培养高中物理科学思维素养的有效策略和途径 论文

安徽省基础教育教育教学论文

培养高中物理科学思维素养的有效策略和途径

摘要：从背景分析开始，依次论述几种培养科学思维素养的策略和途径，其中重点讲述了努力探索和实践思维型课堂教学模式，将传统习题课转变为学生讲题课，适当引入

费米问题，引导学生自主进行有意义学习。关键词：培养；科学思维；有效；途径

引言：调查分析发现，学生物理科学思维素养与课程目标有很大差距，教师的教学与评价与课标中实施建议也有很大差距。针对当前现状和存在的问题，文章从专家学者研

发测评量表，地方和学校开展新课程的学习和实施，努力探索和实践思维型课堂教学模式，将传统习题课转变为学生讲题课，适当引入费米问题，引导学生自主进行有意义学

习等途径有效培养科学思维素养依次展开论述。目的是供同行们参考，强化科学思维素养的培养和实践。

一、背景分析《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出发展学生的核心素养，物理学科的核

心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任，其中科学思维是核心。那么当前学生物理科学思维素养怎样呢？笔者对我县三所学校即将参加高考的高三所

有理科班学生进行了问卷调查，调查结果如下表1：表

1

科学思维素养课程目标达成度

关于科学思维的课程目标与课程目标差距

具有构建模型的意识和能力有明显差距。不少学生缺乏构建物理模型的意识，构建物理模型能力较弱。

能运用科学思维方法，从定性和定量差距不大。大部分学生能够正确运用两个方面对相关问题进行科学推理，找出科学思维方法，从定性和定量两个方面对

规律，形成结论。相关问题进行科学推理，找出规律，形成

结论，但完成思维水平4或5有困难。具有使用科学证据的意识和评估科学有较大差距。大部分学生没有经历用

证据的能力，能运用证据对研究的问题进物理语言来表述物理现象，概括物理规律行描述、解释和预测。

的学习过程。只是记公式套公式，

所以缺

乏使用科学证据意识和评估科学证据的能力，更谈不上预测。

具有批判性思维的意识，能基于证据有很大差距。受传统教学模式影响大大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科部分学生没有批判性和开放性思维意识，

