怎样培养学生的科学抽象能力

收稿日期：2023-10-15

作者简介：汪延茂（1944-），男，中学物理特级教师，主要从事中学物理教学研究。

摘   要：培养学生科学抽象能力是各门学科教学的共同任务，通过史实和事例来说明在物理教学中“创设物理情境，学好语文和数学，培养学生的鉴别与概括能力”十分重要，进而阐明培养和训练学生科学抽象能力的三条途径，分别为“创设物理情境”“学好语文和数学”以及“培养鉴别与概括能力”。

关键词：物理情境；语言与词汇；鉴别与概括

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0011-3

“科学抽象”既是人类智慧的表现，也是核心素养中创造能力的显示，同时还是获取知识的重要方法，几乎所有的概念都是从科学抽象中来的。

因此，培养学生科学抽象能力是各门学科教学的共同任务，物理学科自然也不例外。在《义务教育物理课程标准（2022年版）》中也明确提出建构物理模型的抽象概括过程，即科学抽象能力是物理核心素养的重要组成部分［１］。

那么，在物理学科的教学中，怎样培养学生的科学抽象能力呢？本文从多年的教学经验和编写物理教材的体悟中，总结出了以下三点教学建议。

1    创设物理情境，重视学生实验和演示实验

物理概念、物理规律以及物理理论，都是从物理情境、物理实验以及各种与物理相关的实践活动中来的［２］。

例如，科学家法拉第出生在一个贫苦的铁匠家庭，仅上过小学二年级，但从小动手能力极强。他就是通过无数次的实验总结与反思，在1831年10月17日发现了奠定电磁学基础的“电磁感应现象”，并获得“产生交流电的方法”，进而在1831年10月28日发明了圆盘发电机，这是人类创造出的第一台发电机，改变了人类文明的发展方向。

但是，法拉第并不满足于现象的发现和成果的推出，而是力求探索现象背后隐藏着的本质。1837年他发现电介质对静电过程的影响，提出了以近距离“邻接”作用为基础的静电感应理论。不久后，法拉第又通过实验探究发现了抗磁性，在这些实验探究的基础上，形成了“电和磁作用通过中间介质，从一个物体传到另一个物体”的思想。当“介质”去掉之后电和磁之间仍然有作用存在，于是看不见的“场”便替代了“介质”。

这就是法拉第提出“场”这个概念的大致过程。正如爱因斯坦所说，引入场的概念是法拉第最富有独创性的思想，是牛顿以来最重要的发现。法拉第通过实验探究与反思总结，从现象中抽象总结出了“场”的概念，充分体现了科学抽象能力的重要性。通过法拉第的案例，可以使学生明白科学抽象能力的重要性，同时为学生树立名人榜样，引导学生向法拉第学习，在日常生活与学习中运用抽象思维。

又例如，早先，机械师们在比较机械工作效率的过程中发现了一个重要规律——“机械功原理”，后人称作“金科玉律”。

在图1所示的动滑轮提重物的实验中，当重物M上升“h”时，F力的大小虽然减了一半，但其作用点移动的距离却增加了一倍，即图中起始点在滑轮上的向上的箭头上升了“2h”。

实验表明，“任何机械工作时所用的力，跟这个力的方向上移动距离的乘积”是一个恒定不变的量值。这就是机械功原理。

这个规律告诉我们，无论使用什么机械，要想省力就得费距离，而要想省距离就得费力。就如同“鱼和熊掌不可兼而得之”的社会哲理一样。可见，自然的规律与社会哲理是相通的。

于是，机械师们用“力跟力的方向上移动距离的乘积”来作为量度机械工作能力的“标尺”。

因此，在物理学中，把力跟力的方向上移动距离的乘积称作机械功，简称功，这就是“机械功”这个概念的由来。

可见，我们在教学中创设物理情境，重视学生实验、演示实验和各种科学实践活动是物理教学中不可或缺的一部分，也是落实立德树人、增强学生能力、培养学生科学抽象能力的重要方式。

在实际教学中创设物理情境的手段和途径很多，如列举学生身边的事例和各种自然现象，进行学生实验和演示实验，介绍有趣的小实验、小发明、小创造，以及向学生展示人类发明创造的最新成果和物理学家各种发明创造的史料等。

通过这些物理情境，学生可以切身体验物理模型的建构过程，学会将所学知识与生活实验相结合，从而增强科学抽象能力。

因此，在教学中创设物理情境极为重要。

2    学好语文和数学，积累用于表达事物本质的语言和词汇

“说”与“写”是语文学习的重要方式，能灵活运用说和写来表达真实的想法和看法，是学习语文的真正目的。

数学是一种科学的语言。伽利略曾说过：“大自然这本书是用数学语言写成的……除非你首先学懂了它的语言……否则这本书是无法读懂的。”

数学这种科学语言具有严密的逻辑性，它能精准并定量地描述自然现象中的各种规律，甚至通过数学方法严密推演出来的结论，可以先于实验现象的发展，并且通过实际实验也能证明结论的正确性。这就是数学这门科学的魅力所在。

正如瑞士语言学大师弗迪南·德·索绪尔所说的那样，“没有表达的智慧，算不上真正的智慧”。在物理学中，当我们积累的词汇和语言的表达方式以及数学语言的表达方式越多，那么，用于选择恰当而准确地描述各种物理现象本质的余地就越宽。

