教学生“像科学家一样思考”*——以“追寻守恒量”教学为例

汪 明

2020 年1 月，教育部着眼于国家对人才的战略需要，为培养拔尖创新人才而实施“强基计划”。国际上，美国已经把其21 世纪学习框架中人才培养的18 个要素聚焦为“4C 核心素养”，再聚焦“核心素养的心脏”谓为“反思”（the heart of key competencies）。反思的本质就是对思维不断批判、不断重新认知的过程，因此，课堂教学应该提供给学生真实的问题场景，让学生在与情境的持续互动过程中开展观察、实践、评价与反思，从而发展学生分析、评估和创造等高阶思维能力，努力让学生学会“像科学家一样思考”。

一、教学模型

物理学的研究范式离不开思维与实践。课堂上理应重视批判性思维的运用，践行深度学习理论，教会学生像科学家一样思考。具体到物理学科教学，教师需要对学生进行批判性思维训练，培育学生的理性精神和实践能力，引导学生尊重事实和证据，有实证精神，有科学态度，逻辑清晰，求真务实，会应用科学的思维方式认识事物和解决问题，并能规范自己的行为。其研究范式一般可总结为：提出命题→理论解释→理论预言→实验验证→反思评价→完善理论→再次提出命题……可以看出，物理学的理论构建最终都要以观测或实验事实为准则，当一个理论与实验事实不符时，它就面临着被修改或者被推翻，进而提出新的命题，进入下一个循环周期。

在此基础上建构出“像科学家一样思考”的课堂教学模型，是基于批判性思维的深度学习模型，其教学模型如图1所示：

图1 展示了本研究所构建的“基于批判性思维的深度学习模型”。左侧框图呈现了深度学习的一般过程，右侧框图呈现的是相关的批判性思维能力诸要素，两框之间的箭头体现了批判性思维对深度学习活动的整合功能。

在学习伊始阶段，通过“识别问题”和“明确目标”，学习者将知识与其产生的问题背景相联系，明晰知识产生的目标价值取向。通过深度剖析知识产生的来龙去脉，有效避免了知识的孤立学习，为知识的抽象提炼提供更为丰富、深刻的经验背景。

在“回忆已知”（即激活原有知识）和“选择性知觉”（即联系新知）阶段，学生通过批判性思维，感知、搜集与整理与当前所学内容相关的有用信息，在“信息整合与知识建构”阶段，学习者通过评估、整合信息，在新旧知识间寻找相关联因素，做出相关假设，形成合理判断，即建立有关概念、原理、策略的理性认识。

“问题解决”与“迁移运用”最能体现深度学习的基本特征。这两类活动促使学生突破知识的简单记忆，达成知识的深刻理解与灵活运用。迁移运用和问题解决均要求学生在新的问题情境中运用所学知识界定问题、分析问题、提出假设、行动反思，在这一阶段，学生有可能并不是一次性地完成概念建构，而是需要经过反复实践检验后多次建构，这一过程恰恰蕴含着批判性思维能力的形成。正是经历这样的理解、应用和反思，学生才得以从多角度、深层次理解知识，实现知识的多维建构。

鉴于批判性思维在深度学习能力结构中的特殊地位，笔者以人教版高中物理必修2 中“追寻守恒量”这节教学内容为例，将该模型与具体学科教学相结合，以实验研究验证其学习效果，意图通过思维课堂与深度学习相整合，提升学生的知识建构、迁移与运用的水平，建构学生的运用批判性思维和高阶思维的能力与品质。

二、教学实施

“追寻守恒量”这一章节，是物理新课程改革的新增内容，文字内容虽少，但地位极其重要。这节课的教学需要教师根据学情和自身研究特长进行有目的的扩展，具体说来有三方面：一是从生活现象中感悟守恒的思想种子，知道自然界中存在着多种守恒，守恒是自然界的重要规律，体会寻找守恒量是科学研究重要的思路，也是解决问题的途径；二是从物理学角度挖掘相关物理量守恒的实验，运用实验观察分析与数学推理分析，让学生经历类似于科学家的研究过程，从实际情景中抽象概括出某种关键因素，运用已有的知识和方法，迸发灵感，升华出新概念或新观念；三是从物理学史角度介绍能量守恒的发现历程，了解人类追寻“能量”这一守恒量的探究过程，体验守恒思想的重要意义，增强学生的科学意识，提升科学探究能力并促进其科学思维的形成。

