指向科学思维发展的初中物理教学实践

摘要

在核心素养发展观下，初中科学以探究实践项目为载体，渗透学科观念、融入科学思维、培养态度责任，而其中的科学思维是形成科学观念、开展探究实践的核心要素，在探究实践中注重学生科学思维的培养是科学教学改革的关键。在初中物理教学中，采取坚持问题模型的建构、实施方案的推理论证、探索活动的创新思维等举措，有助于学生逐步形成适应个人发展和社会发展所需的关键能力。

Graphical abstract

关键词

科学思维 / 初中物理教学 / 压强 / 模型 / 探究实践

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》），立足于中国学生核心素养的培育目标，明确界定科学观念、科学思维、探究实践能力以及态度责任四大核心维度作为其实施框架^［1］。科学思维是从科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，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等^［2］。人类认识世界通常以经验事实为基础，通过科学思维加工，升华到创造性探究实践活动的开展。探究实践往往通过外显的动手操作来表达内隐的科学思维，二者密不可分^［3］。笔者认为，如何开展融入科学思维的真实的探究实践活动，是目前教学实施过程中的重要问题之一。

1 教学实施

学生的探究实践则是通过教师辅助，运用科学思维，探究未知知识或是重历科学家研究的过程。围绕真实情境，教师引导学生迸发出思维的火花来解决问题并实现迁移应用^［4］。目前，思维课堂基本原理分为动机激发、认知冲突、自主建构、自我监控、迁移应用，既存在逻辑顺序，又互相渗透^［5］。以“压强”教学为例，首先要厘清思维课堂基本原理所对应的课堂基本环节，制定相应的任务目标，明晰符合目标的基本要求（表1）。基于此架构指向思维发展的教学设计如图1所示，5个基本环节指向不同的科学思维，需要学生在不同的环节中深化思维深度，凸显思维的批判性和深刻性。

2.1 激发思维动机

创设情境并激趣导入阶段，是思维动机激发的最佳阶段。创设情境吸引学生的注意力，提高其兴趣，使其亲身参与到课堂中；帮助学生获取记忆中的已有知识，将现学知识与已有知识发生联系；通过情境中的认知冲突，诱发学生的思维动机，全身心地投入对问题的思考中。

【过程示意】基于生活真实情境的思维动机激发过程和脚印照片如图2所示，该过程能激发学生对已有知识的回顾，促其产生努力解决问题的渴望。

【设计意图】首先，呈现泥沙现场中的一个脚印的照片，如何通过这个脚印找出这位学生？这一情境十分贴近学生的现实生活，学生的思维被充分调动起来，他们观察照片，调动已有知识，作出合理猜测，给出适当的解决问题的途径。这是一种分析、推理思维的体现，能够根据问题作出完整的假设。从学生提出的3个假设可以看出，他们已经能够确定与足迹相关的物理测量参数，以及这些参数如何对应于识别个体的关键要素，此环节为后续设计环节奠定了兴趣基础。

2.2 认知冲突

该阶段给学生留有足够的思考、设计、调查的时间，教师需要提供材料并对学生加以引导。学生以团队协作方式经历“方案解析—模型建构—搜集证据—论证方案”4个阶段（图3），通过探究建立起科学与数学等学科之间的联系，并在讨论过程中进行思维的交互，最终提高解决问题的综合能力。在该阶段，学生将分析探究行为，并在沟通理解的基础上评估方案的可行性。在这一过程中，学生通过思维交互碰撞，在激辩中完善可行方案、淘汰不可行方案，完成可行性预判，并对风险与误差进行评估。

2.3 自主建构

在分析3个方案的基础上，不断完善方案，并在完善方案的过程中做到：创新性思考并探究如何减小误差、如何选择材料、如何改进实验。比如，在该阶段，学生将通过修改实验方案或设计新的实验，巩固并扩展刚刚学习的科学概念，展开进一步的探究。又如，在方案三中缺少重要概念——压强，通过重要子任务链，学生完成压强概念的学习，同时在应用压强的过程中弥补方案三的不足。

2.4 自我监控

这个阶段是学生反思的过程，其子任务作为载体，可帮助学生逐步建构压强概念。在此过程中，学生在学习中不断反思，在反思中不断质疑，并通过模型建构、推理论证、创新思维的激发完成概念的建构。

（1） 体验压强。

学生将学习视为体验转化与知识创造的过程，这一观点深度契合了《新课标》的理念。教师的主要精力应集中于让学生参与教学过程之中，这样才可以最大限度地改善学生的学习方式。“压强”的体验是以两种方式展开的，从个体体验到全体体验的描述如图4所示。

体验压强作为一个子任务链的第一个任务，是压强概念建构的开始。从个体体验与经验的冲突，发展到全体体验通过切身的感受引发质疑——力的作用效果不仅与力的大小有关，还与受力面积有关。这种体验是个体与环境之间连续不断的交互作用过程，即体验可以促进创新思维的发展。

