科学思维的培养途径
科学思维的培养途径 摘要：科学思维指的是人脑对客观事物形成清晰的图景， 并反复加工、去粗取精，把感性认识概括上升为理性认识的 间接认识过程。它是物理核心素养的重要内容之一。科学思 维的培养途径有：重视模型建构；注重科学推理(包括归纳 推理、演绎推理和类比推理)；
强化科学论证(包括实验论证 和理论论证)；
引导质疑创新。
科学思维指的是人脑对客观事物（包括所观察的对象、 过程、事实、现象等）形成清晰的图景，并反复加工、去粗 取精，把感性认识概括上升为理性认识的间接认识过程。科 学研究的任务在于探求客观世界的一般化本质，以认识客观 世界的联系性(主要是因果性)规律；
在科学研究中，运用感 性方法只能获得关于客观事物的事实或现象的描述，运用理 性方法才能实现从感性认识向理性认识的飞跃，进一步认识 事物的本质和规律——这就需要科学思维。
科学思维是物理核心素养的重要内容之一。它是从物理 学视角对客观事物的本质属性、内在规律以及相互关系的认 识方式；
是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；
是 分析综合、推理论证等方法的内化；
也是基于事实证据和科 学推理对不同的观点和结论提出质疑、批判、检验和修正， 进而提出创造性见解的能力与品质。因此，它主要包括模型 建构、科学推理、科学论证、质疑创新等基本要素，而它的 培养也可以从这几个方面入手。一、重视模型建构 模型建构是一种重要的科学思维，它既是一种思维过程， 也是一种思维方法，其实质就是将隐藏在复杂物理情境中的 研究对象或过程进行简化、抽象、类比、概括，从而揭示客 观事物的本质与规律。普通高中物理课程标准修订稿对于模 型建构的要求是：具有建构理想模型的意识和能力，能够根 据研究问题和情境，在一定条件下对客观事物进行抽象和概 括，构建易于研究的、能够从主要方面反映事物本质特征和 共同属性的理想模型和概念。
例如，质点是高中物理中最简单、最重要的模型，它是 对有形状、体积、质量等的物体进行高度抽象，忽略形状、 体积等因素，仅抓住质量这个重要属性，经过抽象得到的一 个能够代替物体的有质量的点。在研究太阳系中行星的运动 时，尽管有的行星比地球要大得多，但是仍然可以把它当作 一个质点来看待，以便于研究它运动的轨迹和规律。教学中， 要让学生了解建立质点模型的抽象方法，通过讨论知道物体 在特定情境下能够抽象为质点，进而掌握建立质点模型的条 件。高中物理中的理想模型还有匀变速直线运动、平抛运动、 匀速圆周运动、光的本性、理想气体模型、原子核模型、大 爆炸宇宙论的模型等。
其实，物理学描述的就是关于客观世界的模型，其基本 思想方法是用模型来描述现实，用数学来表达模型，用实验 来检验模型，用模型的规律来解决实际问题。理想模型源于现实，又高于现实，它与客观世界中的事物是近似的。所以， 模型建构的训练不仅要帮助学生学会理想化思维的方法，体 会建构物理模型的意义，而且要帮助学生了解模型建构的方 法，学会在具体情境中建构物理模型以及还原模型，利用所 建构的模型分析物理问题，获得结论并加以解释。著名物理 学家薛定谔曾说过：“解决物理问题的过程，某种程度上就 是建立一个物理模型的过程。”利用模型思维解题的基本步 骤可以概括为“文本→情境→模型→规律→抉择→运算→讨 论”。
例1在某中学举办的智力竞赛中，有一个叫作“保护鸡 蛋”的竞赛项目。要求制作一个装置，让鸡蛋从两层楼的高 度落到地面且不被摔坏。如果没有保护，鸡蛋最多只能从0.1 m的高度落到地面而不被摔坏。有一位同学设计了如图1所示 的装置来保护鸡蛋：用A、B两块较粗糙的夹板夹住鸡蛋，A 夹板和B夹板与鸡蛋之间的滑动摩擦力均为鸡蛋重力的5倍。
现将该装置从距地面4 m的高处落下。设装置着地时间很短 且保持竖直不被弹起，取重力加速度g=10 m/s2，不考虑空 气阻力。
