摘要：科學思維指的是人腦對客觀事物形成清晰的圖景，并反復加工、去粗取精，把感性認識概括上升為理性認識的間接認識過程。它是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一?？茖W思維的培養(yǎng)途徑有：重視模型建構(gòu)；注重科學推理（包括歸納推理、演繹推理和類比推理）；強化科學論證（包括實驗論證和理論論證）；引導質(zhì)疑創(chuàng)新。

關鍵詞：科學思維模型建構(gòu)科學推理科學論證質(zhì)疑創(chuàng)新

科學思維指的是人腦對客觀事物（包括所觀察的對象、過程、事實、現(xiàn)象等）形成清晰的圖景，并反復加工、去粗取精，把感性認識概括上升為理性認識的間接認識過程。科學研究的任務在于探求客觀世界的一般化本質(zhì)，以認識客觀世界的聯(lián)系性（主要是因果性）規(guī)律；在科學研究中，運用感性方法只能獲得關于客觀事物的事實或現(xiàn)象的描述，運用理性方法才能實現(xiàn)從感性認識向理性認識的飛躍，進一步認識事物的本質(zhì)和規(guī)律——這就需要科學思維。

科學思維是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。它是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關系的認識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化；也是基于事實證據(jù)和科學推理對不同的觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。因此，它主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等基本要素，而它的培養(yǎng)也可以從這幾個方面入手。

一、重視模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是一種重要的科學思維，它既是一種思維過程，也是一種思維方法，其實質(zhì)就是將隱藏在復雜物理情境中的研究對象或過程進行簡化、抽象、類比、概括，從而揭示客觀事物的本質(zhì)與規(guī)律。普通高中物理課程標準修訂稿對于模型建構(gòu)的要求是：具有建構(gòu)理想模型的意識和能力，能夠根據(jù)研究問題和情境，在一定條件下對客觀事物進行抽象和概括，構(gòu)建易于研究的、能夠從主要方面反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型和概念。

例如，質(zhì)點是高中物理中最簡單、最重要的模型，它是對有形狀、體積、質(zhì)量等的物體進行高度抽象，忽略形狀、體積等因素，僅抓住質(zhì)量這個重要屬性，經(jīng)過抽象得到的一個能夠代替物體的有質(zhì)量的點。在研究太陽系中行星的運動時，盡管有的行星比地球要大得多，但是仍然可以把它當作一個質(zhì)點來看待，以便于研究它運動的軌跡和規(guī)律。教學中，要讓學生了解建立質(zhì)點模型的抽象方法，通過討論知道物體在特定情境下能夠抽象為質(zhì)點，進而掌握建立質(zhì)點模型的條件。高中物理中的理想模型還有勻變速直線運動、平拋運動、勻速圓周運動、光的本性、理想氣體模型、原子核模型、大爆炸宇宙論的模型等。

其實，物理學描述的就是關于客觀世界的模型，其基本思想方法是用模型來描述現(xiàn)實，用數(shù)學來表達模型，用實驗來檢驗模型，用模型的規(guī)律來解決實際問題。理想模型源于現(xiàn)實，又高于現(xiàn)實，它與客觀世界中的事物是近似的。所以，模型建構(gòu)的訓練不僅要幫助學生學會理想化思維的方法，體會建構(gòu)物理模型的意義，而且要幫助學生了解模型建構(gòu)的方法，學會在具體情境中建構(gòu)物理模型以及還原模型，利用所建構(gòu)的模型分析物理問題，獲得結(jié)論并加以解釋。著名物理學家薛定諤曾說過：“解決物理問題的過程，某種程度上就是建立一個物理模型的過程?！崩媚Ｐ退季S解題的基本步驟可以概括為“文本→情境→模型→規(guī)律→抉擇→運算→討論”。

例1在某中學舉辦的智力競賽中，有一個叫作“保護雞蛋”的競賽項目。要求制作一個裝置，讓雞蛋從兩層樓的高度落到地面且不被摔壞。如果沒有保護，雞蛋最多只能從0.1 m的高度落到地面而不被摔壞。有一位同學設計了如圖1所示的裝置來保護雞蛋：用A、B兩塊較粗糙的夾板夾住雞蛋，A夾板和B夾板與雞蛋之間的滑動摩擦力均為雞蛋重力的5倍。現(xiàn)將該裝置從距地面4 m的高處落下。設裝置著地時間很短且保持豎直不被彈起，取重力加速度g=10 m/s2，不考慮空氣阻力。

