批判性思维：通向物理科学思维的必然路径

张飞

（江苏省木渎高级中学，江苏 苏州 215101）

科学思维是物理学科核心素养的核心，其内涵与表现是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律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、抽象概括、比较分类、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。［1］在科学思维形成的过程中，批判性思维具有引领性作用。

在批判思维中，思考者可以系统、习惯性地使用思维上的持之以恒、谦逊、换位思考和思维公正性等各种思维特质来控制思维结构，使用清晰性、准确性、精确性、相关性、深度、广度、逻辑性和公正性等思维标准来检验包括问题、信息、概念、推论、假设、意义和观念等思维的成分，促进提升思维品质；让思维方式更加清晰、准确、精确，更有深刻性、广泛性、逻辑性、相关性、重要性和公正性。本文从“批判性思维”的视角来阐释物理学科核心素养之核心内容“科学思维”的培养路径。

一、基于批判性思维判断让科学模型合理建构

物理模型是人们对物理研究对象及其过程的抽象概括，是人们认识物理问题所形成的心理图式的外在表征，是科学思维的核心要素。高中阶段科学思维核心要素的物理模型建构是物理学习的一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和物理概念的过程。［1］

模型选择、建立、验证、分析和应用（Halloun 基于Hestenes 创建的科学建模教学理论中的模型建立、模型分析、模型验证三维度发展提出的，目前被模型建构教学广泛采用，行之有效的［2］）5 个维度是模型建构的有效教学路径。在模型建构的过程中，学生必须学会运用观察、演绎、推理、假设、近似、实验、概括、数学抽象等思维方法，对物理问题的各种要素进行分析、比较、判断后，形成对研究问题（或情景）的某些属性进行抽象和简化，从而形成具有解释和预测功能的近似表征（思维成果）。在这过程中，需要学生进行基于论据的具有逻辑性的、不偏颇的思考，并能有意识地琢磨、反思性（批判性思维就是一种反思）地审思自身的思维过程，以达成更好地适应目标与情境的目标指向性思考。针对模型建构维度和批判性思维标准分析（如表1 所示），通过批判性思维实施判断可让科学模型合理建构。

表1 模型维度与批判性思维判断标准

【教学片段】电场线、匀强电场模型建构

问题：我们知道，电场最基本的特性是对放入其中的电荷有力的作用。为了描述这一力的特性，我们曾经运用比值定义法建立电场强度的概念，可以精确地描述电场，但是它却不够形象也不够直观。有没有什么方法可以更加形象直观地来描述电场呢？（引领学生反思，为电场线模型建构引发思考）

演示实验：电场中的“怒发冲冠”实验（如图1）。让学生站在绝缘体上，用静电起电机使人带静电而产生头发排斥竖起现象。（为了根据建模的目的及所需模型的适用范围，为了激发个人经验）

图1

问题：观察实验，能给你带来什么启示吗？（引导学生从熟悉模型中选择合适的模型开始建模过程，批判性思考，从模型描述相关性、逻辑性处作出判断）

学生：以前在描述磁场时，我们引入过磁感应线来形象描述过磁场。能不能用类似方法也来引入一种什么线来形象描述。（萌生构建模型想法，试图用该模型做出有效的描述与解释，并对模型有初步表征印象）

问题：这是一个好想法，大家要深入思考一下，在你看来，这种线应该具备哪些特征？（让学生批判性思考，确认所选模型相关成分与结构，批判性思考，尽可能使模型更有逻辑、更加清晰）

学生：最起码应该能反映大小和方向。（面对问题情境，明确建模的目的）

问题：回想一下磁感应线是如何描述的，能否找到建构依据？（引领批判性思考，从清晰性、准确性、精确性视角来重构模型，使其更加普适，让学生更有效地描述与解释，并对模型实施校正表征）

逻辑建构：依次让学生思考解决如下问题。思考I：如何在正的点电荷电场中选择几个不同场强点，定性作图来描述电场？（如图2-1 所示，让学生自主画下图示，批判性思考，要求能关联逻辑清晰地反映电场大小和方向）.思考II：如何用画图方法来描述电场中场强大小相同点电场及不同点的场强？（如图2-2 所示，让学生自主拓展画图示，批判性思考，要求能关联逻辑清晰精准，有广度地反映电场大小和方向）；思考III：如何用画图方法来描述电场中所有点电场？如何简化来表征电场？（如图2-3 所示，让学生自主构建，批判性深度思考，并能够形象、直观描述、解释电场强弱问题，生成电场线概念，完善建模）

