蔡 鉗 陳繼紅 曹衛(wèi)東 周 攀 陳信余

（1.華南師范大學(xué)附屬中學(xué)，廣東 廣州 510000；2.廣州教育研究院，廣東 廣州 510062；3.廣州大學(xué)附屬中學(xué)，廣東 廣州 510006；4.廣州執(zhí)信中學(xué)，廣東 廣州 510062）

情境，是教學(xué)的重要載體.物理學(xué)科的教學(xué)離不開情境.情境，也是普通高中物理課程改革中出現(xiàn)頻率極高的一個(gè)詞，不管是教學(xué)，還是考試，情境化是一個(gè)重要的方向.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年）》（2020年修訂）在各章節(jié)的教學(xué)建議中均提出要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，這體現(xiàn)了基于情境展開教學(xué)活動(dòng)的重要性.

要培養(yǎng)科學(xué)思維，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)什么樣的真實(shí)情境？要如何基于真實(shí)情境展開師生活動(dòng)？科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.那么，情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)根據(jù)課程目標(biāo)的需求，有意識(shí)地指向這些要素的培養(yǎng).

下面，通過理論歸納與實(shí)例展示落實(shí)科學(xué)思維素養(yǎng)目標(biāo)的做法.

1 重視模型建構(gòu)過程的師生活動(dòng)

模型建構(gòu)能力是應(yīng)用物理學(xué)知識(shí)解決問題的重要能力，要解決實(shí)際問題，首先必須能夠從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)問題，進(jìn)而將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型，然后調(diào)用物理規(guī)律解決問題.模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，最重要的是要突破從現(xiàn)象到物理模型的思維距離（圖1）.

圖1

《思維的模式》一書將人類接觸現(xiàn)象的過程描述為：“重要性（指人類對事物最突出的印象）”—“表達(dá)”—“理解”3個(gè)步驟.具體到物理模型的建構(gòu)，可以將這一思維過程拓展為“印象”—“描述”—“理解”—“抽象概括”—“形成模型”5個(gè)步驟.也就是說，從現(xiàn)象到物理模型，應(yīng)該給予學(xué)生最突出的感官印象、充分的描述和表達(dá)的機(jī)會(huì)、理解的時(shí)間和空間、抽象概括的過程以及構(gòu)建物理模型的結(jié)果.這樣將能夠順利突破上文所說的思維的距離.

下面，以“圓周運(yùn)動(dòng)”的一個(gè)教學(xué)實(shí)例展示這個(gè)思維過程.

圖2

案例1.如圖2，帶車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的直桿道閘，離地面高為1m的細(xì)直桿可繞O在豎直面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動(dòng).汽車從自動(dòng)識(shí)別線AB處到達(dá)直桿處的時(shí)間為3.3s，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為0.3s；汽車可看成高1.6 m的長方體，其左側(cè)面底邊在a a′直線上，且O到汽車左側(cè)面的距離為0.6m，要使汽車安全通過道閘，直桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度至少多大？

下面通過表1展示教學(xué)活動(dòng)的過程.

上述教學(xué)活動(dòng)中，基于學(xué)生對物理模型建構(gòu)的各個(gè)不同的思維階段，給予學(xué)生相應(yīng)的啟發(fā).整個(gè)教學(xué)過程圍繞這樣一個(gè)思路：汽車不碰到桿的直觀感受——汽車不碰到桿的物理?xiàng)l件——用物理模型建構(gòu)一個(gè)汽車不碰到桿的圖形——應(yīng)用已有的物理模型解決問題.在每一個(gè)階段，教師應(yīng)給予學(xué)生充分的思維空間和時(shí)間，力求最大程度的讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型的建構(gòu)過程.

值得注意的是，上述的教學(xué)過程雖然側(cè)重了模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，但也涉及了分析（對汽車高度、距離以及角度大小的分析）、推理（推出桿轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間、桿恰好越過汽車等結(jié)論）等思維過程.一個(gè)教學(xué)事件的發(fā)生，必然涉及學(xué)生各方面的素養(yǎng)，只是教師根據(jù)不同的素養(yǎng)目標(biāo)的預(yù)設(shè)，開展側(cè)重點(diǎn)不同的教學(xué)活動(dòng)，從而較好地落實(shí)目標(biāo).

