一、科学思维的培养途径

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，这就需要具备科学思维。科学思维是物理核心素养的重要内容之一，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，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。

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，还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并还原模型，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”。

（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。

1.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。

2.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的规律问题。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。

3.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、解释和预测的能力和建立证据与解释（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？

（四）引导质疑创新(www.daowen.com)

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做了预先的规定。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。教师在教学中应培养学生的批判性思维，引导学生从不同角度思考问题，基于一些证据大胆质疑，根据一些需求追求创新。

二、物理课堂培养学生科学思维能力的常用策略

目前，物理教学非常重视实验探究，但在培养学生科学思维方面做得还很不够。虽然在这方面不用对学生提出太高要求，但作为物理教师还是应该在教学过程中穿插一些提升学生思辨力的教学环节，为之后的课程衔接以及学生的终身发展打下良好基础，这样不仅能让教学过程更加流畅，也有助于提升学生的思维品质。

（一）科学推理：事实和猜想之间的桥梁

物理新课常以一些与新课内容相关的生活现象、小实验、小魔术等引入，一方面可以引起学生兴趣，另一方面也为后续教学做铺垫，应该说非常有效且实用。但在实际教学中，教师往往会在挑选引入的小实验上动足脑筋，反而忽视了如何从引入过渡到后续的教学。如果教师能在教学过程中精心设计一个发展学生科学推理能力的过渡环节，既不会花太多时间，也能让学生更明确接下来要做什么，有利于让“引入”环节更好地为教学服务，也有利于学生思维的发展。

例如，在“光的折射”教学中，有许多生活中的现象或小实验都与本节内容息息相关，其实这些现象和实验都可以作为本课的引入。与其绞尽脑汁地思考到底选择哪个引入才能引起学生的兴趣、吸引学生的眼球，还不如踏踏实实地选择一个实验，想想怎样才能让它更好地为后续教学服务。例如，在引入这节新课时用这样一个实验：在一次性纸杯底部中心区域，用红色记号笔画一个直径约为5毫米的圆点，然后将杯子放到实物投影仪摄像头的下方（摄像头不要正对底座，而应偏转一定角度），将杯子放置在摄像头可以拍到红点的位置，让学生在投影幕上看到红点，然后将杯子向摄像头偏转的方向慢慢移动，直到学生正好看不到红点为止。此时教师提问：“你们能用前面学习的知识解释一下为什么我们看不到那个红点了吗？”多数学生思考后都能答出：“是因为光在均匀介质中沿直线传播，红点发（反射）出的光被杯子的上边缘挡住了，所以我们看不到红点了。”接着教师慢慢往杯子里倒入清水，在没有移动杯子位置和调节摄像头角度的前提下，同学们惊奇地发现：不一会儿红点又重新出现在投影屏幕上了。此时教师引导：“刚才是由于光的直线传播导致我们看不到红点了，但当我在杯子内加入一些水后，我们又再次看到了红点，根据这种现象大家能得出什么猜想呢？”这样，“光从水中传播到空气中很可能不沿直线传播”的猜想很容易就得到了，接下来就是讨论光往哪偏折、设计实验验证、探究光的折射特点等一系列流程了，这样既符合学生的认知特点和规律，也锻炼了学生的科学推理能力。

（二）质疑思辨：深化概念理解，实现自主构建

物理概念是物理学的基础，也是中学物理教学的重点和难点。优化物理概念教学是中学物理教学成功的关键，学习物理概念不能靠死记硬背，否则就不能真正理解、灵活运用。比值法是定义物理概念的常用方法之一，如果能够让学生从概念建构中提炼出比值法，理解比值法的思想，并能用比值法定义概念，那么学生的学习就得到了真正的内化，并能提升科学素养，形成物理学科文化。

例如，在“速度”概念建构教学中，当学生了解了“相同路程比时间”和“相同时间比路程”这两种方法后，教师都会给出两组数据并请学生分析：“从我家到学校的距离约为4千米，我开车上班所需要的时间大概是10分钟；而从我家到市区的距离大约是20千米，我开车过去大约需要40分钟，请问我去哪里的车速更快些？”

由于学生在数学学习的过程中早已接触过“速度”的相关计算，于是他们很快就能算出来：第一次的速度是0.4千米/分钟，第二次的速度是0.5千米/分钟，所以第二次比第一次快。教师接着追问：“那为什么你们会觉得0.5千米/分钟的速度比0.4千米/分钟的速度快呢？”经过思考，有一部分同学能够回答出：“0.5千米/分钟表示汽车每分钟行驶了0.5千米，而0.4千米/分钟表示汽车每分钟行驶了0.4千米，所以第二次比第一次开得快。”教师再反问：“你们都是用路程与时间的比值来比较物体运动快慢的，那如果我用时间与路程的比值就不能比较出物体运动的快慢了吗？”