1.生活情境，体验科学建模。

先引导学生精读文本，接着笔者设计一个小实验，故意让玩具“魔方”掉落在地上，散落在讲台前各处，然后让学生寻找遗失的部分，结果发现缺少了一块。提问：

师：在确保刚刚魔方是完整的情况下，如果给你足够的时间，我们能不能找到？

生：能。

师：是什么坚定你可以找到的信念？

生：魔方块是不可能无辜消失的，其总量是保持不变的。

调动出学生的兴趣之后，接着笔者又给学生讲了一个小故事，增加生活中案例的复杂性，联系数学公式进行逻辑推理同时抽象出守恒的概念，让学生体味生活中的守恒思想。

【小故事】淘气的丹尼斯（Dennis）

有一个孩子叫丹尼斯（Dennis）孩子，他有一堆积木，这些积木是绝对不会损坏的，也不能分成更小的东西。每一块都和其余的相同。让我们假定他共有28 块积木。每天早上他的母亲把他连同28 块积木一起留在一个房间里。到了晚上，母亲出于好奇心很仔细地点了积木的数目，于是发现了一条关于现象的规律——无论丹尼斯怎样玩积木，积木数日仍旧是28块！这种情况继续了好几天。

直到有一次，她清点时发现只有25 块积木。然而，在房间里有一个玩具箱，母亲走过去打开这个箱子，但是孩子大声叫喊道：“不，别打开我的箱子。”这时母亲十分好奇，也比较机灵，她想出了一种办法，她知道—块积木重3 英两，有一次当她看到积木有28 块时曾经称过箱子的重量为16 英两，这一次她想核对一下，就重新称一下箱子的重量，然后减去16 英两，再除以3，于是就发现了以下的式子：

接着，又好像出现了某种新的偏差，但是仔细的研究又指出，浴缸里的脏水的高度发生了变化，孩子正在把积木扔到水里去，只是她看不见这些积木，因为水很混浊。不过，在她的公式里再添上一项，她就可以查明在水中有几块积木。由于水的高度原来是6 英寸，每一块积木会使水升高1/4英寸，因而这个新的公式将是：

师：支撑母亲积木数目28 块不变的信念是什么？

生：物质不灭，积木数目总量守恒。

2.实验探究，领悟科学方法。

物理离不开实验，实践是检验真理的唯一标准。为了使学生对守恒思想有所感悟，教学中设计了各类不同实验，采用类似于科学家的研究范式，运用“实验—归纳”思维，让学生对科学研究过程有所体验，从实际情景中抽象出能量、动能、势能等概念，提升学生的认知能力。

【实验1】“小球碰鼻子”：一位“勇敢”的学生将铁球拉到鼻子位置从静止释放，观察小球的运动情况以及在球再次摆回来时学生的反应。

【实验2】“弹簧振子”：弹簧振子是一个不考虑摩擦阻力，不考虑弹簧的质量，不考虑振子的大小和形状的理想化的物理模型。教学时可用气垫式弹簧振子，把振子拉出平衡位置后，观察其在振动时位置坐标变化的特征。

【实验3】麦克斯韦滚摆：当捻动滚摆的轴，使滚摆上升到顶点时，贮存势能，然后松开滚摆，开始旋转下降，观察实验现象。会发现滚摆下降时速度变大，到最低点后，它又开始缠绕悬线使滚摆上升。如果没有任何阻力，滚摆每次上升的高度都相同，上下滚动中最大高度几乎不变，好像它“记得”原来上升的位置。