2 重視科學(xué)推理的思維過程

科學(xué)推理是科學(xué)思維的重要體現(xiàn)，是科學(xué)思維的“顯性動(dòng)作”.推理，包括是從一般到特殊的演繹推理、從特殊到一般的歸納推理、從類似的現(xiàn)象進(jìn)行遷移的類比推理.下面通過教學(xué)實(shí)例探討基于真實(shí)情境進(jìn)行推理的教學(xué)活動(dòng).

在探究重力做功是否跟路徑有關(guān)的問題中，在教師的引導(dǎo)下，某實(shí)驗(yàn)小組對重力做功與路徑無關(guān)產(chǎn)生質(zhì)疑，想從真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境中證實(shí)這個(gè)結(jié)果，于是設(shè)計(jì)了下面幾組真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行探究.

該小組通過表2中的3個(gè)不同情境的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)v1與v2幾乎相等，v3略小一點(diǎn)，但誤差范圍內(nèi)v1、v2、v3可以視為相等.

表2

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推理：情境1中小球沿著圓弧路徑運(yùn)動(dòng)、情境2中小球沿著豎直路徑運(yùn)動(dòng)、情境3中小球沿著光滑斜面運(yùn)動(dòng)，從小球到達(dá)斜面底端的速度相等這個(gè)事實(shí)，同學(xué)的結(jié)論是什么？

學(xué)生：小球沿著3個(gè)不同的路徑到達(dá)光電門處，但路徑的高度差一樣，小球到達(dá)底端的速率也一樣.這說明這3種情況重力對小球做功的大小相等.

教師：那么，我們是否可以將這個(gè)結(jié)論進(jìn)行這樣的拓展：如果小球沿著其他路徑運(yùn)動(dòng)，只要高度差一樣，重力做的功相等.從理論上是否能夠論證這一結(jié)論？

師生交流：如圖3，小球沿著不規(guī)則的曲線軌道下滑，下滑的豎直高度為H，重力對小球做功多大？

圖3

根據(jù)功的定義：力與沿著力方向的位移的乘積，可以輕松得到重力做功為m gH，這與前面的3個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致.

可以進(jìn)一步探討：如圖4，將曲線軌道分為無數(shù)段無限小的軌道，每段軌道可以近似為直線軌道.第一段軌道長ΔL1，其與豎直方向夾角為θ1，根據(jù)功的定義，重力做功為mgΔL1cosθ1=mgΔH1，從而可得小球從軌道頂端下滑豎直高度為H的過程中，重力對小球做的功為W=mg（ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+…）=mgH.

圖4

上述教學(xué)過程，通過3個(gè)真實(shí)的情境獲得3個(gè)特定的結(jié)果，在通過結(jié)果的比較演繹推理得到重力做功與路徑?jīng)]有關(guān)系的初步結(jié)論.這是在足夠多的“感性材料”的基礎(chǔ)上，運(yùn)用推理的思維方式獲得的初步結(jié)論.接著，質(zhì)疑結(jié)論的普遍性：通過這3個(gè)情境得出的結(jié)論是否能夠得出一個(gè)普遍成立的規(guī)律？于是，教師運(yùn)用功的定義和公式結(jié)合數(shù)學(xué)方法進(jìn)行多角度的分析，最終得到一個(gè)令學(xué)生信服的結(jié)論：重力做功與路徑無關(guān)，等于重力與高度差的乘積.

教師進(jìn)而向?qū)W生提出一個(gè)更普遍的問題：是否與重力性質(zhì)類似的力做功，其大小都與路徑無關(guān)？

這一過程，讓學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)結(jié)論形成的完整的思維過程：從感性材料出發(fā)，一步步演繹、推理，結(jié)合定量分析，最終歸納得出結(jié)論，這對培養(yǎng)科學(xué)推理能力、落實(shí)科學(xué)思維素養(yǎng)目標(biāo)的培養(yǎng)是有效的.

同樣的，上述教學(xué)不僅僅局限在科學(xué)推理這一要素，其中也涉及了質(zhì)疑、論證等方面思維的啟發(fā)和培養(yǎng).也就是說，任何教學(xué)過程對學(xué)生思維發(fā)展的影響都不是孤立的，而是全面的，只是教師在教學(xué)過程中側(cè)重點(diǎn)不同而促使教學(xué)目標(biāo)指向不同.

3 重視質(zhì)疑創(chuàng)新的問題情境

質(zhì)疑是科學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，提出問題比解決問題更重要已經(jīng)成了一種共識(shí).在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上，思考、尋找解決疑問的方法，最終得到解決問題的策略，就是一種創(chuàng)新.下面，通過一個(gè)基于真實(shí)情境的習(xí)題的教學(xué)案例，探討培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的一種方式.

