物理教学过程中促进学生思维发展的路径与方法*——以第十届全国大学生与研究生物理教学技能展示课为例

张 雪 张 静

(长江大学物理与光电工程学院物理教育研究所 湖北 荆州 434023)

1 引言

2017年《普通高中物理课程标准》将“三维课程目标”升华为“物理学科核心素养”，强调学生经过物理学习后关键能力和必备品格的形成.科学思维作为物理核心素养的关键内容，是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质.

2018年7月，第十届全国大学生与研究生物理教学技能展示活动吸引了北师大、华东师大、东北师大、华中师大等高校的628名学生踊跃参加.该活动汇聚了全国113所师范高校师生的心血，选手从说课和讲课两方面展现教学理念和教学设计.每年主办方将会在每组选手中选拔1位最有特色的选手进行最终展示，以让更多的师生受益.作为物理学科核心素养提出后的首届活动，从一定程度上反映了肩负着教师特色人才培养和教育研究重任的师范院校在核心素养实践方面所开展的尝试.笔者以此15套基于核心素养进行设计的教学作品为样本，分析并总结促进学生思维发展的路径与方法.

2 促进学生思维发展的基本路径

在物理教学过程中思维的发展路径大体经历从感性上升为理性的过程(图1).学生发展的内在动力是他们与生俱来的好奇心与求知欲，在引入阶段为学生提供丰富有趣的感性材料，引导学生基于现象本质进行分析、抽象、概括，建立物理模型，帮助学生根据实验现象进行分析归纳，或运用已学知识完成演绎推理，在此基础上，指导学生合理应用和拓展知识，例如开展小组合作自制简易的生活器材等活动，在知识应用和科学实践中活跃批判性思维和创新思维，逐步实现思维的发展.

图1 思维发展的路径与方法

3 促进学生思维发展的具体方法

3.1 提供感性材料为深层认知加工奠定基础

物理学的特点在于“物”和“理”.“物”在于“事实依据”，必须以实验为基础，“理”在于理性思维，以思维为中心[1].基于物理实验提供感性材料，创设问题情境，赋予学生表象认知，不仅可以激发学生的好奇心，也助于学生从情境中提出问题，并就此展开思维.

新课引入作为课堂教学的起始环节，是开拓学生思维的关键所在.根据对展示教学案例的统计分析， 86.7%(共13人)的展示者在引入环节通过亲身实验来设置悬念.例如，“通电导线在磁场中的受力”的展示者利用“听话的秋千”(图2)设疑激趣，“秋千”由铜棒、导线、支架、开关以及卡通纸片组成，在不接触它的情况下，用一个神奇的“物块”(磁铁)可以随心所欲使秋千向前或向后摆动；“平面镜成像”的展示者通过魔术(图3)创设情境：黑色的魔术箱内只有一把白色靠椅，关上魔术箱侧门并再次打开，在靠椅上变出了玩具娃娃；“全反射”的展示者演示“水流导光”现象，如图4所示，在实验中，光并非沿直线传播，反而随波逐流.13.3%(共2人)的展示者播放了精心挑选的视频资料抓住学生眼球.例如“超重与失重”的展示者播放太空课堂视频，展现宇航员的“空中飞行”和“大力神功”技能；“重力势能”的展示者播放雪崩视频，突显雪崩的超强破坏力，给学生强烈的视觉冲击.

图2 听话的秋千

各位展示者在新课引入中提供了各式各样的感性材料以创设真实物理情境，或神奇的现象，或有趣的魔术，或震撼的视频等.这些感性材料给学生深刻的感性认识，成为认知形成的重要依据和思维的起点.但观察“所见”无法直达客观的概念与规律，需要引导学生对物理现象或过程进行深层认知加工，对学习材料进行深入思考、辨别和建立内在联系.

图3 魔术娃娃

图4 水流导光

3.2 聚焦思维发展 走向深度教学

科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素，这些既是在探索自然和建构理论体系过程中运用的典型思维方式，也是学生学习和运用物理知识和方法过程中必备的科学思维能力[2].深度教学是以发展学生的高阶思维为目标，要求引导学生能自觉整合知识，将新知融入原有的认知结构之中，建构众多思想之间的有效联系，让学生深度参与教学过程，引起学生深入思考，并能够灵活迁移解决实际问题[3].不难看出，只有在物理教学中充分聚焦学生科学思维发展，才能真正走向深度教学.

3.2.1 注重模型建构，深入物理本质

物理建模是一种重要的科学思维，也逐渐成为基础物理教育研究的热点.模型建构即从复杂的现象中，抽取出能描绘该现象的元素或参数，并找出它们之间的正确关系，建构足以描述、解释该现象的模型的过程[4].基于功能视角可以将模型分为8类：尺度模型、类比模型、图像和符号模型、数学模型、不表示数学关系的图表和表格、理论模型、概念-过程模型、系统模型[5].在本届展示中，有40%(共6人)的展示者明确表示通过建构模型来深化学生对相关概念和规律的理解.图像和符号模型、概念-过程模型、数学模型是教学展示中建构的主要模型.

