一、问题提出
物理规律（包括物理原理、定律、定理、法则、公式等），揭示的是物质的结构和物质运动所遵循的规律。物理规律教学是指在观察和实验的基础上，通过分析、归纳、总结而得到的有关物理量之间的必然联系的典型规律类课型，是物理课堂教学的基本课型之一。
物理规律教学的重点是培养学生科学思维与科学探究能力。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确提出了初中物理核心素养，其中，科学思维是发展核心素养的关键，而物理规律教学又是培育科学思维的重要基础。
新课标还明确指出了科学思维的培养要求是：会用所学模型分析常见的物理问题，具有初步的科学推理能力、初步的科学论证能力和质疑创新的意识。
然而，物理规律是千百年来历代科学家的智慧结晶，学生很难通过一节课的学习，把形象思维的物和逻辑思维的理联系起来。在实际教学过程中，教师采用的教学手段单一、教学环节设计不严谨、对知识结构及其内在的联系分析不足、不重视培养学生科学思维，导致学生对物理规律的学习兴趣较低，不能深入认识物理规律本质，解决物理问题的能力较差，且科学思维水平不高。因此，在物理规律教学中，对学生科学思维的培养，既是物理规律教学的题中之义，亦是新课标的要求。
而力与运动的关系，是物理学家千百年来不停探索的一个难题，探索历程蕴含着丰富的科学方法，也是人类思维进阶的过程。牛顿第一定律又是牛顿在亚里士多德、伽利略、笛卡尔等物理学家的探究基础上完善得出的，可以为初中物理规律教学培育学生科学思维，提供典型范例。于是，以下便以苏科版初中物理“牛顿第一定律”为例，阐述在物理规律教学中培育学生科学思维的策略。
二、在物理规律教学中培育学生科学思维的策略
笔者对我校八年级430名学生进行了“力和运动”前概念问卷调查（见表1）。调查结果显示，物体的运动需要力来维持、推物体没有推动是因为推力小于阻力、惯性大小与速度有关等，这些在学生头脑中隐藏已久的错误前概念，是本节课学习的障碍，需要教师设置思维冲突，引导学生释放头脑中的错误前概念。
下面从“创设物理规律建立的情境，运用科学方法建立物理规律，理解物理规律的本质，借助科学方法应用物理规律，运用物理规律解释物理现象”五个方面，阐述在物理规律教学中培育学生科学思维的策略。
表1“力和运动”前概念问卷调查
（一）创设物理规律建立的情境——确定思维的起点
依据认知理论，物理规律学习要经历发现、提出、分析、解决问题的过程，而要解决问题，就要先提出问题。提出问题是物理规律学习的起点，也是思维的起点。皮亚杰认为，任何学习都要从情境开始，真实的情境有助于学生发现并提出问题。教师可以利用多媒体技术、物理实验、体验感悟、引发辩论等方式创设物理规律学习情境，避免因手段单一影响学生学习物理规律的兴趣。
笔者在教学时，首先播放北京冬奥会开幕式，滑冰运动员滑出会徽的视频片段。然后，提出问题：是什么让运动员由静止变为运动，又由运动变为静止呢？力和运动之间是什么关系呢？学生回答：是力，力和运动是相互作用的关系。
于是，进入体验感悟和小组辩论环节。首先，教师让学生推桌面上静止的木块，木块运动，停止用力后，木块也停止了，此时教师展示亚里士多德的观点：物体的运动需要力来维持。然后，教师让学生用力推桌面上的小车，停止用力，小车没有立刻停止，教师介绍伽利略观点：物体的运动不需要力来维持。接着，小组展开辩论：两个观点，好像都有道理，桌面上静止的小车，不推它就不会运动；停止用力还能向前运动；运动一段距离，会停下来，是因为桌面对小车有阻力。最后，学生提出猜想：可能是阻力对物体的运动有影响。
综上，首先教师通过视频让学生看到运动员由静止变为运动，又由运动变为静止，提出力和运动之间有什么关系的问题；接着，教师通过两个体验活动，引出亚里士多德和伽利略的争论；然后，师生共同分析，得出结论：要解决争论，需要科学探究；最后，聚焦探究阻力对运动的影响。