案例2.如圖5，單人雙槳賽艇比賽中，運(yùn)動(dòng)員用雙槳同步劃水使賽艇沿直線運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)員每次動(dòng)作分為劃水和空中運(yùn)槳兩個(gè)階段.假設(shè)劃水和空中運(yùn)槳用時(shí)均為0.8s，賽艇（含運(yùn)動(dòng)員、雙槳）質(zhì)量為70k g，受到的阻力恒定，劃水時(shí)雙槳產(chǎn)生動(dòng)力大小為賽艇所受阻力的2倍.某時(shí)刻雙槳?jiǎng)側(cè)胨畷r(shí)賽艇的速度大小為4m/s，緊接著運(yùn)動(dòng)員完成1次動(dòng)作，此過程賽艇前進(jìn)8m.求

圖5

（1）劃水和空中運(yùn)槳兩階段賽艇的加速度大小之比；

（2）賽艇的最大速度大小和受到的恒定阻力大小.

該題的解答過程比較簡單，題目已經(jīng)將賽艇的運(yùn)動(dòng)抽象成這樣的物理模型：劃槳時(shí)，賽艇做勻加速直線運(yùn)動(dòng)；空中運(yùn)槳時(shí)，賽艇做勻減速直線運(yùn)動(dòng).這利用動(dòng)力學(xué)規(guī)律不難解答.解完這個(gè)問題，筆者覺得這么好的素材情境應(yīng)該發(fā)揮更大的作用，于是向?qū)W生提出這樣一個(gè)問題：大家有沒有見過賽艇，賽艇的運(yùn)動(dòng)真的是這樣的嗎？我們把運(yùn)動(dòng)過程抽象成先勻加速、后勻減速直線運(yùn)動(dòng)的過程，這會(huì)不會(huì)與現(xiàn)實(shí)偏離太大？

問題一拋出，頓時(shí)鴉雀無聲.顯然，學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于這樣的理想化方式，對于是否合理已經(jīng)沒有思考的習(xí)慣了.當(dāng)然，有個(gè)別學(xué)生說他也有這樣的疑問.

于是，筆者讓學(xué)生課后去查閱資料，下一節(jié)課再來解決問題.

最后，通過查閱資料，有學(xué)生找到對賽艇劃水比較合理的建模方式：賽艇的運(yùn)動(dòng)可以抽象成一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)疊加一個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)，它運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像大致如圖6所示.

圖6

于是教師進(jìn)一步提問：賽艇的真實(shí)的速度圖像與該題中運(yùn)動(dòng)的v-t圖差異大嗎？

學(xué)生在圖6中作出了題目所建立模型的運(yùn)動(dòng)圖像的v-t圖，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)圖像比較接近.教師借機(jī)提出這樣的觀點(diǎn)：簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像中，絕大部分與直線非常接近，基于高中階段的知識(shí)限制，把賽艇的簡諧運(yùn)動(dòng)簡化為先勻加速后勻減速直線運(yùn)動(dòng)的模型，是可以接受的.這樣的結(jié)論，得到多數(shù)學(xué)生的支持，還有少部分質(zhì)疑的學(xué)生，他們會(huì)繼續(xù)鉆研、繼續(xù)查閱資料、繼續(xù)發(fā)現(xiàn)問題，這不就是教學(xué)的目的嗎？

圖7

這一教學(xué)過程，不僅能夠讓學(xué)生重新發(fā)現(xiàn)一個(gè)物理模型簡化思路，更能夠培養(yǎng)學(xué)生對習(xí)以為常的事實(shí)產(chǎn)生質(zhì)疑的習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑之后尋找解決問題的創(chuàng)新的思路和方法.

4 結(jié)論

綜上所述，在創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境的教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)思維，從創(chuàng)設(shè)情境到基于情境進(jìn)行教學(xué)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不是孤立的，每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該落在學(xué)生思維的關(guān)鍵點(diǎn)上，在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行啟發(fā)，推動(dòng)學(xué)生的思維順著預(yù)設(shè)的教學(xué)路徑前進(jìn).同樣，對于培養(yǎng)科學(xué)思維的各個(gè)要素的教學(xué)策略也不是孤立的，模型建構(gòu)過程需要分析推理，分析推理過程涉及抽象概括，只是選擇的側(cè)重點(diǎn)不同罷了.希望上述的案例，能夠?yàn)檎鎸?shí)情境的教學(xué)如何培養(yǎng)科學(xué)思維提供思路與啟發(fā).