例如“变压器”的展示者首先让学生初步认识生活中的变压器， 之后引导学生观察实验室中简易变压器的结构，待了解变压器的主要元素及基本构造后，带领学生认识变压器的示意图和在电路中的符号，如图5所示，从而保证学生正确地建构“变压器”的图像和模型.“静电屏蔽”的参展选手基于“强电压下金属笼中的人安然无恙”的现象分析电场中导体的特点，引导学生将复杂的问题抽象概括为物理模型，提炼出处在外电场E0中导体内部电荷分布情况，如图6所示，让学生正确理解电荷排布的动态过程以建构静电屏蔽的概念-过程模型.“法拉第电磁感应定律”的展示者让学生自主探究，利用自制教具(图7)完善数据表格(表1)，接下来与学生共同对数据表格(图8)进行分析，并让学生画出感应电动势与磁通量变化率之间的关系图像，综合表格、函数图等数学模型得出法拉第电磁感应定律.

图5 变压器及模型

图6 电荷分布

图7 验证法拉第电磁感应定律的教具以及原理图

图8 感应电动势与磁通量变化率的函数图

表1 线圈匝数为400匝时磁通量变化率对应的感应电动势

3.2.2 落实科学推理，发展深度思维

科学推理是科学思维的高级形式，更是学生在物理解题中必备的关键能力.据统计分析，86.7%(共13人)的展示者将发展学生科学推理能力作为本堂课的教学目标，在教学活动中通常采用实验归纳和理论归纳两种形式落实科学推理.

实验归纳主要通过实验观察物理现象，归纳、总结出物理规律.学生参与到实验活动中，在教师引导下去感知实验，发现规律，展开基于实验现象或数据得出实验结果的归纳推理.例如“平面镜成像”的展示者自制了平面镜成像探究仪，如图9所示.

图9 平面镜成像演示仪

图中物是红灯，绿灯用来代替红灯的像，当红灯的像和绿灯重合时，就会出现黄灯，以此来探究平面镜成像特点.学生做出适当的猜想后，分小组合作，自主探究像与物的大小关系、像与物的位置关系以及平面镜所成像的虚实情况，观察分析实验现象，师生互动得出实验数据，归纳总结出“等大”“等距”“垂直”和“虚像”的实验结论.

展示课中另一推理过程属于理论归纳，先基于已有认识进行理论分析，推导出新的物理规律后再开始实验验证，促进学生深度思维的发展.例如参展“自感和互感”的选手通过演示“隔空点亮小灯泡”引发学生思考，接着引导学生回顾法拉第电磁感应定律，并让学生自主讨论引起磁通量变化的原因，推导得出电流的变化也会引起感应电动势的产生.再利用自制教具(图10)进行实验验证：一个线圈中的电流变化会产生变化的磁场，从而引起磁通量的变化，并在另一个不与之相连的线圈产生感应电动势，使灯泡发亮、蜂鸣器发声，指导学生归纳出互感现象.

图10 自感与互感演示教具

3.2.3 激励质疑论辩，培养创新能力

创新能力就是人们运用已经掌握的知识、经验产生出某种新颖、独特的问题解决方案，从而有效解决实际问题的能力[6].20%(共3人)的展示者预留课外实验，让学生分小组合作，亲历制作过程，激励他们在真实情境中发散思维，对不同观点和方案提出质疑猜想，进行科学论辩，提出有创造力的见解与想法，从而培养他们的创新能力.如在学习完“通电导线在磁场中的受力”后，督促学生利用电池、磁铁和线圈等器材设计方案并完成简易电动机的制作；在讲解超重和失重的本质特征后，指导学生查阅资料，制作超重失重演示仪装置，学生在仪器制作过程中可充分发散思维，寻找解决思路；再如认识自感互感现象后，鼓励学生利用线圈和手机等器材自制无线充电器，认识到物理的发展促进了科技的进步，从而能增强学生的创新意识和创新能力.

4 总结与启示

各位展示者为中学物理教育奉献了一场精彩绝伦的教学盛宴，尽显教坛活力和创新亮点.科学思维发展的一般路径需经历从感性到理性的过程，教学中可通过提供充足的感性材料，让学生敢于质疑、勤于思考，在此基础上，引导他们运用分析、综合、抽象和概括等逻辑思维方法，对感性材料进行思维加工，进而总结归纳出事物的本质特征，使学生在形成概念，掌握规律的同时，让学生能够有机会利用直觉、灵感、想象等非逻辑思维方法，从而充分促进学生科学思维能力的发展.

通过对本届教学技能展示活动分析，依然能反映一些问题.核心素养的教学理念尚未大面积普及；建模教学虽然已经引起了物理教育学界的关注，但精髓却并未为大家熟知.建模教学注重让学生经历建模过程，逐步深入科学本质，但从展示课来看，更多的是重视建构模型本身，很少关注建模过程；在科学推理的过程中，由于时间限制，新概念和新规律的讲解多数由教师完成推理，给学生思考和科学论辩的时间十分有限，且发展创新能力尚待重视.