的概念——试探电荷。这一概念的教学可以这样设计：
老师先用起电机为一个金属球带上电，拿起金属球，说：“通过起电机，金属球带上了电，它的周围就形成了电场，金属球上的电荷是电场的来源，所以我们将金属球所带电荷称为场源电荷。电场看不见也摸不着，那如何来研究它呢？”
学生思考片刻。
师：“就好比前方有一片黑暗的森林，我们不知道里边的情况，此时可以派一头野猪进去试探一下，如果它出来的时候口吐白沫，说明森林对其身体起了某些不良作用。同样，要研究看不见的电场，也得派一个东西进去试探一下，派什么呢？”
生：“派电荷。”
师：“为什么派的是电荷呢？”
生：“因为电场对电荷有作用。”
师：“很好，那我们给这个电荷取个名字吧，就叫试探电荷。”
模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程。建构模型有助于帮助学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维。本教学片段中，教师在带电金属小球试探电场情况的基础上，巧妙地构建出一个野猪被派进黑暗森林试探情况的故事模型，引发学生思考，帮助学生提出和理解“试探电荷”这一概念。
2.2? ? 通过合理设问促进学生科学推理思维养成
科学教育研究和实践中所提出的科学推理，不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式，还包括控制变量、组合推理、概率推理、相关推理、因果推理等推理形式。
片段2 定性推理——对“试探电荷”的要求
紧接着，老师拿起金属球，边比划边说：“为了能够确切地研究电场中某个点的情况，对试探电荷有没有什么要求？”（重读“某个点”）
生：“试探电荷体积不能太大了。”
师：“对，太大了就无法准确到某个点的研究。还有吗？”
学生思考。
师：“通过学习前面的知识，我们知道电荷之间存在相互作用，要研究场源电荷形成的电场，试探电荷就不能影响场源电荷的分布，所以，还应该对试探电荷有何要求？”
生：“试探电荷的电量不能太大了。”
在该教学片段中，教师通过合理、有效的问题，结合对先前学科知识的回顾，以及适当的课堂提示，引导学生通过已有经验抽象、概括出对于“试探电荷”的要求。在师生启发式的一问一答过程中，学生尝试着进行定性的科学推理，获取研究问题的基本思路和方法。
片段3 定量推理——用比值法定义电场强度
人教版教材上对于为什么用比值法定义电场强度有一定的描述，教师应该充分利用教材，结合学生情况，设计具体教学过程：
在学生学案上有一张简单的表格，让学生完成（见表1）。
在O位置放置一正的点电荷Q=+2×10-8 C，在其产生的电场中的A位置和B位置分别放入不同电量的试探电荷q，OA=0.3 m，OB=0.6 m，计算试探电荷所受静电力的大小（单位：N），填入表1。（k=9.0×109 N·m2/C2）
等学生完成表格后，展示学生的数据。
问：“有的同学在完成这个表格时，速度特别快，有什么快速计算的方法吗？”
生：“当试探电荷電量成倍数关系时，由库仑定律可知它所受的力也成倍数关系。”
师：“很好，那请大家对比表格中的数据，采用控制变量的方法分析数据，能得出哪些结论？”
生：“当把同一个电荷放在不同位置时，试探电荷所受到的力是不同的。”
师：“那说明什么？”
生：“说明在电场中不同位置的电场强弱不同。”
师：“如果在同一个位置放入不同的试探电荷，又能得到什么结论呢？”
生：“说明试探电荷电量不同，在同一位置所受的力不同，并且力的大小与试探电荷的电量成正比。”
上述教学过程中，教师没有直接指出用比值法定义电场强度，而是先通过一个表格为学生提供问题情境。在学生计算的过程中，对于数据有更深刻的体会之后，让学生从数据入手，定量地对表格进行相关问题的科学推理，通过问题让学生找出规律，形成结论。再用结论去重新分析、评估表格中的数据，对之前的问题进行解释。在该过程中，运用了非常重要的科学推理方法——控制变量法，让学生理解用比值法定义物理量的意义，提升学生的科学思维能力。
2.3? ? 通过合理设问促进学生科学论证思维养成
片段4 讨论比值法来定义电场强度的科学性
师：“那可不可以用试探电荷所受到的力来表示某点的电场的强弱呢？”
学生思考。
师：“我们研究的对象是场源电荷产生的电场，那么该电场的分布、强弱应该是由场源电荷自身决定的，会不会随着引入的试探电荷的变化而变化呢？”
生：“不会，所以不应该用力来表示电场强弱。”
师：“那在计算的过程中，同学们认为可以用什么量来表示某点电场的强度呢？”
生：“用力与试探电荷电量的比值，因为比值是不变的。”
师：“很好，在某一个确定的点，力与电量的比值是不变的，所以我们可以用它来定义某点的电场强度。那A点和B点比值是不一样的，说明什么？”
生：“说明A、B两点电场强度是不一样的。”
师：“所以将相同的试探电荷放入不同的点所受到的力是不相同的，与前面的结论相符，也说明了用比值法来定义电场强度的科学性。”
科学论证是以科学知识为中介，积极面对问题，对所获得的数据资料进行解释说明，提出自己的论点，反思自己和别人论点的不足并提出反论点，同时能反驳他人的质疑和批判的高阶思维能力。在这一教学片段中，由于学生的个人知识储备和经验不足，所以由教师帮助学生提出问题、指明论点——“用试探电荷所受到的力来表示某点的电场的强弱”。在学生联系先前知识和经验来判断论点、回答问题的过程之中，实际上就已经在教师指导下进行科学论证的初步操练了。
2.4? ? 通过合理设问促进学生质疑创新思维养成
片段5 设计实验检验电场强度的矢量性
在《电场强度》这一课中，关于场强的矢量性，一直以来都是由教师直接告诉学生电场强度是矢量，满足平行四边形定则。其实，教师可以在课堂上通过设问的方法，引导学生大胆质疑，创新思考。
师：“电场强度是矢量还是标量呢？”
生：“是矢量，因为试探电荷在不同位置受力方向不同。”
师：“矢量还应该遵循平行四边形定则，电场强度是否是矢量，还需要用科学方法进行验证，应该怎么去验证呢？”
学生思考。
师：“现代技术有一些方法可以测出某点场强的大小，比如传感器可以测出磁场的场强大小。如果有一个传感器可以测出电场强度的大小，那么我们可以怎样设计实验去验证它的矢量性呢？留给同学们思考。”
质疑创新的核心是科学创造力。科学创造力是在科学知识学习、科学问题解决和科学活动创造中，根据一定的目的，运用一切已知信息，在新颖、独特且有价值地（或恰当地）产生某种产品的过程中表现出来的智能品质或能力。上述教学片段中，教师引导学生关注到电场强度的矢量性，但并不直接告诉学生如何检验电场强度的矢量性，而是通过介绍传感器这一工具，帮助学生思考。设计这一过程可以让学生根据已有的知识经验引发思考，质疑创新。
3? ? 小? ?结
在教学过程中，将知识直接灌输给学生，虽然节省时间和精力，但这样的教学过程对于学生科学思维的培养是不利的。学生科学思维的训练和培养不仅仅在某一章节的学习中，而更在于长期的教学中培养学生的问题意识，建立学习内容前后的关联意识和在物理概念、规律学习过程中对教材中隐性知识和思维的挖掘，然后将其形成一系列问题引导学生探索事物的本质，培养学生科学思维的意识和能力。
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（栏目编辑? ? 张正严）
