一、問題提出
物理規(guī)律（包括物理原理、定律、定理、法則、公式等），揭示的是物質的結構和物質運動所遵循的規(guī)律。物理規(guī)律教學是指在觀察和實驗的基礎上，通過分析、歸納、總結而得到的有關物理量之間的必然聯(lián)系的典型規(guī)律類課型，是物理課堂教學的基本課型之一。
物理規(guī)律教學的重點是培養(yǎng)學生科學思維與科學探究能力?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確提出了初中物理核心素養(yǎng)，其中，科學思維是發(fā)展核心素養(yǎng)的關鍵，而物理規(guī)律教學又是培育科學思維的重要基礎。
新課標還明確指出了科學思維的培養(yǎng)要求是：會用所學模型分析常見的物理問題，具有初步的科學推理能力、初步的科學論證能力和質疑創(chuàng)新的意識。
然而，物理規(guī)律是千百年來歷代科學家的智慧結晶，學生很難通過一節(jié)課的學習，把形象思維的物和邏輯思維的理聯(lián)系起來。在實際教學過程中，教師采用的教學手段單一、教學環(huán)節(jié)設計不嚴謹、對知識結構及其內在的聯(lián)系分析不足、不重視培養(yǎng)學生科學思維，導致學生對物理規(guī)律的學習興趣較低，不能深入認識物理規(guī)律本質，解決物理問題的能力較差，且科學思維水平不高。因此，在物理規(guī)律教學中，對學生科學思維的培養(yǎng)，既是物理規(guī)律教學的題中之義，亦是新課標的要求。
而力與運動的關系，是物理學家千百年來不停探索的一個難題，探索歷程蘊含著豐富的科學方法，也是人類思維進階的過程。牛頓第一定律又是牛頓在亞里士多德、伽利略、笛卡爾等物理學家的探究基礎上完善得出的，可以為初中物理規(guī)律教學培育學生科學思維，提供典型范例。于是，以下便以蘇科版初中物理“牛頓第一定律”為例，闡述在物理規(guī)律教學中培育學生科學思維的策略。
二、在物理規(guī)律教學中培育學生科學思維的策略
筆者對我校八年級430名學生進行了“力和運動”前概念問卷調查（見表1）。調查結果顯示，物體的運動需要力來維持、推物體沒有推動是因為推力小于阻力、慣性大小與速度有關等，這些在學生頭腦中隱藏已久的錯誤前概念，是本節(jié)課學習的障礙，需要教師設置思維沖突，引導學生釋放頭腦中的錯誤前概念。
下面從“創(chuàng)設物理規(guī)律建立的情境，運用科學方法建立物理規(guī)律，理解物理規(guī)律的本質，借助科學方法應用物理規(guī)律，運用物理規(guī)律解釋物理現(xiàn)象”五個方面，闡述在物理規(guī)律教學中培育學生科學思維的策略。
表1“力和運動”前概念問卷調查
（一）創(chuàng)設物理規(guī)律建立的情境——確定思維的起點
依據(jù)認知理論，物理規(guī)律學習要經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題的過程，而要解決問題，就要先提出問題。提出問題是物理規(guī)律學習的起點，也是思維的起點。皮亞杰認為，任何學習都要從情境開始，真實的情境有助于學生發(fā)現(xiàn)并提出問題。教師可以利用多媒體技術、物理實驗、體驗感悟、引發(fā)辯論等方式創(chuàng)設物理規(guī)律學習情境，避免因手段單一影響學生學習物理規(guī)律的興趣。
筆者在教學時，首先播放北京冬奧會開幕式，滑冰運動員滑出會徽的視頻片段。然后，提出問題：是什么讓運動員由靜止變?yōu)檫\動，又由運動變?yōu)殪o止呢？力和運動之間是什么關系呢？學生回答：是力，力和運動是相互作用的關系。
于是，進入體驗感悟和小組辯論環(huán)節(jié)。首先，教師讓學生推桌面上靜止的木塊，木塊運動，停止用力后，木塊也停止了，此時教師展示亞里士多德的觀點：物體的運動需要力來維持。然后，教師讓學生用力推桌面上的小車，停止用力，小車沒有立刻停止，教師介紹伽利略觀點：物體的運動不需要力來維持。接著，小組展開辯論：兩個觀點，好像都有道理，桌面上靜止的小車，不推它就不會運動；停止用力還能向前運動；運動一段距離，會停下來，是因為桌面對小車有阻力。最后，學生提出猜想：可能是阻力對物體的運動有影響。