技创新。不会质疑，更谈不上有创新意识。

笔者还对三十多位同行老师培养学生科学思维能力现状进行了问卷调查，主要调查老师对科学思维的理解和把握，培养学生科学思维的意识和现状，以及培养学生科学

思维过程中所遇到的困难等。调查结果表明：老师们对科学思维素养有所了解但不太熟悉，理解不够深刻；大部分老师认为培养科学思维能力很重要，但平时不太关注学生科

学思维素养的发展，偶尔有意识培养学生科学思维能力；老师评判学生科学思维水平的标准是考试成绩以及课堂表现等，没有可依据的测量工具。

经过上述调查分析发现，学生物理科学思维素养与课程目标有很大差距，教师的教1安徽省基础教育教育教学论文

学与评价与课标中实施建议也有很大差距。原因是多方面的，主要有：（1）新课程对学生核心素养水平评价缺少外显性的测量方法。（2）地方和学校在新课程实施方面重视

程度可能不够，缺乏系统规划和落实。（3）教师对新课程的学习重视程度不够，受传统教学模式的影响，大部分老师对新课程教学以及评价落实的意识和力度不够。（4）学生

在课业负担很重的情况下，忙于应付作业，很少深入思考和反思。二、培养高中物理科学思维素养的有效策略和途径

针对当前现状和存在的问题，笔者认为可以从以下几个方面着手：1.专家学者深入调研，针对核心素养水平划分，研发出一系列可测量的测评量表。

测评量表可以方便老师及时测评学生的思维水平状况，针对性、可操作性强，有助于老师因材施教及时跟进，对学生思维水平的提升有很大的促进作用。

2.地方和学校对开展新课程的学习和实施高度重视，组织老师深入学习新课程，特

别是课程标准的学习。必要时可以对学习过程进行测评，有助于老师深入理解和掌握新课程理念，有助于新课程在实践中的真正落实。

3.教师的教学实践是科学思维素养培养的关键。

在教师的教学实践中常态化培养学生科学思维能力，科学思维素养才能真正生根发芽，百花齐放。

1）努力探索和实践思维型课堂教学模式。（高中物理教学模式有多种，努力探索更有利于培养学生科学思维能力的教学模式是

我们的毕生追求和目标。林崇德、胡卫平两位教授提出的思维行课堂教学模式能很好的培养学生科学思维能

力。所谓的思维型课堂教学是指以学生的思维活动为核心的教学模式，强调以诱发认知冲突为特征的教学导入，以自主建构为特征的教学过程，以思维监控为特征的教学反思

和以应用迁移为特征的学以致用。思维型课堂教学提出教师和学生都是主体的平等师生关系。这种关系有利于教学相

长，有利于促进师生深层次课堂互动。课堂宗旨是激发学生积极主动思考，培养必备品格和关键能力。思维型课堂教学有利于学生积极主动参与到课堂活动中，从而实现行为

互动、情感互动和思维互动有机融合统一；有利于学生走上社会后，能善于思考和解决实际生活和工作中遇到的各种问题，具有终身发展理念；有利于培养学生的核心素养。

物理思维型课堂教学的基本环节有：教学导入、教学过程、教学总结和反思以及应用迁移。在教学导入环节，目标是激发思维动机，引出课题。以与课题相关的小实验、

小游戏、生产生活实际问题等为情境导入，创设认知冲突，激发学生学习兴趣和求知欲望。在教学过程环节，目标是以思维活动为核心进行自主建构。自主建构包括认知建构

和社会建构，教学过程就是学生认知建构过程，社会建构过程重视课堂互动，课堂互动包括师生、生生间行为互动、情感互动以及思维互动。为此，教学过程以创设问题情境

为基础，不断启发学生积极思考，加强课堂互动，与此同时，在学生习得知识过程中有效渗透方法教育。教学总结和反思环节，强调教师引导学生用思维导图法或问题串等

对所学知识规律和思路方法进行提炼和总结。重视老师的课后反思和学生的课后巩固和反思。应用迁移环节，会将习得的知识、方法迁移到新的问题情境中，目标是灵活熟练

应用，培养学生分析问题和解决问题的能力以及创造力。（2）引导学生讲题，培养科学思维素养

众所周知，习题课教学占了物理教学一半以上的时间，所以探讨习题课教法培养科学思维素养尤为重要。

将传统习题课转变为学生讲题课，引导学生讲题，既践行了新课程理念，又能很好2安徽省基础教育教育教学论文

的培养科学思维素养。问题的表征和解决需要严谨的思维过程，讲题内容不仅包括解题过程，还要说出思

路方法，将抽象的思维过程通过语言和图像展现出来，最后进行评价。具体各环节如下：①独立思考，自主探究

教师提前将试题布置给学生，学生课后经过独立思考，自主探究，努力完成每道题。学生解题过程中，一般要经历审题，弄清所考查的知识点建立问题与知识、方法间联系

从而将问题情境转化为物理模型，根据模型特点思考出求解思路。这一过程，学生需经历两个子过程：

子过程1：初审习题初审习题，全面但较浅显的了解习题内容，知道涉及哪些知识规律和思想方法。

子过程2：复审习题经过多次复审，抓住关键语句和有效信息进行建构模型、解法分析列出表达式。

②组内讲题，交流合作

学生物理学习能力和思维水平存在明显差异，为此，我们将学生按能力强弱相互搭配分成若干小组每小组四人。将学生反馈需要讲的试题分配到各小组，各小组开展组内

讲题活动。组内讲题，可以加强学生间思维碰撞，甚至激起思维的火花。有利于互相取长补短，

共享彼此间的思路方法，破解疑难点或思维障碍，同时也加强了交流合作的优良品质。在组内讲题分两个阶段进行：

第一阶段：发表各自见解，探讨解题思路各小组围绕问题讲解和讨论，分享各自的想法和思路，也可以将自己解决问题时走

过的弯路和遇到的困难说出来，在组内交流讨论，有利于纠正错误，破解思维障碍。第二阶段：归纳总结，完善思维过程图

讲题结束前组内归纳总结，确定好最优思路，其他思路为辅，通过组内分工，完善解题思路图表，形成最终思维流程图。画思维流程图，目的是让学生熟悉科学思维过程，

强化学生解题思路化意识，促进科学思维能力的提升③班内讲题，展示成果