图2-1

图2-2

图2-3

初步概念：根据电场特征，法拉第采用了一个简洁的方法来描述电场，那就是画电场线。（引导了解学史，让学生批判性思考，物理模型概念构建是通过很长时间深化的）正点电荷的电场线从正电荷出发，终止于无限远，箭头表示方向，疏密反映电场强弱。（学生自行建构，反思重构定义，要求概念建构尽量有相关性、逻辑性、清晰性、准确性、精确性表征）

模拟实验：把头发碎屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，碎屑就按有序排列起来，能显示出电场线的分布情况。（利用实验方法检验模型的内在一致性，如图3 是模拟正电荷电场的照片）

图3

拓展推理：前面构建的是点电荷电场线模型，是否适应所有电场？如等量异号点电荷空间电场线如何分布？（引领学生反思）思考I：如何在电场取一点来画一下电场（图4-1）？（引导学生批判性思考，利用电场叠加原理来描画）思考II：如何在电场取一些点来画一下电场（图4-2）？（引导学生批判性思考，利用归纳推理描画不同点电场大小及方向）思考III：如何来描画电场中所有点电场？如何简化来表征电场？（如图4-3 所示，让学生自主构建，批判性深度思考，并能够形象、直观描述、解释电场强弱问题，反驳修正电场线概念，完善建模。）

图4-1

图4-2

图4-3

模拟实验：把头发碎屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，碎屑就按有序排列起来，能显示出电场线的分布情况（图5 是模拟异号点电荷空间电场的照片）。

图5

修正概念：电场线是画在电场中的一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该点的电场强度方向。在同一幅图中，电场强度较大的地方电场线较密，电场强度较小的地方电场线较疏，因此在同一幅图中可以用电场线的疏密来比较各点电场强度的大小。（综合正点电荷电场和等量异号点电荷形成的电场空间电场线，抽象共性，在评价方法检验模型的内在一致性基础上，对原有模型进行修正，得出科学模型）

匀强电场建模：请画一画无限大均匀带正电平板周围电场的电场线。（图6 所示，推论到新情境，评价模型的适用广度，引导学生利用上述的建模方法，先将无限大均匀带电平板分成无限多个点电荷，再根据对称性画出电场中P 点叠加场，再推广到无限多个点电荷，构建无限大均匀带电平板电场线，得出匀强电场概念）再请画一画无限大均匀带负电平板周围电场的电场线。（如图7 所示，学生迁移应用，自主建构，巩固匀强电场概念）第三次请画一画对称放置，无限大均匀带等量正，负电平板周围电场的电场线。（如图8所示，学生迁移应用，理解匀强电场区域，回归现实，批判性思考得出，相距很近的一对带等量异种电荷的平行金属板，它们之间的电场除边缘外，可以看作匀强电场，完善建模）

图6

图7

图8

模拟实验：把头发碎屑悬浮在蓖麻油里，加上平行金属板，其间可以模拟匀电场线的分布图。（如图9所示，利用实验判断、检验模型的内在一致性，对原有模型进行修正，来解决问题，并对问题进行解释）

图9

反思：概括《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》所涉及的需要建构的模型有对象模型（如质点、点电荷、点光源、单摆、理想电表、理想气体等）、条件模型（轻弹簧、轻绳、轻杆、光滑、水平、竖直、匀强电场等）、过程模型（匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐运动、等温过程、绝热变化等）和理论模型（光的波动说、光的波粒二象性、氢原子模型等）四类。模型建构主要表现在能够分析模型所涉及的各个要素及其结构，使用模型解释物理现象和过程，阐明物理概念和原理，在真实的情境中具有构建模型的意识和能力等，通过模型构建有助于学生抓住事物（问题）的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维。［1］《电场线、匀强电场模型建构》教学片段所揭示的是基于批判性思维判断，合理建构科学模型有路径、方法，可为如何更多具体物理模型建构提供样例。

