高中物理教学：培养科学思维能力的方法与措施

因为认识到科学思维的重要性，不少学者把科学思维培养放到了教育的核心地位。如钱学森提出，教育最终的机理在于思维过程的训练；迈克尔-桑德尔提出，学习的本质，不在于记住哪些知识，而在于它触发了你的思考；以色列教育学家、心理学家费厄斯坦呼吁，思维过程应放在教学的核心位置；杜威在其名著《我们如何思维》一书中写道：“智育的全部和唯一目的就是要养成细心、警觉和透彻的思维习惯。”科学思维是物理核心素养，中学物理教学的任务之一是培养学生的科学思维能力。传统教学重视结论应用，轻视思维过程。例如，在法拉第电磁感应定律的教学中，很多教师只关注定律应用，而将电磁感应发现过程中的思维方法跳过不讲，从而失去了提升学生核心素养的机会。

因此，高中物理教学应从传统的只重视结论应用转变为重视科学思维能力的培养。德国教育学家第斯多惠说过：“教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒和鼓舞。”所以物理课堂理应把教书与育人有机结合起来，充分利用物理学科的优势，将真实的历史事件、感人的科学精神、不断创新的思维融入物理教学中，使科学求“真”的理性思维与人文文化中至善、至美的追求相结合，促进真、善、美的统一，促进人和自然的和谐与统一，让物理课堂充满激情。

（一）运用形象思维法，培养学生的学习兴趣

所谓形象思维能力，就是在观察、实验中获得的一定感性知识的基础上，使学生建立清晰的物理图像，形成概念。一切事物都是综合性的刺激物。综合刺激物的各种现象有强有弱，强的掩盖弱的，如重的物体的下落速度与轻的物体的下落速度的观察等，如果不注意反映事物本质现象的内在因素，就会形成错误的概念。所以在物理教学中，教师一定要引导学生注意观察，使学生形成比较完整、清晰的物理图像。

由于形象思维以知觉、表现为重要材料，以鲜明、生动的语言为物质外壳，并在认识中带有强烈的情绪色彩，因此在教学中，要根据物理学的特点，从所研究的物理概念、定律的需要出发，运用演示实验、板书、板画、模型、幻灯、电影等直观教学手段和方法，并辅之以生动的语言与手势，使学生获得生动具体的感性认识，让学生从直观上了解与认识客体的全部形态，将对物理现象的观察与教师的讲解等客体作用于认识主体的动作并上升为知觉与表象，进而产生形象结构。在物理教学中培养学生的形象思维能力，让学生观察物理现象，是必须的和有益的，但更重要的是让学生自己动手，在实验中观察物理现象，体会物理规律的奥妙。切实结合物理实验进行教学，是对形象思维法的充分利用。实验考察的不仅仅是学生对知识点的掌握情况，还考查学生的实践能力、观察能力和独立思考能力等。通过实验，还能提高学生学习物理的兴趣。

（二）整合现代化教学资源，培养学生的科学思维

在新媒体环境下，让学生自主学习和讨论的教学模式已经得到广泛的应用。这就要求学生在物理课外自主学习或完成老师布置的学习任务时，对遇到的问题要积极分析、探究和思考，并提出自己的认识、想法及体会。此外，学生也可以利用网络等工具，去询找自己无法解决的问题，或通过网络把问题提交给老师、同学进行交流、互动和讨论，从而比较顺利地解决问题。可见，在新媒体环境下，有效整合教学资源，可以拓展思路和视野。新媒体具有独立性、交流性和协作性，有利于培养和提高学生的学习能力、探究能力。在教学中，教师还应积极主动地与学生进行交流、讨论和互动。当学生提出疑问时，教师要科学合理地引导、启发，逐步拓展学生的视野，培养学生的科学思维。