（1）如果沒有保護裝置，雞蛋直接撞擊地面而不被摔壞的速度最大不能超過多少？

（2）如果使用保護裝置，雞蛋夾放的位置到裝置下端的距離x至少為多少？

對于動力學問題，一般是從受力分析確定運動情況，找到對應的運動模型，再應用對應的規(guī)律解題。本題中，沒有保護裝置時，因為不考慮空氣阻力，視為只受重力作用，雞蛋的運動是熟悉的自由落體運動模型。而有保護裝置時，裝置未落地前，同樣地，雞蛋同裝置一起做自由落體運動；裝置落地后，由于摩擦力大于重力，雞蛋的運動可看成勻減速運動模型。由此，可以得到如下解法：

（1）雞蛋做自由落體運動時，v2=2gh。將h=0.1 m代入，解得v=2 m/s。

（2）設該裝置即將落地時的速度為v0，則v20=2gH。將H=4 m代入，解得v0=45 m/s。

設雞蛋沿裝置下滑時的加速度為a，則-2f+mg=ma。將f=5mg代入，解得a=-90 m/s2。

因為雞蛋落地不破碎，所以v末≥v，因此2axmax=v2-v20。代入數(shù)據(jù)，解得x=1330 m。

二、注重科學推理

推理是思維的基本形式。推理能力是指結(jié)合給定的情境，利用已有的知識和方法，針對問題進行有根據(jù)（邏輯）的推斷，得出正確結(jié)論的能力。推理能力是衡量個體思維能力高低的重要標志，實踐表明，沒有推理能力的支撐，通過重復記憶而獲得的知識容易被遺忘?？茖W推理包括歸納推理、演繹推理和類比推理。

（一）歸納推理

歸納推理是從個別（特殊）事物到普遍（一般）事物的邏輯推理方法。歸納推理的方法有兩種：完全歸納法和不完全歸納法。物理學中使用的歸納法大多是不完全歸納法，大多數(shù)概念的形成、規(guī)律的建立都運用了實驗歸納法，即根據(jù)日常生活經(jīng)驗、觀察到的實驗現(xiàn)象、前人的實驗結(jié)果等進行定性分析，做出初步猜想，運用控制變量法進行定量探究，得出實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸納推理和必要的數(shù)學處理得出結(jié)論。如教材中“牛頓第二定律”的建立就是典型的實例。而在物理解題中這樣的例子也比比皆是。

例2如圖2所示，A為位于一定高度處的質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的小球，B為位于水平地面上的質(zhì)量為M的用特殊材料制成的長方形空心盒子，且M=2m，盒子與地面之間的動摩擦因數(shù)μ=0.2，盒內(nèi)存在豎直向上的勻強電場，場強大小E=2mgq，盒外沒有電場。盒子的上表面開有一系列略大于小球的小孔，孔間距滿足一定的關系，使得小球A在進出盒子的過程中始終不與盒子接觸。在小球A以1 m/s的速度從孔1進入盒子的瞬間，盒子B恰以v1=6 m/s的速度向右滑行。設盒子通過電場對小球A施加的作用力與小球A通過電場對盒子施加的作用力大小相等、方向相反，盒子足夠長，小球A恰能順次從各個小孔進出盒子，并取重力加速度g=10 m/s2。試求：

（1）小球A從第一次進入盒子到第二次進入盒子所經(jīng)歷的時間；

（2）盒子上至少要開多少個小孔，才能保證小球A始終不與盒子接觸；

（3）從小球A第一次進入盒子至盒子停止運動的過程中盒子通過的總路程。

本題中涉及的相互聯(lián)系的過程較多，過程具有一定的重復性和規(guī)律性。因此，可以先分析一次作用的情況，得出結(jié)論；再根據(jù)多次作用的重復性和共同點進行歸納推理，得到一般結(jié)論。具體解法如下：

（1）A在盒子內(nèi)運動時，qE-mg=ma，所以a=g，所以時間t1=2va=0.2 s。又A在盒子外運動的時間t2=2vg=0.2 s，所以A從第一次進入盒子到第二次進入盒子所經(jīng)歷的時間T=t1+t2=0.4 s。

（2）A在盒子內(nèi)運動時，盒子的加速度a1=μ（Mg+qE）M=4 m/s2；A在盒子外運動時，盒子的加速度a2=μMgM=2 m/s2。所以，A運動一個周期，盒子減少的速度Δv=a1t1+a2t2=1.2 m/s，從A第一次進入盒子到盒子停下，A運動的周期數(shù)n=v1Δv=61.2=5。因此，要保證A始終不與盒子相碰，盒子上的小孔數(shù)至少為2n+1個，即11個。