二、基于批判性思维分析让推理论证逻辑严谨

科学思维建立离不开科学推理和科学论证，物理教学中的科学推理包含有归纳推理和演绎推理，它既包含对自然现象和实验现象进行归纳形成模型、概念、规律、概括、理论等的归纳过程，又包含通过使用这些基本的模型、概念、规律、概括或理论对物理现象作出假设的演绎过程，通常呈现为归纳思维（概念获得、概念形成、概念图式）和演绎思维（基于创造力、观察、模型建构以及根据经验证据的评价），科学推理是最基础的科学思维形式这一；物理教学中的科学论证是批判性论证思维在物理学习领域的运用，是以物理知识为中介，积极直面物理问题，对所获取的物理现象、实验数据和资料进行解释说明，提出自己的论点，反思自己和别人论点的不足并提出反论点，同时能反驳他人的质疑和批判的高阶思维能力，［1］是开展物理学习探究活动的重要思维实践。

物理教学中，推理与论证过程就是科学思维的建构过程。在对物理概念与规律学习的过程中，可以说每一个结论的获得都离不开推理与论证，科学推理与科学论证处在科学思维的核心地位，在教学中不可割裂，不可孤立实施，总是互相渗透、相伴而行。论证是思考、信念、决定和行动的合理性的起点，没有论证就不能进行理性的推理与分析，而论证过程更是在推理的基础上才得以实施和完成的。物理学科的学习强调利用科学论证的方式进行科学推理，从而形成对自然现象的科学解释，科学推理和科学论证是诠释科学思维的核心要素，是以批判性思维为基础。物理教学中，批判性思维是将思维的衡量标准（清晰性、精准性、相关性、正确性、深度、广度、逻辑性、公正性）运用于学生推理论证所组成的各元素（目的、悬而未决的问题、信息、解释和推理、概念、假设、结果和意义、观点）中去，以形成优异的思维特性（态度谦逊、意志自由、理智健全、勇敢无畏、坚持不懈、笃信推理、设身处地、公正无私［3］），优化学生的思维方式，让推理论证逻辑科学严谨。

【教学片段】曲线运动速度方向

（一）明确目标激发问题

游戏引入：今天想跟大家一起来玩个游戏，这里有一个幸运大转盘，介绍装置图10 所示。（演示幸运大转盘，活动中用细线一端固定在转台中心，另一端系光滑小球，当转台转动时，小球随着转台一起做圆周运动，在恰当位置有剪刀剪断细线，小球运动可进入幸运门）有没有哪位同学想试下今天的运气？（学生参与游戏体验）

图10

问题：让小球进入指定的幸运门，有无规律可循呢？（引出需要探究的事物，确定批判性思维的逻辑起点，引出探究目的明确目标）

问题：从轨迹上看，小球先后做了哪些运动？。（让学生用批判性思维标准综合思考问题）

学生：先做曲线（圆周）运动，再做直线运动。（让学生清晰、精准、正确地描述相关现象）

（二）分析综合建立概念

问题：除了这个小球在做曲线运动之外，你见过或经历过其他曲线运动吗？（引导学生思维批判性地向思维深度、广度发展）

学生回忆并回答：砂轮溅出的火星、运动链球的飞出、投篮抛出的篮球等等。（让学生清晰、精准、相关思考后得出）

问题：前述实验和大家列举事例中运动物体的运动有何共同特点。（引领学生批判性进行逻辑归纳，明确探究事物的动机，通过举例总结共性，形成曲线运动概念）

建立概念：通过刚才大家的举例，我们发现做曲线运动的物体有个共同特点，即轨迹都是曲线，因此我们把轨迹是曲线的运动叫曲线运动。

形成观念：其实大到天体，小到微观粒子，无论是生产生活还是科技发展，似乎曲线运动比直线运动更普遍的存在，看来非常有必要来研究一下曲线运动。（明确探究曲线运动的目的）