綜上，首先教師通過視頻讓學生看到運動員由靜止變?yōu)檫\動，又由運動變?yōu)殪o止，提出力和運動之間有什么關系的問題；接著，教師通過兩個體驗活動，引出亞里士多德和伽利略的爭論；然后，師生共同分析，得出結論：要解決爭論，需要科學探究；最后，聚焦探究阻力對運動的影響。
因此，創(chuàng)設物理規(guī)律建立的情境，首先需要借助真實的情境引出課題；然后借助認知沖突的情境，提出問題，確定思維的起點，聚焦要探究的問題。
（二）運用科學方法建立物理規(guī)律——培養(yǎng)思維建構的能力
新課標指出科學思維是從科學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律以及相關關系的認識，是分析綜合、抽象概括、推理論證等科學思維方法的內化。在教學過程中讓科學方法外顯，學生可以用科學視角去解決新的問題，幫助學生建構整體方法體系。
1.探究實驗，培養(yǎng)探究思維
科學探究既是發(fā)展核心素養(yǎng)的重要途徑和手段，也是培養(yǎng)學生合作學習的重要路徑，其難點是方案的設計和探究思維的培養(yǎng)。
教學過程中，師生要先根據(jù)實驗目的，確定要探究的問題，把籠統(tǒng)的探究問題轉化為解決多個小問題，選擇合適的實驗器材，確定先后順序，設計記錄實驗的表格，這樣可以避免探究實驗變成簡單的驗證實驗；盡量分組實驗，小組可以根據(jù)遇到的新問題，不斷地修正、改進方案。
首先，明確問題，設計方案。教師給出木塊、小車、小球，引導學生選擇合適的研究對象：木塊摩擦力大；小球摩擦力雖小，方向不好控制；選擇小車，摩擦力適中，方向好控制。然后，教師提問：怎樣改變阻力？學生根據(jù)經(jīng)驗選擇改變接觸面的粗糙程度，以改變阻力。
接著，師生共同分析，怎樣讓小車運動。大家先是用手推，發(fā)現(xiàn)不好控制力度；于是，構建斜面，讓小車從同一斜面同一高度滑下，控制小車到平面速度相同。通過小車在水平面上滑行的距離看是否有影響及影響大小。讀取滑行距離有兩種方法，一種是用刻度尺測量，一種是用小旗標記位置，經(jīng)過師生分析后認為這是一個定性實驗，采用標記位置的方法即可。最后，小組合作設計實驗表格，如表2。
表2 小車在不同表面受力及運動距離
其次，分組實驗，得出結論。小組合作完成實驗，如圖1所示，讓小車從斜面A點自由滑下，分別滑到毛巾、棉布、木板平面，用小旗標記小車停下的位置，數(shù)據(jù)記錄在表2中。小組分析表格數(shù)據(jù)，得出結論：阻力對運動有影響，阻力越小影響越小，小車運動的距離越遠。
這樣一來，學生親歷實驗設計、分組實驗、得出結論、分享收獲的過程，深刻體會到阻力大小對運動的影響，有助于培養(yǎng)他們的科學探究能力及分析、歸納、總結等思維能力。
圖1
2.建構模型，培養(yǎng)科學思維
建構模型是科學思維培養(yǎng)的重要方面。從哲學角度來說，建構模型是指在處理具體問題時，學會抓住事物的主要因素與本質特征，忽略事物的次要因素，從而科學地解決問題。建構模型要遵循由簡到繁，由易到難，循序漸進，逐步深入的原則，經(jīng)歷初建模型、完善模型和建構模型的過程。
首先，遞進設問，初建模型。如上，得出阻力越小，小車運動得越遠的結論后，教師提出了一個新的問題：我想讓小車運動得更遠，怎么辦？同學們回答：可以換用光滑的平面，越光滑阻力越小。
教師又問：如果我換成更光滑的平面，小車會怎樣運動呢？學生回答：小車會運動得更遠。教師繼續(xù)追問：如果我把表面換成阻力為零的材料，小車會怎樣運動呢？學生回答：小車將一直運動下去。
其次，演示實驗，完善模型。教師介紹，伽利略為了反駁亞里士多德的觀點，利用如圖2所示的理想斜面進行實驗探究，在實驗方法上進行改進。每次讓小球從左邊的斜面的同一高度自由下滑，逐漸降低右邊斜面的傾角，小球每次會滑到右邊斜面相同的高度，但是，滑行的距離越來越遠，當右邊的斜面變得水平時，滑行得更遠。推理：若沒有阻力，小球將永遠運動下去。
圖2最后，推理論證，建構模型。師生共同分析在這個過程中滑行時間和滑行速度是怎樣變化的（見表3），順利從“真實情況”過渡到“理想情況”。物理學家笛卡爾在伽利略的觀點基礎上，對物體運動方向進行限制，進一步提出：如果不受阻力，物體將一直保持勻速直線運動，說明物體的運動不要力來維持。
表3小車滑行時間、速度變化與阻力大小關系