在组内讲题任务完成之后，尽量人人参与原则下各小组推荐一位代表参与班内讲题，同时展示和介绍思维流程图。

④过程评价质疑创新每位代表讲题结束时，其他同学或老师可以做出过程评价，甚至对解题过程提出质

疑或创新的想法。当然，为了增强学生的自信心，敢说敢讲，尽量多一些正面的评价，委婉的指出不足。

附学生讲题清单对照图1初审：列出知识、规律

方法过审题建构模

型解法思维

过程程评价分析图

列式作复审：抓住关键语句、

挖掘隐含条件图

1

学生讲题清单

学生讲题案例：我们以牛顿运动定律应用的习题教学中一道习题为例，举例说明如何进行学生讲题

3安徽省基础教育教育教学论文

过程设计。题：一司机驾驶小汽车以54km/h的速度向前行驶,突然前方红灯亮起,此时司机距

离停车线约20m，司机立即刹车，轮胎与地面间动摩擦因数为0.6，问司机是否会撞红灯？若发现红灯时，司机距停车线约

15m，

问轮胎与地面间动摩擦因数至少为多大才不会

撞红灯？老师给出习题后，学生先独立思考，自主探究作答，然后组内讲题，交流合作，最

后小组代表在班内边展示边讲解以下表2内容：表

2

讲题内容

讲题清单讲题内容

22匀变速直线运动公式：V

V

2ax

0考查涉及的知识规律受力分析找合力

牛顿第二定律

F

=ma合刹车时在滑动摩擦力作用下匀减速为0。

关键语句或隐含条件汽车速度减为

0时发生的位移与

20m比较，判是否撞红灯。恰在停车线处速度减为

0时，动摩擦因数最小

。

该题是牛顿定律应用中两类问题即已知力求运动和已知运动求力问题。首先两个分析即受力分析和运动分析弄清过程，

若已知力就用合力求加速度，若已知运动就用运动学公式求加速度，最后根据牛顿定律或运动学公式求解未知量。

第一问：司机是否会撞红灯？刹车时汽车做匀减速运动：µmg=ma

a=µg=6m/s2

22匀减速位移

X

时停止：

0

V

2

a

x

000解法分析列式作答

X0=18.75m<20m不会撞红灯第二问:轮胎与地面间动摩擦因数至少为多大才不会撞红

灯?汽车恰在停车线处速度减为0时，设加速度大小为

a0

220V

2

a0

xa0=7.5m/s2

02汽车所受合力大小

µ

mg=ma

µ

=0.75

000所以动摩擦因数至少为0.75

第一问思维过程图：两个分析→

已知力→合力求加速度

→

运动学公式求停止时的位移

X

→

比较

X

与

20m大小关系00

思维过程图第二问思维过程图：两个分析，挖出隐含条件→已知运动→运动学公式求

a

→

0牛顿第二定律求动摩擦因数至少值

小组代表讲题结束后，有同学对试题提出质疑:实际中人有反应时间，在反应时间4安徽省基础教育教育教学论文

内，人还会继续匀速前进一段距离，人在刹车时的反应时间至少在0.2秒左右，那么在反应时间内发生的位移为15m/s×0.2s=3m,18.75m+3m=21.75m>20m，一定会撞红灯，同

样最后一问也会有偏差。老师马上给予肯定，敢于质疑，动脑思考很好,来点掌声鼓励！老师补充：一般情况下，题目中涉及反应时间时，我们才考虑反应时间，如果没有提到

反应时间一般不用考虑反应时间，还有按照新规撞红灯并不是压到停车线就认定为撞红灯。所以，题目情境描述成在停车线处减速为0更准确一些。当然，有不少题目将情境

粗略描述成距离红绿灯多少米也可以避免与撞红灯规则不相符。学生经过讲题过程，将习题本身以及背后所隐含的知识，思维方法和思维过程完全

呈现出来，不仅巩固了知识，理清和强化了解题思路，同时也培养了规范答题和规范表达的好习惯。学生在讲题过程中，科学思维四要素（模型建构、科学推理、科学论证、

质疑创新）也能落到实处：通过挖掘题中有效信息，构建问题与知识方法间联系，完成模型建构；经过分析推理，科学论证顺利解决问题；在最后的过程评价环节，学生可以

大胆质疑创新。经历讲题过程，还加强了生生、师生间交流合作，充分发挥出每个学生的思维潜力。

（3）适当引入费米问题，有利于培养科学思维素养

精选习题或命制高质量习题进行训练，是培养科学思维素养的有效途径。适当引入费米问题是一个不错的培养科学思维素养的途径。

费米问题因物理学家恩利科·费米而得名，是典型的非常规问题，是通过粗略估算但能够给出量化结果的有关自然界或日常生活中各种实际问题。

费米问题具有生活性、趣味性、开放性、模型内隐化和条件隐性化等特点。对培养科学思维能力有如下作用：

①培养学生建构模型的能力。由于模型内隐化和条件隐性化，所以我们必须挖掘隐

含条件来建构成熟悉的物理模型。培养学生科学推理、科学论证能力。费米问题一般需拆分为若干个子问题来解答，

层层推进，层层推理论证才能顺利解答。培养学生质疑创新能力。费米问题的开放性能使学生的思维突破常规，大胆猜想

②③假设，质疑创新，同时能有效培养学生的发散思维。

另外，来自生活的费米问题有一定的趣味性，有利于激发学生认真观察能力和睿智的估算能力。

解答费米问题一般思路如图2：联系

约束假设

实际约束

子问题1建模费米表征

问题子问题

2

假设

赋值解答

子问题3……图

2

解答费米问题思路

例如：给自行车的一个没有气的轮胎打气需要做多少功？这是典型的费米问题。解答过程如下：

表征、约束假设、建模：给自行车轮胎打气时，施加的力大小在变化，将变力视为平均值大小的恒力，从而将变力做功约束假设为恒力做功，利用功的定义式就可计算。

将问题分为三个子问题：变力的均值多大？位移多大？打了多少次气？联系生活实际约束假设赋值：给轮胎打气的力最大小于200N，最小不低于20N，力

5安徽省基础教育教育教学论文

的几何均值约为

130N，每次打气的距离约

30cm

，完成打气的次数约

20次

。解答

：

给

自