（三）运用科学教学方法，在教学中培养学生的科学思维

物理课堂教学中应突出逻辑性，在掌握教材的逻辑性上下功夫。物理教学的总目的是要求学生比较系统地掌握学习现代科学技术所需要的物理基础知识，了解这些知识的实际应用；进一步提高理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学解决物理问题的能力和实验能力；培养学生的辩证唯物主义观。简而言之，就是传授知识、培养能力、树立观点。要实现这个目的，教师必须熟练把握教材，能够按照教材本身的逻辑，设计便于学生展开思维的教学程序，引导学生步入物理情境，使每节课教学目的明确、内容充实、体系严密、层次清楚、生动活泼、启发性强，真正做到驾驭教材得心应手，选择教法灵活自如。

要巧妙运用比较法，通过比较认识一些容易混淆的物理概念和规律，并适时进行知识的分类，使所学知识条理化、系统化。物理学的研究对象不仅存在现象上的异同，还存在本质上的异同。在表面上差异极大的对象之间找出其本质上的共同点和在表面上极为相似的对象之间找出它们在本质上的差异，这对培养和发展科学的思维方法是十分重要的。分类是根据对象的差异，将对象区分为不同种类的一种思维方法。分类作为对客观事物的反映，有现象分类和本质分类两大类。所谓现象分类是根据对象的外部特征或外在联系进行的分类，本质分类则是根据对象的本质特征和内在联系所进行的分类。在高中物理的教学过程中，倘若注意分类，可使所学内容的条理性、系统性加强，可以减轻繁重的机械记忆，强化理解记忆，可使学生在应用旧知识解决新问题时思路开阔、敏捷，条理清楚，脉络分明。

归纳和演绎是认识和掌握物理知识的两种推理形式，也是两种基本的思维方法。指导学生掌握这两种思维方法，对于发展学生的认识能力具有极其重要的意义。在中学物理教学中建立概念、揭示规律常常运用归纳推理。在教学过程中，教师应当注意引导学生发掘教材在哪些地方、哪些概念、哪些规律上运用了归纳推理及如何运用归纳推理，从而逐步教会学生掌握归纳推理的思维方法。需要提醒学生注意的是，运用归纳推理认识新事物时，推得的结论或原理是否正确，要接受实践的检验或经过实验证明，防止犯以偏概全的错误。演绎推理是从一般到特殊，即从一般的原理、定律出发，推导出新的知识的一种思维方法，它是获取新知识、认识新事物的一种重要方法。教会学生运用演绎推理法是发展抽象思维的重要途径。和归纳法相反，演绎法是从一般到个别的推理方法。作为出发点的一般性判断称为“大前提”，作为演绎中介的判断称为“小前提”。把由“大前提”和“小前提”推算出来的“结果”称为演绎的结论。演绎推理的主要形式就是由“大前提”“小前提”“结论”组成的“三段论”。在高中教学阶段，可以适当地运用演绎推理，帮助学生建立新概念、理解新知识。使用演绎推理，还可以帮助学生判断犹疑难断、模棱两可的问题，它也常用于求项多解选择题。

分析和综合是抽象思维的基本方法，贯穿于整个认识过程。物理学研究的是自然界最普遍的现象，但一切自然现象总是不断变化的，同时又是相互依存和相互联系的，因此要认识这样复杂的自然现象，必须有正确的逻辑思维方法，也就是必须有从整体到部分、从部分到整体的逻辑思维方法，这就是人们通常所说的分析和综合。

分析就是在思维中把研究对象的整体分解为各个部分、各个方面分别加以考察，从而认识研究对象各个部分、各个方面本质的思维方法。从表现形式上看，分析法在思维过程中把整体分解为部分，即把全局分解为局部，把统一性分解为单一性；从本质上看，分割仅是一种手段，其根本目的在于认识事物的各个方面，以把握它们的内在联系及其在整体中所处的地位和作用，从偶然中发现必然，从现象中把握本质。分析的实质是由感性认识上升到理性认识，理清事物的来龙去脉。比如解决物理问题时应善于解剖题目，能将一道题分解成各个部分、各种已知未知、各种关系、各种变化过程等。这种由整体到局部，即从复合到单一的思维方法就是分析法。

