核心素养背景下培养高中物理思维方法的策略研究

摘 要：有关学生核心素质的培育与发展，以及培养学生未来社会发展的能力和品质，始终是中国教育教学改革过程中的重心所在。在核心素质背景下，根据高中学生实际进行教育教学也是一线教育者们的重点研究任务，而针对高中物理来讲，在符合核心素质训练特点的基础上更加注重学科思维的培养，进一步优化创新性思维、研究型思维等。文章在核心知识背景下，根据高中物理教学实际，简要阐述了培养高中学生物理思维能力的具体方法，以期为课堂质量及教育品质提供借鉴参考。

关键词：思维培养方法；高中物理；核心素养

中图分类号：G633.7   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2023）11-0132-05

一、 引言

高中阶段物理学科的实践性与理论性明显增强，采用合适的培养策略，有助于学生核心素养及逻辑思维的发展。但是从高中物理课堂中思维能力的培养情况来看，存在一定的问题影响学生科学意识的形成，进而降低教学效率及质量，为此，教师应结合新课标与核心素养培养要求，制定针对性的思维培养策略改善这一情况，进一步发展学生的物理思维能力。

二、 新课程标准下解读高中物理核心素养

物理核心素养可看作该本学科教育价值的综合反映，它是指学习者在经过专业学习过程中所逐渐建立起来的正确价值观念、关键能力和必要品质。高中物理课程所涉及的核心素养主要体现在如下几个方面：

（一）物理观念

有关物理观念，可以从三个方面解读：首先立足物理学视角构建起关于运行、物质等的基础认识；其次在思维层面对物理概念的总结；最后是基于物理学科视角解决现实问题、解释自然现象的基础前提。

（二）科学思维

首先，科学思维从学科观点入手，是对某一客观事物的存在原理、本质属性，及双方之间相互作用的一种理解方法；其次，根据经验事实构建相关物理模式的一种方法；再次，研究社会科学过程中推理实证与研究结果等手段的具体运用；最后，从研究推理和事实证明入手，检验纠正对概念和结果的批判、怀疑，进而提出创新思想的品格。

（三）科学探究

通过观察与实验的方法找出问题、进行猜想假设、设计物理实验方案、收集整合信息、提供结论并解释，评估交流科学探究过程及所得结果的综合能力。

（四）科学态度与责任

指的是在了解科学实质，掌握科学、社会、技术和环境四者内在关系的前提下，逐步产生探索自然的驱动力，用事实说话、严谨认真的科学态度，保护自然环境与遵守社会道德规范的责任感。主要包括科学态度、科学本质等。

三、 核心素养背景下物理教学的关键步骤

（一）引导学生自主学习

学生在自主学习模式下，可以积极参与、大胆实践，对其信息搜集以及处理能力加以培养，在锻炼自学能力的同时提高对问题的分析、解决能力。

（二）引导学生提出问题

教学过程可以视为问题的解决过程，课堂教学前要求教师把握需要处理的问题。教师唯有明确，才能指导学生更好地解决问题。以物理习题课为例，学生的问题获取路径如下：学生方面，曾经做过或典型的易错试题；教师经验方面，主要是指经典例题、实验演示等。

（三）组织小组合作讨论

基于教育教学改革的不断深入，合作讨论是突出学生主体性的重要一环，通过合作有利于构建更加自由民主的课堂环境，提高学生课堂参与的积极性。以这种形式在此过程中对物理知识加以构建，使学生获得独立探索和解决问题的时机。

四、 核心素养背景下高中物理思维方法培养策略

（一）建模思想

在高中物理课堂，教师应重视学生的知识学习过程，做好具体问题情境的创设，从而引导学生顺利进行模型建构，培养建模思想。实际上模型建构可被视为在现象中提炼能够描绘这一现象的参数或是元素，发现参数或者是元素间存在的联系，建立能够正确描述以及解释这种现象的模型的过程。

第一，以极限思想为抓手，引导学生建立物理模型。极限思想指的是基于极限概念剖析、解决问题的数学思想。通常情况下，运用极限思想处理问题的流程如下：首先，构建和未知量有关的一个变量；其次，明确利用无限变化所获得结果就是需要获知的未知量，由此利用极限计算的形式获得所需结果。以某道选择题为例对其展开简要分析：如图1所示，在真空环境中一个以a为半径的均匀带电圆环，已知其带电量是Q（Q>0），下式中表达圆环轴线上离圆心O距离是x的P点电场强度最合适的模型为（  ）