（2） 定义压强。

压强定义的难点表现为：在使用比值定义法时，需要理解比值背后的物理含义和物理过程，避免将其纯粹地看作数学运算。所以，教师应帮助学生理解地定义压强，运用类比迁移的科学方法，引导学生经历“回顾—迁移—新知”的过程，从而从已知区逐步发展到最近发展区。建构压强概念的路径如图5所示。

压强概念教学是基于理解的教学，且基于速度定义的学习遵循“事实—概括—应用—分析—归纳”的过程，有助于学生得出概念。将此过程类比迁移到压强概念的教学，则描述事实时常常从经验现象出发进行总结概括，但这是类似经验的概括。比如，压力的作用效果大小通过相同受力面积比较压力大小，但在应用过程中遇到复杂情境时，经验类定性判断就无法解决。于是，需要基于原有事实，从作用效果外显和人的思维逻辑出发，确定标准并利用比值定义法定量描述压力作用效果，从而形成压强这一概念。

（3） 探究压强。

当形成压强概念后，学生通过等效替代的方法建立模型，通过“事实—模型—事实”的过程进行探究，如图6所示。学生在建模过程中不断优化模型，进而将真实问题转移到实验室模型中并进行分析。

实验过程：用刻度尺测出脚印的平均深度为1.5 cm；将小钉凳四条腿朝下放在沙土上，再在小钉凳上放上空的一次性杯子（图7），往杯子里逐渐加水，直到小钉凳没入沙土的深度达到1.5 cm为止；测量此时水的质量，计算压力大小；根据脚印面积和压力，计算人对地面的压强；利用台秤称出质量即可求出压力，从而求出人的体重。

在建模过程中，教师应着重于模型思维的发展，将真实问题抽象出实验室模型，并在实验室环境中进行探究，在探究过程中创设实验。在实验过程中，每一个注意点都是学生在思维交互过程中所突破的实验难点，从而确保实验模型的完善，即更接近真实情境。例如：利用水的连续压力变化，可减小误差；而采用等效思想，能完成深度与压力的关联。

（4） 应用压强。

基于学生数据的记录及处理，完成学生体重的估算，最终发现脚印是一位体重为88 kg的学生的，最后锁定了这位学生。

一系列数据的系统性记录与处理如表2所示，教师指导学生运用统计学与数据分析方法，并根据压强相同时受力面积的比值等于压力大小的比值，实现了对学生群体中某一个体体重的估算。具体而言，这一估算过程基于已采集的学生体重数据，运用数学模型得出体重在88 kg的预测值；随后，基于体重估测的精确性进行逆向推理，即在已知体重范围的前提下回溯原始数据，逐一比对各学生的体重记录，最终成功锁定符合该体重特征的学生。这一过程不仅是对数据分析结果的实践验证，也是逻辑推理与数据匹配能力的综合运用，验证了从数据驱动的发现到具体目标锁定这一完整思维链条的准确性。

2.5 迁移应用

回到体验压强时的活动，计算学生坐钉板受到的压强与笔尖对手指的压强。

在探究压强体验活动中，采用了一种实验与计算相结合的方法，旨在量化分析学生坐在钉板与笔尖对手指施加压力时所产生的压强。这一活动不仅是一次实践操作，更是一次深入理解和应用压强原理的契机。在实验过程中，学生仔细记录受力面积、所受压力等数据；接着，运用压强的定义公式进行计算。在计算学生坐在钉板上受到的压强时，学生特别注意到钉板表面细钉的分布密度和形状对受力面积的影响，并进行测算，从而在体验过程中深化了对压强概念的理解，学会了运用科学方法进行量化分析的技能与技巧。

3 结语

聚焦基于科学核心素养发展的探究实践活动发现，探究实践活动对新时代的教师提出了新的、更高的要求，同时明确了思维在探究实践活动中的核心地位；它能有效培养学生的思维和问题解决能力，以及树立科学精神；学生在探究实践活动中体会了科学知识产生的过程，从而在潜移默化中理解了科学的本质。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 陈浩翔.发展模型建构能力的问题链设计［J］.物理教师，2024，45（04）：8-12.

[3] 李晓华.STEAM教育理念下的中小学课程建设：可能、价值与思路［J］.现代基础教育研究，2019，33（01）：58-64.

[4] 陈佩莹.基于“深度学习”理念的物理单元教学设计与实践：以“磁现象”单元教学为例［J］.物理教学，2024，46（01）：42-46.

[5] 李霞.核心素养价值取向的科学教学模式研究［J］.课程·教材·教法，2018，38（05）：99-104.

基金资助

浙江省教研室2022年教研规划课题“新课标视域下初中科学核心概念的教学研究”(G2022027)

杭州市教研室2025年教研规划课题“支架协同：初中科学论证式教学路径的探索”(L2025084)

杭州市教科院2025年规划课题“π型人才：基于工程实践的杭中育人载体设计与实施研究”(2025G022)