问题：研究离不开好奇，好奇必然产生问题，关于曲线运动你想研究它哪些方面的问题？（让学生批判性地提出与曲线运动相关性问题）

学生：……

动画模拟：看来大家的困惑还挺多的我们来看，动画模拟小球运动。（让学生批判性思维，引领学生切题、有广度和深度思考问题）

问题：小球开始随转盘做曲线运动，为什么后来做直线运动？（引领思维分析，学生因对事物最初的感觉，形成观点）

学生：惯性，小球要保持原来的运动状态。

问题：这个原来的运动状态是指什么状态？（引领清晰准确的描述观点）

学生：绳子剪断一瞬间的状态。

演示实验：为了更清楚地看到曲线运动各个不同位置的运动状态，请大家观察旋转陀螺洒墨水实验，向旋转陀螺顶上滴红墨水（如图11-1），观察墨水飞出方向并描画墨水飞出轨迹。（引导探究的方向，确定批判性思维的逻辑起点和体会探究意义）

图11-1

问题：我们知道速度可以反应物体的运动状态，你能红墨水滴曲线运动各点的速度方向吗？（引导有深度有逻辑的清楚思考搜集信息）

学生：液滴直线飞出的方向可以反映墨水曲线各点的速度。（通过描迹描画墨水飞出轨迹，如图11-2，为思维推理提供证据）

图11-2

问题：这里留下很多液滴飞出的方向，我们发现曲线各点位置不同，飞出的方向就不同，说明曲线运动各点速度方向时刻发生？你觉得这个方向是什么方向？（引领思维方向，让学生坚持不懈思考。）

学生：变化，切线方向。（基于现象，批判性思考后，做出逻辑推理，做出假设猜想）

问题：我们用一个已经做好的圆和切线来看看，是不是跟大家猜想的一样是切线方向。我们已经看到，被甩出去的水都沿圆周的切线方向飞出，说明这个圆周运动中某点的速度方向是切线方向，那么如果半径跟这个圆不同，速度大小也不同的圆周是不是也是切线方向呢？（科学寻证，引领批判性思维，向深度思维发展，为思维清晰性、精准性、相关性、正确性、有深度、有广度、公正性表达，提供逻辑严谨的推理思维素材）

介绍装置并提问：实验装置如图12 所示，器材有小铁球，磁性小黑板，红黄蓝为圆弧形拼接轨道，如何做到速度不同？（释放高度不同）

图12

分组实验：红黄蓝拼接轨道任意组合，让小球沿着圆弧的拼接轨道做曲线运动，观察小球脱离轨道后的速度方向，改变拼接圆弧轨道个数，重复实验。（因学生已有的概念是圆弧曲线某点运动方向为切线方向，通过实验来验证猜想，教师指导学生操作实验，并观察实验现象，为培养学生笃信推理，勇敢无畏思维品性，提供依据）

汇报交流：分析在磁性小黑板上留下运动小钢球的轨迹，找出不同段圆弧轨道小球沿直线运动出速度方向与圆弧半径关系，得出实验结果：做圆弧曲线运动的速度方向是圆弧切线方向。（针对该事实得出的结论的过程，为逻辑推理提供依据。如图13 所示）

图13

问题：除了刚才两个实验现象外，细心的同学会发现，生活中还有大量的事实和实验表明：质点圆周运动的速度方向为轨迹上某点的切线方向。（动图展示砂轮切割钢筋时炽热的铁屑飞出的方向、雨天旋转伞柄从伞边缘飞出的水滴等等，通过事实佐证，为推理增加信心）

问题：我们已经验证了圆周运动的某点速度方向是切线方向，那么一般曲线速度方向是否也是切线方向呢？（引领深度思维，明确推理方向）

问题：其实我们可以把一般曲线分割成无限小段，而每一小段都可以看成是一个与这一小段曲线相切的速度大小不同半径不同的圆的一部分。当小球在做一般曲线运动时，就等同于经历了无数个圆弧的一部分。既然圆周运动的瞬时速度是切线方向，那么一般曲线的瞬时速度方向必然也是切线方向。

这里我们利用了微元的思想，用特殊到一般的研究方法得到了一般曲线运动的瞬时速度方向也是切线方向。你能否再通过理论来证明曲线运动的方向是某点的切线方向？（有意识地琢磨、反思性地审思自身的思维过程）