（3）A第一次在盒內(nèi)運動的過程中，盒子前進的距離x1=v1t1-12a1t21=1.12 m。A第一次從盒子出來時，盒子的速度v2=v1-a1t1=5.2 m/s；A第一次在盒外運動的過程中，盒子前進的距離x2=v2t2-12a2t22=1 m。A第二次進入盒子時，盒子的速度v3=v2-a2t2=4.8 m/s；A第二次在盒子內(nèi)運動的過程中，盒子前進的距離x3=v3t1-12a1t21=0.88 m。A第二次從盒子出來時，盒子的速度v4=v3-a1t1=4 m/s；A第二次在盒外運動的過程中，盒子前進的距離x4=v4t2-12a2t22=0.76 m。

分析上述各組數(shù)據(jù)可知，盒子在每個周期內(nèi)通過的距離為一等差數(shù)列，公差d=0.12 m。而且，當盒子停下時，A恰要進入盒內(nèi)，最后0.2 s內(nèi)盒子通過的路程為0.04 m。所以從A第一次進入盒子至盒子停止運動的過程中，盒子通過的總路程s=n（x1+x10）2=10×（1.12+0.04）2 m=5.8 m。

（二）演繹推理

演繹推理是從普遍（一般）事物到個別（特殊）事物的邏輯推理方法。我們比較熟悉的演繹推理結(jié)構(gòu)形式是由大前提、小前提和結(jié)論組成的三段論式。例如，能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象的物質(zhì)是波（大前提），光能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象（小前提），所以光是一種波（結(jié)論）。在物理學的長期發(fā)展過程中，演繹推理是非常重要的物理方法。

比如，伽利略利用演繹推理糾正了亞里士多德“物體越重下落越快”的謬誤，解決了自由落體運動規(guī)律問題。伽利略設想將一個重物與一個輕物綁在一起同時下落。按照亞里士多德的理論，重的物體由于輕的物體的“拖累”，下降速度應該比單獨下落時??；但是從另外一個角度看，重的物體與輕的物體綁在一起后比原來更重，因此下降速度應該比單獨下落時大。這樣，由一個大前提推理得出了兩個互相矛盾的結(jié)論，這只能說明該大前提是有問題的，而合理的大前提只能是重物與輕物下落得一樣快。

又如，有人根據(jù)萬有引力理論和太陽系已知的恒星、行星計算得出天王星的軌道，發(fā)現(xiàn)它與長期天文觀測得到的天王星的軌道有偏離，于是猜想有一顆未知的行星在干擾天王星的運動。當人們通過觀測無法發(fā)現(xiàn)這顆未知的行星時，亞當斯和勒維烈分別進一步根據(jù)萬有引力理論計算得出這顆未知行星的軌道，從而幫助天文學家加勒在指定位置觀察到了這顆未知行星——海王星。

（三）類比推理

類比推理是根據(jù)兩個或兩類對象有部分屬性相同，從而推出它們的其他屬性也相同的推理方法。它可以看成一種從特殊到特殊的非完整的邏輯推理過程，且所獲得的結(jié)論具有或然性，不一定可靠。但是，類比推理運用的范圍卻十分廣泛，對于學生理解知識、解決問題的幫助十分巨大。實際上，物理模型建構(gòu)的過程，也是由物理現(xiàn)象推向物理模型的類比推理。另外，通過對物理問題中存在的各種現(xiàn)象模型或問題模型的匹配、識別，進行模擬類比推理，把已知的、熟悉的現(xiàn)象模型或問題模型的相關知識、屬性、特征、公式、解法推廣到當前解題過程中來，可以促成物理問題的解決。

比如，庫侖在研究靜電力時，把它跟萬有引力進行類比，確立了平方反比關系的猜想，再用扭秤精確地測量靜電力與距離之間的關系，發(fā)現(xiàn)了用平方反比表示時其指數(shù)偏差約為0.04。也就是說，在類比推理思想的指引下，結(jié)合實驗誤差分析，庫侖推斷靜電力與距離之間服從平方反比關系，從而建立了庫侖定律。

又如，惠更斯將光與聲兩類現(xiàn)象進行了對比，在證明它們都具有直線傳播以及反射、折射等共同屬性的基礎上，根據(jù)聲的本質(zhì)是由物體的振動所產(chǎn)生的一種波動，推斷光的本質(zhì)也是一種波動，從而創(chuàng)立了光的波動說。

三、強化科學論證

科學論證要求學生具有使用科學證據(jù)的意識以及評估科學證據(jù)的能力，運用證據(jù)對研究問題進行描述、解釋和預測的能力以及建立證據(jù)與解釋（預測）之間關系的能力。其中的證據(jù)主要包括實驗和理論兩個方面。科學論證可以幫助學生轉(zhuǎn)變科學概念，建構(gòu)科學知識，提升認識水平，發(fā)展探究能力、判斷能力和交流能力等。