因此，创设物理规律建立的情境，首先需要借助真实的情境引出课题；然后借助认知冲突的情境，提出问题，确定思维的起点，聚焦要探究的问题。
（二）运用科学方法建立物理规律——培养思维建构的能力
新课标指出科学思维是从科学视角对客观事物的本质属性、内在规律以及相关关系的认识，是分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维方法的内化。在教学过程中让科学方法外显，学生可以用科学视角去解决新的问题，帮助学生建构整体方法体系。
1.探究实验，培养探究思维
科学探究既是发展核心素养的重要途径和手段，也是培养学生合作学习的重要路径，其难点是方案的设计和探究思维的培养。
教学过程中，师生要先根据实验目的，确定要探究的问题，把笼统的探究问题转化为解决多个小问题，选择合适的实验器材，确定先后顺序，设计记录实验的表格，这样可以避免探究实验变成简单的验证实验；尽量分组实验，小组可以根据遇到的新问题，不断地修正、改进方案。
首先，明确问题，设计方案。教师给出木块、小车、小球，引导学生选择合适的研究对象：木块摩擦力大；小球摩擦力虽小，方向不好控制；选择小车，摩擦力适中，方向好控制。然后，教师提问：怎样改变阻力？学生根据经验选择改变接触面的粗糙程度，以改变阻力。
接着，师生共同分析，怎样让小车运动。大家先是用手推，发现不好控制力度；于是，构建斜面，让小车从同一斜面同一高度滑下，控制小车到平面速度相同。通过小车在水平面上滑行的距离看是否有影响及影响大小。读取滑行距离有两种方法，一种是用刻度尺测量，一种是用小旗标记位置，经过师生分析后认为这是一个定性实验，采用标记位置的方法即可。最后，小组合作设计实验表格，如表2。
表2 小车在不同表面受力及运动距离
其次，分组实验，得出结论。小组合作完成实验，如图1所示，让小车从斜面A点自由滑下，分别滑到毛巾、棉布、木板平面，用小旗标记小车停下的位置，数据记录在表2中。小组分析表格数据，得出结论：阻力对运动有影响，阻力越小影响越小，小车运动的距离越远。
这样一来，学生亲历实验设计、分组实验、得出结论、分享收获的过程，深刻体会到阻力大小对运动的影响，有助于培养他们的科学探究能力及分析、归纳、总结等思维能力。
图1
2.建构模型，培养科学思维
建构模型是科学思维培养的重要方面。从哲学角度来说，建构模型是指在处理具体问题时，学会抓住事物的主要因素与本质特征，忽略事物的次要因素，从而科学地解决问题。建构模型要遵循由简到繁，由易到难，循序渐进，逐步深入的原则，经历初建模型、完善模型和建构模型的过程。
首先，递进设问，初建模型。如上，得出阻力越小，小车运动得越远的结论后，教师提出了一个新的问题：我想让小车运动得更远，怎么办？同学们回答：可以换用光滑的平面，越光滑阻力越小。
教师又问：如果我换成更光滑的平面，小车会怎样运动呢？学生回答：小车会运动得更远。教师继续追问：如果我把表面换成阻力为零的材料，小车会怎样运动呢？学生回答：小车将一直运动下去。
其次，演示实验，完善模型。教师介绍，伽利略为了反驳亚里士多德的观点，利用如图2所示的理想斜面进行实验探究，在实验方法上进行改进。每次让小球从左边的斜面的同一高度自由下滑，逐渐降低右边斜面的倾角，小球每次会滑到右边斜面相同的高度，但是，滑行的距离越来越远，当右边的斜面变得水平时，滑行得更远。推理：若没有阻力，小球将永远运动下去。
图2最后，推理论证，建构模型。师生共同分析在这个过程中滑行时间和滑行速度是怎样变化的（见表3），顺利从“真实情况”过渡到“理想情况”。物理学家笛卡尔在伽利略的观点基础上，对物体运动方向进行限制，进一步提出：如果不受阻力，物体将一直保持匀速直线运动，说明物体的运动不要力来维持。
表3小车滑行时间、速度变化与阻力大小关系