听到这个问题，大多数学生都愣住了，只有少部分学生用很不确定的语气说道：“这样也行？”于是教师鼓励大家用这种方法也计算一下，看看用这种方法计算出的两个比值能否比较出物体运动的快慢，学生计算后得出：两次的比值分别是2.5分钟/千米和2分钟/千米，然后让学生尝试着用前面的方法描述一下这两组数据的物理意义：行驶1000米的路程用时2.5分钟和行驶1000米的路程用时2分钟，讲到这里当然就很容易比较出哪次运动得快了。

这时学生七嘴八舌的讨论中夹杂着惊异的对话：“咦，怎么比值越小的那组数据反而表示物体运动得越快了呢？”教师适时引导补充：“考虑到‘比值越小表示物体运动得越快’这种思维不太符合我们的常规认知逻辑，所以物理学上选择了用‘路程与时间的比值’来描述物体运动的快慢，叫作速度，这样大家都明白这个公式的由来了吧？”

初中阶段用比值法定义的物理量还有密度、压强、功率、比热容、热值等。“速度”这一概念虽然在前面的数学学习中已经接触到了，但当时学生只是被简单地告知有这一公式，然后进行计算，他们并不了解这个定义的来龙去脉，但如果在教学过程中多花个三五分钟，让学生多进行一些比较、讨论和思辨，不仅有助于他们对物理量的定义和物理意义的理解，也会对后续比值法定义的学习有良好的促进作用。

（三）摸索自悟：在交流探讨中实现合作式自主学习

基本测量工具的使用是初中物理教学中的重要内容，学会正确使用测量工具不仅是课程标准的要求和中考考点，也是完成实验探究的基础和保证。由于课本上描述器材使用的相关文字类似于一份说明书，所以许多教师在处理这部分教学内容的时候大多采用“教师直接讲授”或“学生自学”两种方法，笔者并非认为这两种方法不可行，但如果我们能够设计一个让学生观察、摸索、讨论、自悟的教学环节，不仅能够加深他们对测量工具的了解，还能将一个看似并不重要的环节加以深化和拓展，让学生在学习知识的同时发展思维。

在电流表使用的教学中，常听到学生类似的对话：“电流表有三个接头，那该怎么连到电路里去呢？”“多简单呀，黑的接头肯定要用的，然后两个红的接头里面选一个呗！”由此可见，学生在进入课堂的时候并不是一张白纸，他们已有自己的想法和认知，因此，教师能否在教学中充分发挥学生的主观能动作用，让他们自行观察电流表的结构特点，然后由学生提出自己的想法或疑问，再由教师引导学生一起讨论、思辨、尝试，最后自己总结出电流表的使用方法及注意事项呢？经统计，学生对于如何使用电流表大概存在以下几个问题：电流表的指针没有指在零刻度怎么办？电流表上为什么有三个接线柱，该如何选择？电流表的表盘上为什么有两排示数，为什么还有负数？电流表该与被测用电器串联还是并联？把这几个问题解决后，学生也就学会如何正确使用电流表了。

在教学实施过程中，如果教师在课前故意把几个小组电流表的指针调到指向非零刻度的位置，学生在观察电流表时都会发现这个情况，自然就引出了“校零”的问题。接下来由学生在摸索中提出并讨论解决以下一系列问题：（1）电流表有三个接线柱，如果将电流表接入电路只需要两个接线柱，那应该怎么选择？（2）实际测量过程中不知道被测电流的大小，你觉得该如何在两个正接线柱中做出选择？（可以给出两个不同的电流值，让学生选择合适的接线柱并说出理由）（3）为什么你觉得用小量程电流表测出来的数据会更准确呢？（4）选择不同量程时，电流表的分度值各是多少？在经过一系列讨论后，同学们基本能达成共识，大家在摸索和自悟中也能够理解并掌握电流表的使用方法，这样的学习方式很活泼，学生也比较感兴趣，教学效果良好。

物理核心素养包含的方面很多，培养学生的物理核心素养也不可能一蹴而就，这需要教师在平时的教学过程中始终将学科教学理念贯穿于教学的每个环节。在物理教学高度重视实验的大环境下，教师更不应该忘记对学生科学思维能力的培养。实验设计、数据分析、查找错误等环节都是需要学生思考辨析的，如果说实验是外在的形体，那科学思维能力便是内在的灵魂。教师在实际教学中，不妨让教学过程“复杂”一点，让学生在思辨中悟理，让我们物理教学更好地为培养学生的核心素养而服务。