在教學中，當學生做出猜想、假設時，教師一定要讓學生陳述支持的證據(jù)，促使學生運用以前的知識經(jīng)驗對猜想、假設做出解釋，以體現(xiàn)猜想、假說的真正價值。教師可以追問：有哪些證據(jù)可以支持你的這個觀點或結(jié)論？可以做什么樣的實驗來驗證你的觀點？可以用什么樣的理論來解釋你的結(jié)論？如果觀點是對的，會有什么現(xiàn)象發(fā)生？如果你的結(jié)論是對的，會有什么推論產(chǎn)生？

比如，伽利略利用理想斜面實驗否定了亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的觀點，揭示了物體運動的重要性質(zhì)——慣性。教學中，教師可以追問：伽利略的觀點能否經(jīng)受實驗的檢驗呢？然后引導學生利用氣墊導軌實驗來驗證：如圖3所示，安裝好實驗裝置后，調(diào)節(jié)h的大小，分別測出物體運動的加速度a；在a-h坐標中描點，畫出a與h的關系圖線，如圖4所示。圖線表明，物體的加速度a與斜面高度h成正比；利用外推法，當h=0時a=0，即導軌水平時物體（無外力作用）保持勻速直線運動。

又如，教完“力與運動”內(nèi)容后，教師可以描述這樣一個故事情境：“早年，一名飛行員駕著飛機在空中水平勻速飛行，飛機座艙的上部是開放的，空中經(jīng)常出現(xiàn)地面射出的流彈，有一次，飛行員感覺臉上有一只蟲子，抓過來一看，竟是一顆步槍子彈！”由此提出問題：從物理原理上看，這種情境可能發(fā)生嗎？請說出你的結(jié)論，并根據(jù)子彈和飛行員的相對運動關系論證你的結(jié)論。然后引導學生思考：步槍打飛機時子彈的運動比較復雜，對于復雜的運動，思維的方法是化曲為直，即從水平方向和豎直方向?qū)ψ訌椀倪\動進行分析。上述情境最有可能發(fā)生的條件是，子彈和飛行員的水平速度相等，在水平方向上沒有相對運動。假設如此，那么在豎直方向上，子彈相對飛行員做豎直上拋運動。在這種情況下，上述情境最有可能發(fā)生的條件是，子彈在最高點處（速度為零時）恰好接觸到飛行員的臉。假設如此，那么此后，子彈相對飛行員做自由落體運動。而一般人臉的高度大約是10 cm，根據(jù)自由落體運動的位移公式h=12gt2，可得子彈下落10 cm需要的時間t=0.14 s。要在這么短的時間內(nèi)完成抓住子彈的動作，超出了一般人反應時間的極限，是不可能做到的。綜上，這種情境不太可能發(fā)生。

四、引導質(zhì)疑創(chuàng)新

人在認識事物時頭腦中已有的知識儲備、理論思想、價值觀念等對人的觀察范圍和思考方向作了預先的規(guī)定。一旦知識背景或思想觀念發(fā)生了轉(zhuǎn)換，就會使視野和思路發(fā)生深刻的變化，就能觀察到從前“視而不見”“充耳不聞”的東西，設想出從前沒有想到過的東西。這就意味著一種質(zhì)疑創(chuàng)新。教學中，應培養(yǎng)學生的批判性思維，引導學生從不同角度發(fā)散思考問題，基于一些證據(jù)大膽質(zhì)疑，根據(jù)一些需求追求創(chuàng)新。

比如，教學“楞次定律”時，很多教師都是利用圖5所示的實驗裝置來引導學生探究，最后歸納得出楞次定律的。這樣的實驗有一個缺陷：看不到線圈中電流的方向，只能根據(jù)線圈外示意的電線繞向和電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向分析得出電流的方向。于是，有教師引導學生做了這樣的改進：用細線吊一只鋁環(huán)，先用條形磁鐵的一端去靠近或遠離鋁環(huán)，觀察鋁環(huán)的運動，分析出鋁環(huán)中感應電流的方向，再換用磁鐵的另一端去靠近或遠離鋁環(huán)，也分析出鋁環(huán)中感應電流的方向，然后總結(jié)感應電流的方向遵循的規(guī)律，最后歸納出楞次定律。改進后的實驗結(jié)構(gòu)更簡單，現(xiàn)象更直觀，沒有電流表，鋁環(huán)的運動可以直接觀察到；通過分析鋁環(huán)的運動得出電流的方向，比原實驗中電流方向的確定，在思維上更簡單。

總的來看，要培養(yǎng)學生的科學思維，就要克服將知識“大餐”端上來而不講烹飪方法的傾向，不斷給學生以點點滴滴的思維啟迪，讓學生搞清物理概念、定律等的來源、思路、建立過程、建立方法及物理意義，并關注概念、定律等之間的內(nèi)在聯(lián)系和面臨的新的問題。