综合法，是在分析的基础上把研究对象的各个部分、各个方面联结成一个整体加以认识的思维方法。从表现形式上看，综合是把部分组合为整体，把局部组合为全局，把阶段联结成过程。这种组合并不是机械地凑合，简单地相加，而是按照事物各部分之间固有的、内在的、必然的联系，将其综合为一个统一的整体。综合法解题的过程是一个综合的思维过程，它把与研究对象相联系的若干个别现象或个别过程连贯起来考虑，从而对整个事物或全部过程有完整和本质的认识。分析和综合是抽象思维的两个方面，两者既对立又统一，并贯穿于整个认识过程。综合是在分析的基础上进行的，没有分析也就没有综合。只有综合能从整体上把握事物的本质，能更深刻、更正确、更全面地认识事物的发展变化规律。分析是为了综合，而综合必须立足于分析。也就是说，从整体到部分之后还必须由部分再回到整体，这样才能对自然现象或过程有一个完整的认识。

用辩证的观点去解决问题，以求达到学以致用的最终目的，渗透着科学的思维方法。辩证思维法是在思维过程中按照唯物辩证法进行思维的方法。辩证思维法有三个基本特征：联系、发展、对立统一。

联系是指在思维中的现象之间、事物内部诸要素之间的相互影响、相互作用、相互制约。中学生在学习知识过程中应善于通过有关现象之间、规律之间的联系，树立普遍联系的观点，以开拓自己的思路。任何事物都是相互联系、相互制约的，缺乏相互联系的观点，看问题就会孤立、片面。如：在一定电压下电流受电阻制约，而电流热效应又影响电阻大小；许多物理变化、化学反应等都受一定条件的制约；许多定律、公式都有一定的适用范围。应用定理、定律解决实际问题时，一定要注意适用范围和成立条件，要弄清事物的相互联系和因果关系，切记不可生搬硬套。唯物辩证法告诉我们，现象的因果联系是客观的、普遍的。在所考察的特定现象的特定关系中，原因和结果是紧密联系、相互统一的，也就是说任何结果都是由一定的原因决定的，而任何原因都决定着一定的结果。例如合外力的功是物体动能改变的原因，合外力的冲量是物体动量改变的原因，导体两端的电压是产生电流的原因，等等。发展的特征是指人们对事物的认识有一个量的积累过程，不可能一次完成，而且有时可能产生曲折；量变发展到一定程度会发生质变。对立统一的特征是指唯物辩证法认为一切事物内部都存在着矛盾，任何事物都是一分为二的。大到宇宙天体，小到基本粒子，简单的机械运动或是高级的生命运动，都不例外。物理中也处处充满着矛盾，如正电和负电；作用力和反作用力；原子中有原子核和电子；原子核又有质子和中子；质子又有质子、反质子；中子又有中子、反中子……基本粒子也是不可穷尽的。由于矛盾的双方在一定条件下可以相互转化，例如导体和绝缘体在一定条件下可相互化，中子和质子也可在一定条件下相互转化。因此，在学习中不应一成不变地看待各种事物。

唯物辩证法认为事物变化的根本原因在于事物的内部即内因，外因只是条件，外因要通过内因起作用。如电压是使导体产生电流的原因，而不能使绝缘体产生电流。学生掌握了辩证思维法，就能进一步提高其学习能力，培养科学思维素养。

（四）鼓励大胆质疑，在探究中培养创新的科学思维

学起于思，思源于疑，疑则诱发探究的意识，从而发现真理。世界上许多重大的发明和新技术的发现往往是从质疑开始，从解疑入手的。从有疑到创新，是事物发展的客观规律。在物理教学中，教师要鼓励学生大胆猜想，去发现问题，同时要大胆质疑，敢于提出问题，并敢于探究。爱因斯坦说：“提出一个问题往往比解决一个问题更加重要。”物理教学中，教师要鼓励学生多问几个为什么，让学生敢于说出自己心里的疑问和想法，不要轻易否定，不要轻易拒绝，否则学生敢于质疑的好习惯可能会被扼杀。