【实验4】弹性碰撞球：拉起一个小球，让其碰撞其他静止的小球，结果原先被拉起的小球会突然静止，而原先静止的最后一个小球会接过第一个球的速度，运动到第一个小球被拉起的高度，而且好像“记得”原来的高度。然后落下，如此来回往复。实验中还可以拉起两个小球、三个小球……让学生观察现象，同时老师不断强化“小球‘记得’原来的位置”这一认识。

【实验5】伽利略理想斜面实验：让小球从左边某一高度静止滑下（如图2所示），最终它能滚到右边相同的高度，而且还能回到初始位置；若将右边的斜面变得平缓些，会发现小球运动的路程更长了，但还是“记得”原来的高度……

师：如果将右边的斜面变成水平，那么小球的运动又将如何呢？

生：小球将一直运动下去。

师：为什么会出现这种情况，你的理由呢？

生：因为小球“记得”原来的高度，但又达不到原来的高度，所以要一直“追寻”下去。（运动过程中能量守恒）

总结：以上实验有一个共同的特点，就是“记得”某种东西，经过长期的研究，科学家把记得的这个东西叫作“能量”。展示教学PPT，说明：①“能量”是一个高度抽象和概括的概念。②“能量”是牛顿留给我们的少数没有研究的力学概念之一。

进一步分析“伽利略理想斜面实验”，被抬高的小球释放后能够向下运动，我们说小球有能量。教师阐述“势能”的定义，并强调小球的这种能量叫作“重力势能”，列举生活中其他情况下的重力势能，如生活中的打夯、雪崩，水力发电站高处的水等。

师：小球向下运动的过程中，重力势能逐渐减小，能不能说小球的能量消失了呢？

生：不能。

师：为什么？

生：小球的重力势能转变成了小球的动能。（能的转化与守恒）

总结：教师阐述“动能”的定义，列举生活中其他现象中的动能，如飞奔的运动员、踢出去的足球等。

3.逻辑论证，体现科学思维。

逻辑论证过程重视的是演绎推理，即从一般性的前提出发，通过周密推导即“演绎”，得出具体结论的过程。演绎推理的逻辑形式对于理性的重要意义在于，它对学生葆有科学思维的严密性、一贯性有着不可替代的校正作用。教学再次突出物理建模思想（如图3 示），对“伽利略理想斜面实验”进行逻辑论证。

师：小球从A-B，B-C 阶段如何运动？这两段运动过程又有何联系？

生：A-B 小球做匀加速；B-C 小球做匀减速，且B点处的速度承上启下。

师：可否证明小球到达另一斜面的最大高度h0=h1？

生：运用牛顿第二定律与匀变速直线运动规律进行推导证明（略），结论：h0=h1。

师：如果β 角发生变化能证明上升的高度依旧等于h0吗？

生：可以，证明方法同前一致。

总结：小球仿佛有灵气，能“记住”初始高度。小球每次都能到达另一斜面的相同高度处，那“记住”究竟蕴含了什么物理原理呢？

教师引导学生进行深度思考，“记住”这一说法只是关注小球在整个运动过程中的初、末两个状态，事物变化的规律应该是由过程决定结果。由此猜想：小球在运动中的各个位置是否存在“守恒量”？

生：猜想1，h 和v 之和守恒。猜想2，h 和v以一定的形式守恒。

师：请同学们思考第一个猜想，这里有量纲上的差别，即需要体会数学量和物理学量的区别。思考第二个猜想，你能不能给出一个定量的表达式呢？

学生继续探究。

教师此时要视学生的研究进展情况，适时给出指导或设置引导性问题。提醒学生运用所学知识处理如下问题：“如果一个小球由静止开始沿光滑斜面运动，怎样建构出小球在不同位置的高度与速度相关联的表达式呢？”如果学生学情不够理想，还可以进一步搭建学习台阶，降低学习坡度，可设置三个台阶。

提示1：对于整个运动过程，可以选取小球下降阶段作为研究对象，建立物理模型。

提示2：这个物理量虽是我们未知的，但不要随意猜想，可以从学过的“力与运动”的知识体系中出发进行探寻。

提示3：在我们所学的知识当中，有没有处理“一个小球由静止开始沿光滑斜面运动，将不同位置的高度与速度联系起来的表达式？”