上述探究实验，教师先引导学生推理出“阻力减小，小车运动距离变远”，再换阻力更小的小球沿着轨道运动，帮助学生认识到没有阻力，小球会沿直线运动下去。最后对实验数据进行补充分析，增加过渡阶段，从真实实验现象顺利过渡到理想结论。
至此，运动物体不受阻力时，会一直保持匀速直线运动的观念建立起来，突破了学生头脑中的“物体的运动需要力来维持”的错误的前概念思维。
3.思维加工，建立新的思维
科学思维是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是基于事实证据和科学思维对不同观点和结论质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。思维加工就是大脑的思考过程，其本质是新旧知识建立联系，是把获得的新的信息整合到已有的知识体系中，从而完成对知识体系的更新。思维加工一般要经历以下过程：提出问题，激发思维活动；创设情境，提供思维载体；通过类比，建立新的思维。
首先，提出问题，激发思维活动。根据上面的实验，教师总结：亚里士多德根据生活经验，提出“物体的运动需要力来维持”的观点；伽利略改进方法，用理想斜面实验得出“物体不受力将永远运动下去”的创新观点；笛卡尔在伽利略的基础上，提出“物体不受力将保持匀速直线运动”的完善观点。教师提出新问题：运动的物体，不受力时会保持匀速直线运动，静止的物体不受力，会是怎样呢？
其次，创设情境，提供思维载体。播放视频：航天员王亚平取出冰墩墩，放手后冰墩墩静止，接着用手推了一下，冰墩墩向远处飞去。学生思考后回答：静止的物体，不受力会保持静止，直到有力让它运动；物体运动起来后会一直保持匀速直线运动，直到有外力让它停止。
最后，通过类比，建立新的思维。教师总结，牛顿在伽利略等科学家研究的基础上，补充不受力时静止物体的情况，建构了著名的牛顿第一定律，即“一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态”。
牛顿第一定律的得出，经历了“亚里士多德提出观点→伽利略创新观点→笛卡尔完善观点→牛顿建构规律”的过程。课堂上顺着这条路径，培养学生科学思维加工能力，同时，也引导学生敢于质疑，敢于突破。
一节课时间有限，规律的建立过程不能用到所有的科学思维方法，而每个科学思维方法培养的能力也各有侧重。探究实验，重点培养科学探究思维，又侧重实验方案设计及数据处理；建构模型是初中教学的难点，课堂上引导学生经历初建模型、完善模型及建构模型环节，让学生有了建模的意识；思维加工用的是“最后一公里”效应，培养学生分类思维。
（三）理解物理规律的本质——培养思维推理的能力
理解和掌握物理规律的本质是物理学习的中心任务，又是物理思维能力培养的重要途径。但是，很多物理规律比较抽象，导致学生不能深刻理解其内涵和外延。教师要先借助实际场景，帮助学生从各种联系中，排除非本质联系，暴露规律的本质。然后，教师再借助实验或活动，帮助学生透过现象，经过思维推理，理解规律的本质，形成物理观念。
首先，借助实际场景，暴露本质。教师投影冬奥会现场的滑冰运动员和观众
，提出问题：如果此刻外力全部消失，运动员和观众的运动情况会怎样呢？学生回答：根据牛顿第一定律可知，不受力时，观众保持静止，运动员做匀速直线运动。
教师追问，为什么观众静止，运动员保持匀速直线运动呢？学生回答：观众原来是静止的，运动员原来是运动的。教师释疑：物体有一种保持运动状态不变的性质，即惯性。
其次，借助演示实验，理解本质。教师用细线悬吊两个外型相同的乒乓球A和B，其中B球内注满水。用同样的力度吹小球，观察到小球A更容易动起来，B不容易动起来。得出结论：物体质量越大，惯性越大。