创造思维是指发明或发现一种新方式并用其处理问题的思维方法。之所以把它叫作“创造思维”，是因为它要求重新组织观念，以便产生某种新的东西，即某种以前不存在或没有被发现的东西。创造思维与常规思维最本质的区别在于常规思维通常都是逻辑思维，而创造思维除逻辑思维外，还包含了各种形式的非逻辑思维。它有6个主要特点：①独特性，与众不同，前所未有；②多向性，善于从不同角度去思考问题，从多方面去分析研究，抓住事物的本质，寻找问题的答案；③非逻辑性，创造性答案往往是非逻辑思维的产物；④全面性，能从事物的联系和关系中思考问题，由此及彼地全面看问题，而不是孤立地思考问题；⑤综合性，创造是多种思维方式的综合，综合中有创新；⑥发展性，善于总结前人的经验教训，分析其原因，并在此基础上创新和发展，正如牛顿所说：“站在巨人的肩膀上看问题。”创造思维的动力是强烈的好奇心，好奇心可以激发人们去发现周围的一切事物的差异，促使人们去思考、去质疑。所有的科学家、发明家都具有强烈的好奇心。爱因斯坦、爱迪生、瓦特、杨振宁、李政道、丁肇中等人正是有强烈的好奇心，才在理论和实践的海洋中不断探索，才使创造性思维能力达到了极高的境地。爱因斯坦说：“思维的发展，在某种意义上就是对惊奇的不断摆脱。”获得诺贝尔物理学奖的丁肇中在一次实验中观察到了粒子喷注现象，从而产生了好奇心，并找到了胶子存在的证据。因此，培养对事物的惊奇感是进行独立创造的重要条件，也是中学生发展创造思维的 “诀窍”。

（五）结合物理学史对学生进行科学思维培养

中学物理教材涉及几十位物理学家的研究成果。这些物理学家在取得伟大成就的过程中所运用的科学研究法和实验构思，为我们提供了各种科学方法、教学素材。结合教学内容介绍物理学史上科学家研究物理问题的科学方法，将这些科学方法作为学生学习的范例，是实施科学思维方法教育的一条重要途径。科学思想的逻辑行程和历史行程对学生学习科学理论、培养科学素质是极为有益的。科学家们并不是一开始就能够“非凡古怪”地思考问题，他们建立“古怪”的科学概念的过程是引人深思的。在这个追根溯源、回顾观念更替的过程中，我们自己和学生的观念也会不知不觉地发生改变，这比直接从概念、定律和公式出发要生动形象得多，而且印象也深刻得多。在物理学史上，几乎每一个新的重大成果都是在方法革新的基础上取得的，而新的重大成果反过来又促进了科学方法的革新发展。

我们的教科书中提供了不少物理学史资料，尤其是一些科学发现的史实，还有很多培养学生物理科学思维素养的资料和素材。例如，光的“波粒二象性”的内容，光的“波粒二象性”的发展历史，要追溯到17世纪出现的那一场关于光的本性的争论，这场争论推动了光学及整个物理学的发展。在这场争论中，人们始终遵循“实验—假设—理论—实验”的方法，基于事实、科学推理，精彩地演绎了“质疑、批判、检验和修正”的大戏，其中的“刀光剑影”一直是物理学史中物理方法与物理观念的璀璨篇章。教师要充分挖掘物理学史中可以培养学生科学思维的资料、素材，组织好教学，以利于学生创新精神的培养和提高。教科书中物理学史的内容有限，教师可以查阅一些资料来补充和丰富教学内容。这些可以为学生体验基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，提高学生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、检验和修正的认识。