上述探究實驗，教師先引導學生推理出“阻力減小，小車運動距離變遠”，再換阻力更小的小球沿著軌道運動，幫助學生認識到?jīng)]有阻力，小球會沿直線運動下去。最后對實驗數(shù)據(jù)進行補充分析，增加過渡階段，從真實實驗現(xiàn)象順利過渡到理想結論。
至此，運動物體不受阻力時，會一直保持勻速直線運動的觀念建立起來，突破了學生頭腦中的“物體的運動需要力來維持”的錯誤的前概念思維。
3.思維加工，建立新的思維
科學思維是基于經(jīng)驗事實建構理想模型的抽象概括過程，是基于事實證據(jù)和科學思維對不同觀點和結論質疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質。思維加工就是大腦的思考過程，其本質是新舊知識建立聯(lián)系，是把獲得的新的信息整合到已有的知識體系中，從而完成對知識體系的更新。思維加工一般要經(jīng)歷以下過程：提出問題，激發(fā)思維活動；創(chuàng)設情境，提供思維載體；通過類比，建立新的思維。
首先，提出問題，激發(fā)思維活動。根據(jù)上面的實驗，教師總結：亞里士多德根據(jù)生活經(jīng)驗，提出“物體的運動需要力來維持”的觀點；伽利略改進方法，用理想斜面實驗得出“物體不受力將永遠運動下去”的創(chuàng)新觀點；笛卡爾在伽利略的基礎上，提出“物體不受力將保持勻速直線運動”的完善觀點。教師提出新問題：運動的物體，不受力時會保持勻速直線運動，靜止的物體不受力，會是怎樣呢？
其次，創(chuàng)設情境，提供思維載體。播放視頻：航天員王亞平取出冰墩墩，放手后冰墩墩靜止，接著用手推了一下，冰墩墩向遠處飛去。學生思考后回答：靜止的物體，不受力會保持靜止，直到有力讓它運動；物體運動起來后會一直保持勻速直線運動，直到有外力讓它停止。
最后，通過類比，建立新的思維。教師總結，牛頓在伽利略等科學家研究的基礎上，補充不受力時靜止物體的情況，建構了著名的牛頓第一定律，即“一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)”。
牛頓第一定律的得出，經(jīng)歷了“亞里士多德提出觀點→伽利略創(chuàng)新觀點→笛卡爾完善觀點→牛頓建構規(guī)律”的過程。課堂上順著這條路徑，培養(yǎng)學生科學思維加工能力，同時，也引導學生敢于質疑，敢于突破。
一節(jié)課時間有限，規(guī)律的建立過程不能用到所有的科學思維方法，而每個科學思維方法培養(yǎng)的能力也各有側重。探究實驗，重點培養(yǎng)科學探究思維，又側重實驗方案設計及數(shù)據(jù)處理；建構模型是初中教學的難點，課堂上引導學生經(jīng)歷初建模型、完善模型及建構模型環(huán)節(jié)，讓學生有了建模的意識；思維加工用的是“最后一公里”效應，培養(yǎng)學生分類思維。
（三）理解物理規(guī)律的本質——培養(yǎng)思維推理的能力
理解和掌握物理規(guī)律的本質是物理學習的中心任務，又是物理思維能力培養(yǎng)的重要途徑。但是，很多物理規(guī)律比較抽象，導致學生不能深刻理解其內涵和外延。教師要先借助實際場景，幫助學生從各種聯(lián)系中，排除非本質聯(lián)系，暴露規(guī)律的本質。然后，教師再借助實驗或活動，幫助學生透過現(xiàn)象，經(jīng)過思維推理，理解規(guī)律的本質，形成物理觀念。
首先，借助實際場景，暴露本質。教師投影冬奧會現(xiàn)場的滑冰運動員和觀眾圖片，提出問題：如果此刻外力全部消失，運動員和觀眾的運動情況會怎樣呢？學生回答：根據(jù)牛頓第一定律可知，不受力時，觀眾保持靜止，運動員做勻速直線運動。
教師追問，為什么觀眾靜止，運動員保持勻速直線運動呢？學生回答：觀眾原來是靜止的，運動員原來是運動的。教師釋疑：物體有一種保持運動狀態(tài)不變的性質，即慣性。
其次，借助演示實驗，理解本質。教師用細線懸吊兩個外型相同的乒乓球A和B，其中B球內注滿水。用同樣的力度吹小球，觀察到小球A更容易動起來，B不容易動起來。得出結論：物體質量越大，慣性越大。
本環(huán)節(jié)讓學生認識到，所有物體都有慣性，物體沒有保持原來運動狀態(tài)，是因為有外力迫使其改變，學生真正理解力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動的原因。綜上，教師在物理規(guī)律得出后，還要繼續(xù)挖掘規(guī)律背后的本質，幫助學生透過現(xiàn)象，從本質上認識規(guī)律，培養(yǎng)思維推理的能力。
