例谈使用高中物理人教版教材培养科学思维

摘   要：在新一轮的课程改革中，新课程标准提出物理核心素养，其中，科学思维是学习物理的必备能力，是高考主要考查的能力，是物理学科核心价值的体现。而教材是课程理念、目标和要求最直接的体现，要落实培养学生的核心素养，首先要选好教材、用好教材。对教材的研究表明，现行的人教版高中物理教材可以有效地培养学生的科学思维。

关键词：高中;物理教材;科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）7-0016-3

1    科学思维

1.1    科学思维提出的背景

新一轮课程改革中，2017年新课程标准提出学科核心素养。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。科学思维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物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正进而提出创造性见解的能力与品格。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。

1.2    科学思维的重要性

科学思维是学生形成物理思维方式的关键能力。培养学生的科学思维，有助于学生形成严谨、周密、富有逻辑的思维体系;有助于学生掌握学习物理学的正确方法;有助于提升学生学习物理的兴趣和成绩。培养学生的科学思维是物理学科育人价值的重要体现，教师通过课堂教学帮助学生形成科学的逻辑思维，进而提高学生学习物理乃至学习科学的能力，为学生终身学习和发展打下坚实的基础。物理学家劳厄曾说：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力。”

科学思维是高考主要考查的能力。《考纲》中明确指出，高考物理考查的能力主要包括理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力、实验能力。其中，推理能力和分析综合能力正是科学思维所涵盖的能力。研究表明，从2012年至2018年全国新课标卷對科学思维能力的考查占比均超过了全卷50%的分值，主要考查点集中在模型建构、科学推理、科学论证。相信未来几年高考对能力考查的方向还会指向质疑创新。

2    教材对培养学生科学思维的重要性

“不积跬步，无以至千里;不积小流，无以成江海”，培养学生的科学思维正是如此。只有真正夯实课堂教学，课堂上关注逻辑推理和科学论证相结合的演绎，强化问题导向引发学生思考，强化类比、归纳等科学研究方法的应用，才能让学生真正地学会探究问题的思路和方法。

教材是课程理念、目标和要求最直接的体现，是教师进行教学设计的参考依据，是指引学生学习方向的灯塔。教材包括了教师教学行为和学生学习活动中所利用的素材和手段。所以，要落实培养学生的核心素养，利用好每一节课，首先要选好教材、用好教材。经过对教材的研究，笔者发现现行的人教版高中物理教材（以下简称“人教版教材”）渗透了多种物理学方法，通过学习物理学方法可以有效地培养学生的科学思维能力。

3    人教版高中物理教材培养学生科学思维的体现

推理法、实验法、归纳法、分析法、类比法等，是物理学最基本、最核心的研究方法。人教版教材将物理学研究方法贯穿在整个高中的物理学习中，这有利于学生建立起物理学的思维方式和方法，从而提高学生的科学思维能力。

3.1    通过推理法、实验法培养学生的科学思维

必修1是学生进入高中使用的第一本物理教材，是进入高中物理学习的开端，是物理知识、物理学方法和物理思维打基础的关键期。俗话说，“好的开端是成功的一半”，所以在讲授必修1时对学生科学思维的培养就显得尤为重要。例如，在讲解自由落体运动的时候除了讲清楚自由落体运动规律问题，还要讲解伽利略对自由落体运动的研究历程，这个历程的讲解好比是一节历史课、一节哲学课和一节物理课的结合，对学生了解物理学史、体会科学家的研究历程、形成物理学的学科体系、培养学生的逻辑思维有很重要的影响。

从科学史看，科学思维的发展正是从伽利略的研究开始的，他独创了逻辑推理与实验相结合的方法，所以人教版在必修1第二章中设置了《伽利略对自由落体运动的研究》一节。教材分四个小标题，分别是“绵延两千年的错误”“逻辑的力量”“猜想与假说”“实验验证”。从亚里士多德的运动观到伽利略的逻辑推理和猜想，再到伽利略通过实验验证，并且在实验中使用变通的思维将重力“冲淡”，结合逻辑和实验的力量总结出自由落体运动的规律。教材上这样写到：“这些方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法。”

人教版教材中像这样的课例有很多，例如必修1第四章第一节《牛顿第一定律》、选修3-1第三章第一节《磁现象和磁场》、选修3-2第四章第一节《划时代的发现》、选修3-5第十八章第一节《电子的发现》，这些课例都是让学生了解一个定律、规律、现象或粒子发现发展的历程，让学生体会科学家的逻辑推理过程，以及用实验检验理论的方法。

3.2    通过归纳法、分析法培养学生的科学思维

对于万有引力定律的教学，绝不能是一个公式的介绍和应用这么简单。要让学生了解万有引力定律的发现历程，学会科学研究问题的方式方法，所以人教版教材设置了三节课才得出万有引力定律。