A. E=kQx（x+a）32     B. E=kQx（x2+a2）32

C. E=kQ（x2+a2）32D. E=kQ（x2+a2）

针对高中生而言，利用微元法和对称性相结合方法求解难度偏大。为此，依据学生现有知识经验，通过下面的问题链为学生建立学习框架：（1）点电荷的基本概念；（2）怎样计算点电荷所产生电场的场强；（3）问题中的带点圆环可以视为点电荷的哪一条件；（4）将相关条件代入各选项后，结合计算结果选出你认为最合适的一项。问题链中的第一个小问是带领学生重新温习关于点电荷的相关概念，旨在为问题情境中将电荷模型抽象出来奠定基础，第二个小问是让学生回顾电荷模型关于场强分布的规律，从而为利用规律解题提供基础，第三个小问引导学生将x>a的条件代入问题给的四个选项，通过计算并运用模型看哪个结果和E=kQx2相同，通过排除法选出正确选项。

第二，以类比法为基础，引导学生构建物理模型。以某一例题为例进行分析：如图2所示，有内表面为弧形而且十分光滑的一个碗，已知容器半径为R，当从内壁的某个地方静止释放半径为r的一颗圆球（R>r），计算其滑落到碗底所用的时间。

因为小圆球不是匀速圆周运动，所以缺少现成公式，应通过单摆模型求解。在模式形成之前，我们可以通过提出下列问题链建立一个框架：（1）运动期间的小圆球受到的力的作用有哪些；（2）类比两者受力情况，分析小圆球做何种运动以及运动的必备条件；（3）结合单摆周期公式，尝试类比列出小圆球做简谐运动的周期表达式；（4）小圆球由静止滑到碗底用时多久。所以第一小问要研究小圆球的受力状态，并引导其通过受力和动作之间的内在联系，研究小圆球所完成的动作，而第二小问引导其通过小圆球受力状态对比单摆细胞形受力状态，将二者的动作加以对比，并由此确定在幅度较小状态下小圆球所做的往复运动是否为简谐运动，第二个小问则是通过其所掌握的单摆时间方程，并利用类比方法确定简谐运动表达式T=R-rg，第四小问则是让学生根据具体情况估算小圆球从静止到滑落碗底所需要的时间，即t=T4。以上案例都是在知识点迁移与应用环节训练学生的建模思维，而通过运用极限思维与类比法进行物理模型的构建，更能够培养学生的建模能力。

（二）探究意识

教师应运用好实验教学环节，学生可以通过对整个物理实验的亲身经历，培养其探究意识。接下来，以“探究摩擦力的影响因素”为例，对具体的培养步骤进行分析。

第一，自主学习。利用课堂微视频，带领学生简单总结在初中时已掌握的摩擦力基础知识。提炼出单元核心知识，并根据相关知识开展自主学习，自由猜想摩擦力的影响因子是什么。

第二，问题提出。下发实验所需材料并据此设计问题：（1）为何有能够推动和无法推动的现象产生；（2）木板条件相同时，小车模型为何在毛巾以及棉花上产生不同的位移距离；（3）对摩擦力产生差异的原因是什么，尝试进行摩擦力的研究分析。然后指导学生在完成实验后归纳总结，对摩擦力影响的主要因素有表面粗糙程度以及正压力。

第三，进行实验。首先，小组讨论。由学生根据实验方法进行小组间的交换探讨，制定本组实验方案并进行全班示范，阐述本组设计方法的基本原理，最后教师对实验方案分析评价，从中选择最合理的实验方案。各组的实验物品有一样的小车、斜面各三个，不一样规格的砝码两个，一样的木板、棉布以及毛巾各有三个，利用设计方案实验。如图3所示，学生利用上述实验设备开展实验，教师可参与其中。其次，展示小组实验成果。从表1中可以看出在正压力相同的条件下，接触面越粗糙会导致摩擦力越大，相反的接触表面若是越光滑会则致使摩擦力减小；从表2中能够发现接触面粗糙程度相同的情况下，摩擦力会随着正压力的增大而增大，并伴随其减小而减小。最后，提出实验结论。