例如，当我们在拉伸或压缩弹簧时，观察到弹簧发生形变；当我们用磁铁吸引小铁球时，发现小铁球运动状态发生改变；当在两个小朋友做面对面推手游戏时，发现相互推手的两个小朋友均发生运动状态的改变，两者均由静止向各自的后方运动；当我们用手推门或关门的位置不同时，发现门的转动快慢和方向不同。此时，我们便开始从这些物理情境中进行搜索，到底是什么“东西”引起物体的形变、运动状态的改变或门转动快慢和方向不同的呢？又应该用什么样的语言和词汇来恰当而准确地表达这些现象产生的本质原因呢？

于是，物理学中用“一个物体对另一个物体的作用”或“物体间的相互作用”这两种语言或文字的表达方式来说明“力”这个概念的内涵。

在表达力的概念的语言或文字中，所采用的“作用”一词内涵丰富，它概括了上述的力所产生的“物体形变、运动状态的改变和转动效果不同”一系列的物理现象。因此，教师在教学中就必须要把“作用”一词包含（概括）了哪些内容，通过各种手段一一向学生交代清楚，才能使学生进入力这个概念的理解层次。

又例如，上述的机械功概念的表达，我们可以用“把力跟力的方向上移动距离的乘积称作机械功”这样的语言或文字表达，也可以用更简洁的数学语言，即物理公式“W=Fs”（式中W表示功，F表示力，s表示力的方向上通过的距离）来表示。同时，还能说明“物理公式”并非是物理学家们的杜撰，而是对自然现象中客观规律的写真。

还例如，对于密度概念的表达，我们可以用“物体的质量与其体积之比”这样的语言或文字表达，也可以用更简洁的数学语言，即物理公式“ρ=■”（式中ρ表示密度，m表示质量，V表示体积）来呈现，还可以用数学函数图像来表示（图2）。

■

图2  同种物质的密度函数图像

图像中斜线的斜率k=■，即表示某物质的密度ρ。

再例如，在物理学中，应用通信技术，采用二进制编码描述人类各种活动并加以应用。这实质上是数学语言在生活、生产和科学技术中的应用，进而使人类推进到智能化的时代。

如二进制传感器，可以将环境中的物理量转化为二进制信号，在工业控制和环境监测等领域有着广泛的应用。

又如二进制图像处理技术，可以根据图像中的特点和信息，对图像进行分割、压缩和识别，并应用到人脸的识别中。

再如二进制音频处理技术，可以实现音频压缩、编码和解码等功能，可以将音频文件转化为数字信号，实现音乐的播放和控制。

因此，学好“语文”和“数学”，对于学生科学抽象能力的培养十分重要。在实际教学中应强调物理的学习不仅是物理现象与知识的习得，还应具有通过具体语言工具对总结的知识与现象进行表达的能力。想要做到更好地进行科学抽象与总结，就要加强语文与数学学科的学习。

3    注重鉴别与概括能力的培养和训练

没有比较就没有鉴别。物理现象的产生总是有原因的。那么，怎样寻找背后的原因呢？

物理现象的产生往往都是多个因素共同作用的结果，因此，我们就要在影响现象的诸多因素中进行比较，排除次要因素，筛选出影响现象的主要因素。

在排除次要因素到筛选出主要因素的过程中，常常需要合理分析。

例如，在力的概念建立的过程中，我们观察到：拉伸或压缩弹簧时，弹簧发生了形变；磁铁吸引小铁球时，小铁球运动状态发生了改变；两个小朋友做面对面推手游戏时，两个小朋友均发生了运动状态的改变，两者均由静止向各自的后方运动；手推门的位置不同，门的转动快慢和方向不同。但是，这些现象都是力作用效果的表现。那么，影响上述现象的主要因素有哪些呢？

于是，我们便要进行分析，通过合理分析，发现这些现象均与力的大小、力的方向和力的作用点有密切关系。

因此，得出以下结论：

“力的大小”“力的方向”“力的作用点”这三个因素一并概括为“力的三要素”，这才是力的真正的本质特征。

这种鉴别能力，需要教师在教学中经常创设各种各样的“物理情境”，不断引导学生开展对各种各样物理现象的分析活动来培养和训练才能形成。最终，学生可以通过鉴别找出影响物理现象的具体原因，一步步逼近现象的本质。

没有鉴别就没有概括。物理学中几乎所有的规律都是在概括中形成的，概括通常是在鉴别的基础上才能进行，因为我们无法在一堆垃圾中挑选出精美的东西。可见，只有鉴别出影响物理现象的主要因素，才能概括出某个物理现象中最“精美”的东西，即本质。

这种概括能力，就需要积累用于恰当准确表达各种物理现象本质的语言和词汇（包括数学语言）。

可见，“创设物理情境，重视学生实验和演示实验（提供充足的感性材料），善于在鉴别的基础上进行概括（抽象的过程和方法）和学好语文、数学，积累用于描述各种物理现象本质的词汇和语言表达方式（精准的语言表达）”，才是训练和培养学生科学抽象能力的重要途径。这三条途径以“创设物理情境”为基础，以“数学和语文”为工具，通过“鉴别与概括”的方法，层层推进培养学生的科学抽象能力，最终实现立德树人的教育目标。

因此，“充足的感性材料”“鉴别基础上的概括”和“精准的语言表达”是培养和训练科学抽象能力中的三个重要因素。

建议教师在教学中最好能从这三个因素着手，采用各种各样的方法和手段来培养和训练，以促进学生科学抽象能力的形成。

参考文献：

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

［２］吴思平．基于核心素养视角的高中物理教学中抽象能力培养路径［Ｊ］．数理化解题研究，２０２３（１５）：６８－７０．

［３］李宗举．高中物理抽象思维能力培养策略探析［Ｊ］．新课程研究（下旬），２０２０（３）：８８－８９．

（栏目编辑    赵保钢）