《太阳与行星间的引力》这一节先介绍伽利略、开普勒、笛卡儿、胡克、哈雷等科学家对天体运动的认识，让学生明白科学研究的道路是艰辛的、曲折的，并且理解“牛顿是站在巨人肩膀上”的道理。教材中提到，“在这一节和下一节，我们将追寻牛顿的足迹，用自己的手和脑，重新‘发现’万有引力定律。”教材没有直截了当地给出万有引力定律的概念，而是带领学生追寻历史的足迹，领略物理学的发展历程，参与科学推理，学会用辩证的思想得出物理规律。

依据教材的思路，可以提出如下问题让学生思考：1.是什么原因使行星绕太阳运动？2.如何计算太阳对行星引力的大小？ 3.如何计算行星对太阳引力的大小？4.如何确定太阳与行星之间的引力？如何确定引力的方向？5.地球对地球周围的物体有引力吗？（分别讨论地球对月球的引力和地球对地表物体的引力）6.太阳对地球的引力、地球对月球的引力与地球对地表物体的引力是同一种力吗？（月-地检验）

每一个问题都留给学生充分的思考时间，并让学生作答，教师对学生的回答及提出的新问题给予评价和帮助。例如，学生会提出“太阳对地球的引力与地球对月球的引力是同一种力，因为都是环绕星体围绕中心天体做圆周运动，而地球表面的物体没有绕地球做圆周运动，所以不是同一种力”这样的问题。学生提出这个问题说明学生有认真思考过，并且能提出问题的根源。学生能提出这样的问题说明我们的物理教学上了一个新的台阶，我们的课堂成为了师生合作交流的平台。这些进步得益于人教版教材的设置，给我们老师提供了优质的教学素材，给我们的学生提供了质疑、创新的机会。

六个问题构建了完整的思维逻辑，如图1。通过万有引力定律得出的过程，学生学会了分析综合、推理论证和归纳总结的科学方法，培养了严谨的科学态度和科学思维，学会了辩证看待问题的思维方式。

选修3-5第十七章第二节《光的粒子性》一节，也是逻辑推理性很强的一节课，教师依据教材的思路，演示光电效应实验，揭示光电效应现象，从而提出与光的波动理论相矛盾的地方，引发学生的思考，再用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象，揭示光的粒子性。整堂课学生经历了观察实验—理论分析—检验修正—归纳总结的思维过程。

类似的课例还有选修3-2第四章第二节《探究感应电流的产生条件》、第三节《楞次定律》，都让学生经历了观察实验—分析论证—归纳总结的过程来培养学生的科学思维。

3.3    通过类比法培养学生的科学思维

人教版必修2第七章第五节《探究弹性势能的表达式》的题目有一个标注：“学习这节时，要着重体会探究的过程和所用的方法，复习用到的知识，不要求掌握探究的结论，更不要求用弹性势能的表达式解题”，所以本节内容的目的很明确。

以弹簧被拉长情况为例，教材提出了待解决的四个问题，分别是：1.弹性势能的表达式可能与哪几个物理量有关？2.弹簧的弹性势能与拉力做的功有什么关系？3.怎样计算拉力做的功？4.怎样计算这个求和式？四个问题的探究思路是假设猜想—理清关系—解决问题—处理困难，其逻辑结构清晰，并在这个过程中让学生学会探究问题的思路和方法。

整节课都贯穿着类比思想，将如何解决重力势能的方法运用到如何解决弹性势能;再用类比法比较重力做功和弹簧弹力做功的区别;又用类比思想将解决匀变速直线运动位移的思想运用到解决变力做功的问题。让学生学会运用已有的物理思想去解决问题，并加深了对微元法的理解。

人教版教材用类比法培养学生科学思维的课程还有选修3-1第一章第四节《电势能和电势》，将静电力做功的特点与重力做功的特点类比，引出电势能的概念;选修3-1第三章第五节《运动电荷在磁场中受到的力》，用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用后，类比用左手定则判断安培力方向的方法，来判定运动电子的受力方向。

4    结  语

在科学认识活动中，科学思维必须遵守三个基本原则：在逻辑上要求严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一;在方法上要求辩证地分析和综合两种思维方法;在体系上，实现逻辑与历史的一致，达到理论与具体历史实践的统一。通过本文列举的多个课例，从必修到选修，充分说明了人教版高中物理教材对培养学生的科学思维起到了非常积极的作用，至于能不能把教材的作用发挥出来还要看教师对核心素养的理解以及对核心素养的重视程度。面对新一轮的课程改革，希望人教版的这些优质课例可以启发教师，从而构思更多更好的教学设计来培养学生的科学思维。

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（栏目编辑    赵保钢）