逻辑推理：如图14 所示，质点沿曲线运动，某段时间从A 运动到B，过A、B 两点作直线，这条直线叫作曲线的割线。从A 到B 就是质点位移的方向，也就是这段时间内的平均速度方向。设想研究的时间段逐渐缩短，则B 点逐渐向A 点靠近，这条割线的位置将不断变化。当时间段变得非常非常小的时候，B 点非常非常接近A 点，这条割线就将与过A 点的切线重合。因此，可以认为质点在A 点的瞬时速度方向沿曲线在A 点的切线方向。（几何画板展示，引导学生论证，理论逻辑推理，体验科学推理逻辑严谨性）

图14

实验验证：探究物体曲线运动方向。再自制实验探究：设计可以任意改变长度的磁性塑条，实验时可不断改变磁性塑条的长短，来改变沿磁性塑条做曲线运动的鼠标滚球出口位置，确保磁性塑条的位置不动，每次在鼠标滚球上涂上红墨水来记录红墨水运动径迹和速度方向（如图15）。（旨在更好地适应目标与情境的目标指向性思考，基于论据的逻辑性的、不偏颇的思考）

图15

反思：在物理学科科学思维建构时，由于学生存在大量前概念，在没有经历从日常概念的批判性反思到科学概念建构的认知发展进阶过程，在遇到问题时，经常用日常概念代替科学概念，缺乏对物理概念意义和含义的深层理解。如在曲线运动速度的方向学习时，学生通常根据生活经验建立起的前认知，认为速度方向是“沿着”曲线，或认为速度是如轨迹之“曲”，或认为是沿着切线方向。若教学忽略批判性思维分析，直接通过几个实验（或生活）现象观察进而得出结论，有时看起来似乎顺理成章；但是如何从现象得到结论，中间有着一段极具教育价值科学思维建构的过程，跳过这一过程的教学显然将其轻易地“短路”了，将会导致推理论证缺乏严谨逻辑。若采用生活现象（或兴趣实验）引发思考、激发问题，通过设计揭示本质的实验（如观察旋转陀螺洒墨水实验，向旋转陀螺顶上滴红墨水）或生活现实（如砂轮溅出的火星）搜集有效信息（如墨水飞出方向并描画墨水飞出轨迹）、建立概念（曲线运动）、提出解释主张、做出推理假设（墨水飞出方向是切线方向）、进一步设计探究方案，进行科学寻证，构建含有明确物理意义推断和并形成物理观念（运动观），构建清晰的曲线运动速度沿切线方向的结论。这将彰显基于批判性思维综合，让科学推理逻辑严谨的魅力。

三、基于批判性思维评价让质疑创新科学合理

物理科学思维的模型建构、科学推理、科学论证都是因质疑而产生的，思维的过程是一种事件的序列链。这一发展过程从质疑开始移动到探究，再到批判性思维，最后得到比个人信仰和想象更为具体的“可以证实的结论”。思维不是自然发生的，但是它一定是由“难题和疑问”或“一些困惑、混淆或怀疑”引发的。观察者“手头的数据不会提供解决方案，它们仅仅能够给人启示”；而正是对“解决方案的需要”，维持和引导着批判性思维的整个过程，在直面问题时对所获得的数据资料进行解释阐明，提出自己的论点，反思自己和别人论点的不足并提出反论点。［4］重构原有思维序列链，形成新的分析、综合、判断和评价的思维过程就是创新，创新是批判性思维的动力和目标。批判性思维并不能保证我们对事物的认识完全正确，但是它提供了这样一个机会，使我们最大可能地去正确认识。批判性思维是质疑创新思维的前提和基础，质疑和创新来自批判性思维，质疑创新的过程需要的具有清晰性、逻辑性、客观性、目的性和反思性的批判性思维的评估标准来衡量。只有基于批判性思维评价指导下的质疑创新，物理科学思维的模型建构、科学推理、科学论证才能正确形成，学生学习才可以形成一种精神（物质观念、科学态度和责任）信仰，才可以使人们趋向于客观、公正、理性，减少错误的行为，追求合理科学的思维方式，建立高阶思维能力。