（三）论证思维

基于建构主义视角，可以把学习视为在新的条件下重新构建认知结构，至于获取知识则是将新知识与旧知识整合的过程，教师为此应提供学习支架，组织学生依据已形成的知识结构，通过科学论证形式掌握心理上新条件与新知识的联系，这样在新知识获取期间，掌握进行科学论证的程序并且锻炼论证思维能力。文章以“单摆”课例片段为例进行具体分析。

第一，简约化的设问引证。这一环节设问的目的在于，辅助学生尽快进入论证步骤，问题设计的形式必须收敛，通过简化降低构建难度，确定论证整体走向。比如，教师可以设计这样一个问题：单摆的摆动符合振动的运动形式，摆角很小时的振动是否属于简谐运动，尝试列举你的观点或主张。这种问题给出的答案不过是赞成或者不赞同。通常学生是顺应问题提出正向主张，也就是其属于简谐运动，但学生的主张无论是哪一种均能作为后续科学论证的铺垫。

第二，近因化的诱思寻证。因为拥有多种证据寻证方式比，而且思路相对发散，所以教师可以采用近因效应，诱导学生结合简谐运动的基本特征，探寻支持自己主张所需的证据。比如，教师可以提出以下两个问题：一是列举简谐运动的相关特征；二是能否从相应的特征中尝试探寻这种关键的支撑证据。学生在问题引导下，受到问题指向的回复力表达式以及振动x-t图像的影响，得出以下两组证据，证据1：结合单摆实验，能够发现其振动x-t图像类似正弦函数曲线；证据2：运动存在让单摆回归至平衡点的回复力，而且和位移方向相反。

第三，生本化的演绎推理。有关理论推理，具体是指通过所学知识对未知规律进行探索的方式，即应将学生作为主体并结合其最近发展区，活跃学生的学习思维，能够在互动交流中进行科学论证的推理，在强化问题理解的基础上感受物理魅力，待证据被找到后提出问题：能否通过自己找到的证据，通过逻辑推理方法提出支持主张的原因。有的小组通过单摆x-t图像、正弦函数曲线在计算机帮助下进行比对，发现两种图像接近重合能说明x-t图像为正弦函数图像，因此能够证明其是简谐运动。而有的小组则是陷入困境，由于推理过程需要较高的数学能力，因此教师可以组织全体学生攻克难关，即解决支持单摆回复力的力是何种力。学生给出的观点主要有以下三种：（1）提供的力为重力之分力。由于其让单摆具有切向加速度，使其由静止开始运动而且指向平衡位置；（2）不赞同观点（1），这是由于其无法和位移重合，自然无法满足简谐运动发生的条件；（3）结合实验现象，x-t图像可以视为在竖直方向投影上的摆球运动图像，在水平方向上单摆做简谐运动，由此提供的力是拉力之分力。学生提出的三个观点中支持率最大的是观点（3），为此教师可以以其为主线和学生一起推理分析，具体过程如下：在图4中，假设最大的摆动偏角是θ0，当其摆动到偏角θ1的点P位置，这时摆球速度是v，已知线绳拉力是F拉，和平衡位置之间的水平位移距离是x，通过机械能守恒可知mg（lcosθ1-lcosθ0）=12mv2，结合牛顿第二定律F拉-mgcosθ1=mv2l，依据观点（3）可知F回=-F拉sinθ1，即F回=-3mgcosθ1sinθ1+2mgcosθ0sinθ1，将式子化简为正弦函数，通过cosθ=1-2sinθ22，可得F回=-mgsinθ1+6mgsinθ12sinθ122-4mgsinθ12sinθ022。很多学生认可这种结果而怀疑提出的观点，因为多数情况是精确化计算而没有形成近似意识，所以应该把握时机帮助学生突破思维局限，为此教师可以提出一个任务，即计算θ0=5°并且恰巧摆至最大的摆角位置时各项回复力精确值，然后结合对摆角很小的理解将回复力表达式化简F回=-mgsinθ1，此时持有第一种观点和第三种观点的学生能够相互理解，即小角度情况下，重力切向分力和拉力水平分力相近。而持有第二种观点的学生，在教师指导下自己推理阐释理由：因为F回=-mgsinθ1，sinθ1=xl，所以F回=-kx 能够证明单摆在小角度条件下于水平方向进行简谐运动。