本环节让学生认识到，所有物体都有惯性，物体没有保持原来运动状态，是因为有外力迫使其改变，学生真正理解力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动的原因。综上，教师在物理规律得出后，还要继续挖掘规律背后的本质，帮助学生透过现象，从本质上认识规律，培养思维推理的能力。
（四）借助科学方法应用物理规律——培养思维概括的能力
物理规律要借助科学方法，在实际应用中进一步深化和理解。物理课上，教师要让学生深刻体会到物理有用，展现的实验现象尽可能与生活紧密联系。同时，物理教学肩负着培养学生学习能力的使命，可通过对比、归纳、建构说理模型等方法解释现象，培养学生思维概括能力。
其一，模拟实验，认识惯性。教师先投影急刹车的情景，然后请学生用小车、木块模拟现象，体会刹车时人体前倾的情况。最后，教师请学生解释现象。
其二，小活动，利用惯性。首先，教师拿出一个松了的锤头，请同学们想办法，把锤头套紧在锤柄上。然后，小组讨论方案，一种方法是用手压上去，另一种方法是握住锤柄迅速敲击坚硬地面，利用惯性，把锤头套在锤柄上。最后，小组合作完成，解释原因。
其三，小调查，防止惯性。课前调查问题：随着汽车普及，各种交通事故频发，如果你是汽车制造商，你会在汽车上安装哪些防止惯性带来伤害的装置呢？学生展示：现在的汽车装有安全带、安全气囊、前后保险杠等。
如上，课堂教学设计按照认识惯性、利用惯性和防止惯性的思路进行。教师引导学生对比刹车、安装锤头、安全气囊归纳出说理模型，即确定研究对象原来的状态，突然某一部分发生变化，由于惯性研究对象要保持原来状态，所以出现了什么情况。
初中生语言组织能力较弱，缺少条理性、逻辑性，提炼简化的思维概括能力弱，对事物的本质属性及内在联系的抽象概括，也只是初步地接近科学概括。所以教师在应用物理规律的教学过程中，要选择对比、建模等合适的科学方法，给学生“搭建脚手架”，由浅入深，引导学生积极思考，回归问题的本源。
（五）运用物理规律解释物理现象——培养思维综合的能力
力和运动前概念问卷调查显示，有77.91%的同学认为，站在匀速直线向前行驶的汽车上的人竖直上跳起，会落在起跳点的后方。为了检验学生是否能突破这一前概念，准确应用牛顿第一定律，教师设置问题：在大海中匀速直线行驶的轮船上，一位乘客站在船尾，当他竖直向上跳起，他会落在哪儿呢？结果，仍然有46%的同学还会认为，人会落在起跳点的后方。
接着，教师播放视频，人在匀速直线行驶的拖拉机上玩蹦床，人会落在起跳点上。然后，教师用动画演示，匀速直线行驶的车上，竖直上抛小球，小球落回原处的运动轨迹，如图3所示。最后，师生一起用牛顿第一定律解释现象。
图3
物理规律课堂教学的最后一个环节是“延伸与应用”，这一环节教师需要选择与生活相关的原始物理问题，赋予传统习题以鲜活的情境，通过学生“想当然”的答案暴露出思维问题，再用可靠的事实使得学生“恍然大悟”。
然后，教师再引导学生用物理规律多角度去分析，从而彻底消除隐藏在学生头脑中的前概念，培养思维综合的能力。
三、结语
这节课遵循的主要逻辑是：创设情境，提出力和运动关系的两难问题；理想实验，找出力和运动的关系；思维加工，完善力和运动关系→揭示本质，用惯性揭示牛顿第一定律；科学方法，会用牛顿第一定律解释现象；原始问题，破除头脑中前概念。师生逐步认识牛顿第一定律的本质，形成力不是维持物体运动，而是改变物体运动的物理观念。
总之，基于核心素养的教学不单是让学生获取知识，更重要的是培养他们的科学精神、科学态度，充分感受到科学探究的乐趣。物理规律的教学设计要以学科核心素养为导向，遵循一定的科学逻辑，帮助学生在丰富的体验过程中主动建构知识，加深对物理规律的理解，培育学生科学思维。
注：本文刊发于《新课程评论》2023/09「研究」栏目。本文摘要、关键词与参考文献等详情见纸刊。
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