【教学片段】伽利略的理想斜面实验

（一）批判反驳：引领质疑

伽利略质疑：原来运动的物体之所以停下来，难道真的是因为没有力的作用吗？（伽利略针对亚里士多德观点提出质疑，引发学生批判反驳，体会质疑的力量）

伽利略认为运动的物体之所以停下来，不是因为不受力，正好相反，是因为受到摩擦力或者空气、水等流体的阻力的影响。

问题：如果没有摩擦力或者空气、水等流体的阻力的影响，物体在水平面上会做怎么样的运动呢？［引领学生体验伽利略“实验+推理”的逻辑分析：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632 年）、《两门新科学》（1638 年）］

现象1：小球在斜面上释放后会加速滚下，向下倾斜的斜坡是小球获得加速的原因（图16-1 所示）。

图16-1

现象2：小球沿斜面向上运动时会减速，向上倾斜的斜坡是小球减速的原因（图16-2 所示）。

图16-2

推理：如果小球运动到水平面上呢？（引领批判性思考）——既不加速，也不减速，应该一直运动下去（图16-3 所示）

图16-3

问题：你认为伽利略的论述有道理吗？有问题吗？（引领质疑，分析得出：有道理，是符合逻辑的。也有问题，因为物体在水平面上是不会匀速运动下去的）

问题：那是什么原因呢？（批判反思：是因为还有摩擦的缘故。在伽利略之前，人们都没有发现摩擦这个因素，伽利略的高明之处就是发现了摩擦，包括空气的阻碍等）

问题：如何验证猜想是否正确呢？（引发学生批判性反思，进行物理研究相关性思考，得出探寻路径：实验）

问题：但现实中不可能完全没有空气阻力、摩擦阻力的影响，况且三百多年前的伽利略时代更无技术实现空气阻力、摩擦阻力空间，怎么办？（引发新质疑，为体验创新奠定基础）

（二）批判反思：体验创新

演示一：“伽利略针和单摆”的实验。（如图17 所示，原理如图18 所示，让学生重演伽利略针和单摆关键步子，体验伽利略针创新思维过程）

图17

图18

问题：让小球从A 点自由释放，当小球到达右边时，将会达到怎样的高度？（批判性引发质疑，调动生活经验参与批判性思维）

学生：将达到与A 点等高的位置。（通过验证，增强批判性思维信心）

问题：如果我们在悬点下方插入一个钉子，小球运动的轨道就发生改变，仍让小球从A 点自由释放，它还能到达等高位置吗？（批判性引发质疑，为批判性创新改变实验过程奠基）

学生：仍然等高！（学生批判性评价并做出判断）

问题：我们在改变钉子的位置试试！怎么样？（批判性引发质疑，将批判性引向更深、更广方向）

学生：还是等高！（好像小球有一种本领，它记住了自己原来的高度，并且在摆动中总能到达原来的高度）

问题：如果我们让小球一直摆动下去呢？它一直能到达等高位置吗？（批判性分析推理，调动学生认知经验，为创新寻找支撑）

学生：不行，小球会越来越低，最终停止运动。

问题：这是什么原因造成的呢？（批判性分析，引向深度和广度引发思维）

学生：有空气阻力的影响，使得它每次都比原来低一些。（让思维走向持之以恒和思维公正性）

演示二：圆弧轨道实验

问题：刚才实验摆动一次时空气阻力的影响非常小，可忽略不计，大家体会发现最终会产生影响，但如体来体现摩擦的影响呢？（通过批判性思维，使思维准确性、精确性、相关性、逻辑性和公正性得到深化）。从这个实验出发，如果不是摆的运动，而是小球在圆弧轨道上的运动（如图19 所示，事先在轨道上铺上粗糙介质，让学生产生推理上的质疑），会怎么样呢？（展示伽利略思考和质疑）

图19

学生：（猜想）应当到达同样的高度。（批判性思考，让学生意识短时间观察与前实验相似。如图20 所示，教师演示，仍让小球从A 点自由释放）

图20

问题：小球有没有到达等高的位置？（问题强调，引发批判性思考，让思维更加谦逊公正，使批判性思维的问题、信息、概念、推论、假设、意义和观念表征更加精准科学）

学生：明显没有。（引发批判性思考，是偶然现象吗？再试一次。还是这样……那我们再换个轨道试试……还是这样）

问题：这是什么原因造成的呢？（引发深度思维）

学生：不仅有空气阻力，还有摩擦阻力的影响，看来这个轨道对小球的摩擦阻力比较大。（通过批判性思维后，引发学生潜意识，如果轨道没有摩擦力时，小球应该能到达同样的高度）