(1)如果没有保护装置，鸡蛋直接撞击地面而不被摔坏 的速度最大不能超过多少？ (2)如果使用保护装置，鸡蛋夹放的位置到装置下端的 距离x至少为多少？ 对于动力学问题，一般是从受力分析确定运动情况，找到对应的运动模型，再应用对应的规律解题。本题中，没有 保护装置时，因为不考虑空气阻力，视为只受重力作用，鸡 蛋的运动是熟悉的自由落体运动模型。而有保护装置时，装 置未落地前，同样地，鸡蛋同装置一起做自由落体运动；
装 置落地后，由于摩擦力大于重力，鸡蛋的运动可看成匀减速 运动模型。由此，可以得到如下解法：
(1)鸡蛋做自由落体运动时，v2＝2gh。将h=0.1 m代入， 解得v＝2 m/s。
(2)设该装置即将落地时的速度为v0，则v20＝2gH。将H ＝4 m代入，解得v0＝45 m/s。
设鸡蛋沿装置下滑时的加速度为a，则－2f＋mg＝ma。
将f＝5mg代入，解得a＝－90 m/s2。
因为鸡蛋落地不破碎，所以v末≥v，因此2axmax＝v2－ v20。代入数据，解得x＝1330 m。
二、注重科学推理 推理是思维的基本形式。推理能力是指结合给定的情境， 利用已有的知识和方法，针对问题进行有根据（逻辑）的推 断，得出正确结论的能力。推理能力是衡量个体思维能力高 低的重要标志，实践表明，没有推理能力的支撑，通过重复 记忆而获得的知识容易被遗忘。科学推理包括归纳推理、演 绎推理和类比推理。
（一）归纳推理 归纳推理是从个别(特殊)事物到普遍(一般)事物的逻辑推理方法。归纳推理的方法有两种：完全归纳法和不完全 归纳法。物理学中使用的归纳法大多是不完全归纳法，大多 数概念的形成、规律的建立都运用了实验归纳法，即根据日 常生活经验、观察到的实验现象、前人的实验结果等进行定 性分析，做出初步猜想，运用控制变量法进行定量探究，得 出实验数据，经过归纳推理和必要的数学处理得出结论。如 教材中“牛顿第二定律”的建立就是典型的实例。而在物理 解题中这样的例子也比比皆是。
例2如图2所示，A为位于一定高度处的质量为m、带电荷 量为+q的小球，B为位于水平地面上的质量为M的用特殊材料 制成的长方形空心盒子，且M=2m，盒子与地面之间的动摩擦 因数μ=0.2，盒内存在竖直向上的匀强电场，场强大小 E=2mgq，盒外没有电场。盒子的上表面开有一系列略大于小 球的小孔，孔间距满足一定的关系，使得小球A在进出盒子 的过程中始终不与盒子接触。在小球A以1 m/s的速度从孔1 进入盒子的瞬间，盒子B恰以v1=6 m/s的速度向右滑行。设 盒子通过电场对小球A施加的作用力与小球A通过电场对盒 子施加的作用力大小相等、方向相反，盒子足够长，小球A 恰能顺次从各个小孔进出盒子，并取重力加速度g=10 m/s2。
试求：
（1）小球A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历 的时间；
（2）盒子上至少要开多少个小孔，才能保证小球A始终不与盒子接触；
（3）从小球A第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中 盒子通过的总路程。
本题中涉及的相互联系的过程较多，过程具有一定的重 复性和规律性。因此，可以先分析一次作用的情况，得出结 论；
再根据多次作用的重复性和共同点进行归纳推理，得到 一般结论。具体解法如下：
（1）A在盒子内运动时，qE－mg=ma，所以a＝g，所以 时间t1=2va=0.2 s。又A在盒子外运动的时间t2=2vg=0.2 s， 所以A从第一次进入盒子到第二次进入盒子所经历的时间 T=t1+t2=0.4 s。
（2）A在盒子内运动时，盒子的加速度a1=μ(Mg+qE)M=4 m/s2；
A在盒子外运动时，盒子的加速度a2=μMgM=2 m/s2。
所以，A运动一个周期，盒子减少的速度Δv=a1t1+a2t2=1.2 m/s，从A第一次进入盒子到盒子停下，A运动的周期数n=v1 Δv=61.2=5。因此，要保证A始终不与盒子相碰，盒子上的 小孔数至少为2n+1个，即11个。