（四）借助科學方法應用物理規(guī)律——培養(yǎng)思維概括的能力
物理規(guī)律要借助科學方法，在實際應用中進一步深化和理解。物理課上，教師要讓學生深刻體會到物理有用，展現(xiàn)的實驗現(xiàn)象盡可能與生活緊密聯(lián)系。同時，物理教學肩負著培養(yǎng)學生學習能力的使命，可通過對比、歸納、建構說理模型等方法解釋現(xiàn)象，培養(yǎng)學生思維概括能力。
其一，模擬實驗，認識慣性。教師先投影急剎車的情景，然后請學生用小車、木塊模擬現(xiàn)象，體會剎車時人體前傾的情況。最后，教師請學生解釋現(xiàn)象。
其二，小活動，利用慣性。首先，教師拿出一個松了的錘頭，請同學們想辦法，把錘頭套緊在錘柄上。然后，小組討論方案，一種方法是用手壓上去，另一種方法是握住錘柄迅速敲擊堅硬地面，利用慣性，把錘頭套在錘柄上。最后，小組合作完成，解釋原因。
其三，小調查，防止慣性。課前調查問題：隨著汽車普及，各種交通事故頻發(fā)，如果你是汽車制造商，你會在汽車上安裝哪些防止慣性帶來傷害的裝置呢？學生展示：現(xiàn)在的汽車裝有安全帶、安全氣囊、前后保險杠等。
如上，課堂教學設計按照認識慣性、利用慣性和防止慣性的思路進行。教師引導學生對比剎車、安裝錘頭、安全氣囊歸納出說理模型，即確定研究對象原來的狀態(tài)，突然某一部分發(fā)生變化，由于慣性研究對象要保持原來狀態(tài)，所以出現(xiàn)了什么情況。
初中生語言組織能力較弱，缺少條理性、邏輯性，提煉簡化的思維概括能力弱，對事物的本質屬性及內在聯(lián)系的抽象概括，也只是初步地接近科學概括。所以教師在應用物理規(guī)律的教學過程中，要選擇對比、建模等合適的科學方法，給學生“搭建腳手架”，由淺入深，引導學生積極思考，回歸問題的本源。
（五）運用物理規(guī)律解釋物理現(xiàn)象——培養(yǎng)思維綜合的能力
力和運動前概念問卷調查顯示，有77.91%的同學認為，站在勻速直線向前行駛的汽車上的人豎直上跳起，會落在起跳點的后方。為了檢驗學生是否能突破這一前概念，準確應用牛頓第一定律，教師設置問題：在大海中勻速直線行駛的輪船上，一位乘客站在船尾，當他豎直向上跳起，他會落在哪兒呢？結果，仍然有46%的同學還會認為，人會落在起跳點的后方。
接著，教師播放視頻，人在勻速直線行駛的拖拉機上玩蹦床，人會落在起跳點上。然后，教師用動畫演示，勻速直線行駛的車上，豎直上拋小球，小球落回原處的運動軌跡，如圖3所示。最后，師生一起用牛頓第一定律解釋現(xiàn)象。
圖3
物理規(guī)律課堂教學的最后一個環(huán)節(jié)是“延伸與應用”，這一環(huán)節(jié)教師需要選擇與生活相關的原始物理問題，賦予傳統(tǒng)習題以鮮活的情境，通過學生“想當然”的答案暴露出思維問題，再用可靠的事實使得學生“恍然大悟”。
然后，教師再引導學生用物理規(guī)律多角度去分析，從而徹底消除隱藏在學生頭腦中的前概念，培養(yǎng)思維綜合的能力。
三、結語
這節(jié)課遵循的主要邏輯是：創(chuàng)設情境，提出力和運動關系的兩難問題；理想實驗，找出力和運動的關系；思維加工，完善力和運動關系→揭示本質，用慣性揭示牛頓第一定律；科學方法，會用牛頓第一定律解釋現(xiàn)象；原始問題，破除頭腦中前概念。師生逐步認識牛頓第一定律的本質，形成力不是維持物體運動，而是改變物體運動的物理觀念。
總之，基于核心素養(yǎng)的教學不單是讓學生獲取知識，更重要的是培養(yǎng)他們的科學精神、科學態(tài)度，充分感受到科學探究的樂趣。物理規(guī)律的教學設計要以學科核心素養(yǎng)為導向，遵循一定的科學邏輯，幫助學生在豐富的體驗過程中主動建構知識，加深對物理規(guī)律的理解，培育學生科學思維。
注：本文刊發(fā)于《新課程評論》2023/09「研究」欄目。本文摘要、關鍵詞與參考文獻等詳情見紙刊。
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文 | 劉雪榮
江蘇省徐州市東苑中學物理教師