问题：小球在空气中应该也有摩擦，只是摩擦很小，影响小，轨道上的摩擦大。如何证明没有摩擦就能到达同一高度呢？能否改进来验证你的猜想？（给学生批判性思维留白，为创新寻找路径）

学生：改变接触面的粗糙程度，观察是不是接触面越光滑，小球的末位置越能接近等高的位置，那么就能相信如果绝对光滑，最终能到达登高的地方。

学生：尽量减小轨道摩擦。（教师根据学生想法减小轨道摩擦，改进实验，验证学生猜想，为批判性思维提供创新依据）

（三）批判性评价：领悟真谛

问题：你能知道伽利略为什么要质疑亚里士多德的观点吗？你能理解理想实验的意义何在？（引领学生通过批判性思维，辩驳伽利略和亚里士多德观点，评价伽利略质疑的合理性，理解伽利略创新点：伽利略在反思亚里士多德“观察+思辨”的研究方法创新“实验+推理”建构“理想实验”的研究方法，其本质是在真实的科学实验事实的基础上，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维来深刻揭示自然规律的科学研究的重要方法）

问题：伽利略同时代的物理学家笛卡尔也对运动和力的关系进行了研究。他进一步指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。你比较笛卡儿与伽利略的观点，他又有什么新的突破？（引导学生通过批判性思维评价，领悟科学思维建立是在不断质疑和创新基础上的）

学生：笛卡儿明确指出了速度不变，沿直线运动下去，伽利略仅指出是沿水平面运动。（通过比较让学生体会批判性思维和质疑创新的魅力）

问题：回到现实，你能否用现代方法论证笛卡尔、牛顿观点的正确，理解理想斜面实验合理正确？（让学生批判反驳，领悟质疑，寻找创新得出用打点计时器和纸带、频闪照片、视频等现代创新方法，理解伽利略当时的质疑胆识、创新的伟大）

反思：高中阶段牛顿第一定律的教学是基于初中已有牛顿第一定律认知的，［5］传统的教学通常是通过知识的“回顾+巩固”，至多是向学生直观介绍科学史的基础上完成的。这样做最多只能是传授知识和技能，它不是以物理现象与事实为背景，远离了学生的直接经验，并且也缺乏认知的挑战性，不利于物理观念建立、科学思维的发展。通过基于批判性思维评价来改变教学和学生学习方式，尊重学生思维发展规律，引领学生通过重演科学思维关键步骤，激发领悟质疑的逻辑起点，体验创新重构思维路径，可帮助学生明辨是非、辨别真伪。案例《伽利略的理想斜面实验》教学片段是通过课堂提供全面甚至是矛盾的材料和观点，让学生讨论和辨别，提升批判性思维能力，发展理性思维的示范，通过批判反驳、反思、评价，来引领质疑、体验创新、领悟真谛，帮助学生构建科学思维。

四、结语

《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》凝练出了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度的物理学科核心素养。无论是基于知识和技能为载体的概念、规律凝炼与深度理解，在新的问题情境中迅速匹配并找到解释现象、解决问题的概念、规律和有效信息，为论证、推理及推论提供依据，将知识结构化建构物理观念的形成过程，还是科学探究的问题提出、证据搜集、科学解释、交流合作等物理核心素养的发展路径，以及通过物理学科学习而建立起来核心素养的品格（科学态度与责任），无一不是通过科学思维建构来实现的。科学思维是物理核心素养的核心，处在物理教学的中心地位；批判性思维是用于学习或生活中的任何问题的一种有目的的思维方式，更是科学思维要遵循的思维方式。物理问题情境中，通过批判性思维评估思维方式（通过指出他的思维优势和劣势、内容的清晰度、准确性、精确性、相关性、深度、广度、重要性和公正性），关注思维的各个元素（包括目的、悬而未决的问题、信息、解释和推理、概念、假设、结果和意义、观点等）来实现模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新，是物理教学新方向、新途径，是通向物理科学思维的必然路径。