（3）A第一次在盒内运动的过程中，盒子前进的距离 x1=v1t1－12a1t21=1.12 m。A第一次从盒子出来时，盒子的 速度v2=v1－a1t1=5.2 m/s；
A第一次在盒外运动的过程中， 盒子前进的距离x2=v2t2－12a2t22=1 m。A第二次进入盒子 时，盒子的速度v3=v2－a2t2=4.8 m/s；
A第二次在盒子内运 动的过程中，盒子前进的距离x3=v3t1－12a1t21=0.88 m。A第二次从盒子出来时，盒子的速度v4=v3－a1t1=4 m/s；
A第 二次在盒外运动的过程中，盒子前进的距离x4=v4t2－ 12a2t22=0.76 m。
分析上述各组数据可知，盒子在每个周期内通过的距离 为一等差数列，公差d＝0.12 m。而且，当盒子停下时，A恰 要进入盒内，最后0.2 s内盒子通过的路程为0.04 m。所以 从A第一次进入盒子至盒子停止运动的过程中，盒子通过的 总路程s=n(x1+x10)2=10×(1.12+0.04)2 m=5.8 m。
（二）演绎推理 演绎推理是从普遍(一般)事物到个别(特殊)事物的逻 辑推理方法。我们比较熟悉的演绎推理结构形式是由大前提、 小前提和结论组成的三段论式。例如，能产生干涉和衍射现 象的物质是波（大前提），光能产生干涉和衍射现象（小前 提），所以光是一种波（结论）。在物理学的长期发展过程 中，演绎推理是非常重要的物理方法。
比如，伽利略利用演绎推理纠正了亚里士多德“物体越 重下落越快”的谬误，解决了自由落体运动规律问题。伽利 略设想将一个重物与一个轻物绑在一起同时下落。按照亚里 士多德的理论，重的物体由于轻的物体的“拖累”，下降速 度应该比单独下落时小；
但是从另外一个角度看，重的物体 与轻的物体绑在一起后比原来更重，因此下降速度应该比单 独下落时大。这样，由一个大前提推理得出了两个互相矛盾 的结论，这只能说明该大前提是有问题的，而合理的大前提只能是重物与轻物下落得一样快。
又如，有人根据万有引力理论和太阳系已知的恒星、行 星计算得出天王星的轨道，发现它与长期天文观测得到的天 王星的轨道有偏离，于是猜想有一颗未知的行星在干扰天王 星的运动。当人们通过观测无法发现这颗未知的行星时，亚 当斯和勒维烈分别进一步根据万有引力理论计算得出这颗 未知行星的轨道，从而帮助天文学家加勒在指定位置观察到 了这颗未知行星——海王星。
（三）类比推理 类比推理是根据两个或两类对象有部分属性相同，从而 推出它们的其他属性也相同的推理方法。它可以看成一种从 特殊到特殊的非完整的逻辑推理过程，且所获得的结论具有 或然性，不一定可靠。但是，类比推理运用的范围却十分广 泛，对于学生理解知识、解决问题的帮助十分巨大。实际上， 物理模型建构的过程，也是由物理现象推向物理模型的类比 推理。另外，通过对物理问题中存在的各种现象模型或问题 模型的匹配、识别，进行模拟类比推理，把已知的、熟悉的 现象模型或问题模型的相关知识、属性、特征、公式、解法 推广到当前解题过程中来，可以促成物理问题的解决。
比如，库仑在研究静电力时，把它跟万有引力进行类比， 确立了平方反比关系的猜想，再用扭秤精确地测量静电力与 距离之间的关系，发现了用平方反比表示时其指数偏差约为 0.04。也就是说，在类比推理思想的指引下，结合实验误差分析，库仑推断静电力与距离之间服从平方反比关系，从而 建立了库仑定律。
又如，惠更斯将光与声两类现象进行了对比，在证明它 们都具有直线传播以及反射、折射等共同属性的基础上，根 据声的本质是由物体的振动所产生的一种波动，推断光的本 质也是一种波动，从而创立了光的波动说。