生：v2－0＝2ax ①，x=（h0-h1）/sinα ②，a=g·sinα ③

由①②③得：v2+2gh1＝2gh0。

4.评价反思，感悟科学本质。

教学中既要让学生体会能量守恒在整个自然科学中的普遍性，也需要让学生认识到，任何一种科学探索都不是一蹴而就的，它需要漫长的时间积累。笔者设计两个案例供学生来探究学习。

一是从物理学史的角度，回顾能量守恒思想的发展历程，“能量转化和守恒定律”的提出必须建立在三个基础之上：①对热的本质的正确认识；②对物质运动的各种形式之间的转化的发现；③相应的科学思想。到了19 世纪，这三个条件都已经完全具备。因此，能量守恒定律的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然结果，向学生说明，它诞生的过程和今天课堂高度浓缩地探索的过程并不一致，其实它肇始于热机效率的探索，是联系于机械能和热能的定律。让学生查询资料学习“能量守恒定律”的发现简史。

1842年，迈尔发表了论文《论无机界的力》，提出机械能和热量的相互转换原理。

1843 年，焦耳在《哲学杂志》上发表了他测量热功当量的实验报告。

1847 年，亥姆霍兹出版了《论力的守恒》一书。全面论述了机械运动、热运动以及电磁运动的“力”互相转换和守恒的规律等等。

其他科学家也作出不同程度上的贡献，都曾独立地发表过有关能量守恒方面的论文，如法国的卡诺于1824 年，德国的莫尔于1837 年，法国铁道工程师塞甘于1839 年，瑞士化学家赫斯于1840 年，德国物理学家霍耳兹曼于1845年，等等。

二是向学生介绍学习能量守恒定律成功应用的最典型事例，那就是基本粒子“中微子”的发现旅程。20 世纪20 年代末30 年代初，对原子核β 衰变能谱的研究发现衰变后发射出的电子（即β 射线）带走的能量比它按能量守恒定律所应带走的能量要小（似乎丢失了部分能量），为了解释这种现象，挽救能量守恒定律，物理学家泡利提出了一个著名的猜想，认为是“中微子”这种不可探测的中性粒子“偷走”了部分能量。“两弹一星”元勋中国科学家王淦昌在他的论文《关于探测中微子的一个建议》中提出了“中微子捕获方案”。经过科学的探索，美国莱因斯在1956 年终于观测到“中微子”，再次说明“能量守恒定律”的普适性和重要性。

1930年，科学家泡利预言了中微子的存在。

1956 年，莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，美国莱因斯获1995年诺贝尔奖。

1962 年，美国莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格发现第二种中微子——缪中微子，获1988 年诺贝尔奖。

1968 年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获2002年诺贝尔奖。

1985 年，日本神岗实验和美国IMB 实验发现大气中微子反常现象。

1987 年，日本神岗实验和美国IMB 实验观测到超新星中微子。日本小柴昌俊获2002 年诺贝尔奖。

2015 年，诺贝尔物理学奖授予梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们在发现中微子振荡即是中微子有质量上所做出的贡献。

由上可知，学会“像科学家一样的思考”的课堂，不是让学生胡乱思维，是要遵循一定教学规律和结构范式的。教学是一个简约化的科学研究过程，教师先通过研究学情和文本，认真“识别问题”和“明确目标”，将学生的学习心理倾向与生产实践中问题背景相联系，明确课堂教学目标的价值取向。课堂不是学习的孤岛，教师应该精心设计学习案例，为学生能从纷繁复杂的生活世界提取和生成科学概念体系提供帮助。

在“回忆已知”“选择性知觉”和“信息整合与知识建构”阶段，先是激活学生的原有质量守恒的前概念，让学生运用批判性思维，通过大量实验，来感知和内化守恒思想，通过信息评估与认知推理，做出科学判断，抽象和概括出能量守恒的概念，形成科学观念。

“迁移运用”与“问题解决”是学生进入深度学习最重要的阶段，他要求学生能在新的问题情境中建构概念，识别规律，从而顺利实现问题解决。