三、强化科学论证 科学论证要求学生具有使用科学证据的意识以及评估 科学证据的能力，运用证据对研究问题进行描述、解释和预 测的能力以及建立证据与解释（预测）之间关系的能力。其 中的证据主要包括实验和理论两个方面。科学论证可以帮助 学生转变科学概念，建构科学知识，提升认识水平，发展探 究能力、判断能力和交流能力等。
在教学中，当学生做出猜想、假设时，教师一定要让学 生陈述支持的证据，促使学生运用以前的知识经验对猜想、 假设做出解释，以体现猜想、假说的真正价值。教师可以追 问：有哪些证据可以支持你的这个观点或结论？可以做什么 样的实验来验证你的观点？可以用什么样的理论来解释你 的结论？如果观点是对的，会有什么现象发生？如果你的结 论是对的，会有什么推论产生？ 比如，伽利略利用理想斜面实验否定了亚里士多德的 “力是维持物体运动的原因”的观点，揭示了物体运动的重 要性质——惯性。教学中，教师可以追问：伽利略的观点能否经受实验的检验呢？然后引导学生利用气垫导轨实验来 验证：如图3所示，安装好实验装置后，调节h的大小，分别 测出物体运动的加速度a；
在a-h坐标中描点，画出a与h的关 系图线，如图4所示。图线表明，物体的加速度a与斜面高度 h成正比；
利用外推法，当h=0时a=0，即导轨水平时物体（无 外力作用）保持匀速直线运动。
又如，教完“力与运动”内容后，教师可以描述这样一 个故事情境：“早年，一名飞行员驾着飞机在空中水平匀速 飞行，飞机座舱的上部是开放的，空中经常出现地面射出的 流弹，有一次，飞行员感觉脸上有一只虫子，抓过来一看， 竟是一颗步枪子弹！”由此提出问题：从物理原理上看，这 种情境可能发生吗？请说出你的结论，并根据子弹和飞行员 的相对运动关系论证你的结论。然后引导学生思考：步枪打 飞机时子弹的运动比较复杂，对于复杂的运动，思维的方法 是化曲为直，即从水平方向和竖直方向对子弹的运动进行分 析。上述情境最有可能发生的条件是，子弹和飞行员的水平 速度相等，在水平方向上没有相对运动。假设如此，那么在 竖直方向上，子弹相对飞行员做竖直上抛运动。在这种情况 下，上述情境最有可能发生的条件是，子弹在最高点处（速 度为零时）恰好接触到飞行员的脸。假设如此，那么此后， 子弹相对飞行员做自由落体运动。而一般人脸的高度大约是 10 cm，根据自由落体运动的位移公式h=12gt2，可得子弹下 落10 cm需要的时间t＝0.14 s。要在这么短的时间内完成抓住子弹的动作，超出了一般人反应时间的极限，是不可能做 到的。综上，这种情境不太可能发生。
四、引导质疑创新 人在认识事物时头脑中已有的知识储备、理论思想、价 值观念等对人的观察范围和思考方向作了预先的规定。一旦 知识背景或思想观念发生了转换，就会使视野和思路发生深 刻的变化，就能观察到从前“视而不见”“充耳不闻”的东 西，设想出从前没有想到过的东西。这就意味着一种质疑创 新。教学中，应培养学生的批判性思维，引导学生从不同角 度发散思考问题，基于一些证据大胆质疑，根据一些需求追 求创新。
比如，教学“楞次定律”时，很多教师都是利用图5所 示的实验装置来引导学生探究，最后归纳得出楞次定律的。
这样的实验有一个缺陷：看不到线圈中电流的方向，只能根 据线圈外示意的电线绕向和电流计指针的偏转方向分析得 出电流的方向。于是，有教师引导学生做了这样的改进：用 细线吊一只铝环，先用条形磁铁的一端去靠近或远离铝环， 观察铝环的运动，分析出铝环中感应电流的方向，再换用磁 铁的另一端去靠近或远离铝环，也分析出铝环中感应电流的 方向，然后总结感应电流的方向遵循的规律，最后归纳出楞 次定律。改进后的实验结构更简单，现象更直观，没有电流 表，铝环的运动可以直接观察到；
通过分析铝环的运动得出 电流的方向，比原实验中电流方向的确定，在思维上更简单。总的来看，要培养学生的科学思维，就要克服将知识“大 餐”端上来而不讲烹饪方法的倾向，不断给学生以点点滴滴 的思维启迪，让学生搞清物理概念、定律等的来源、思路、 建立过程、建立方法及物理意义，并关注概念、定律等之间 的内在联系和面临的新的问题。