劉健智 齊思遠(yuǎn) 胡惠琪

（湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

1 問(wèn)題及問(wèn)題解決

問(wèn)題是指?jìng)€(gè)人在有目的地追求而尚未找到適當(dāng)手段時(shí)所感到的心理困境.［1］心理學(xué)研究表明，意識(shí)到問(wèn)題的存在是思維的起點(diǎn).［2］沒(méi)有問(wèn)題的思維是膚淺的思維、被動(dòng)的思維.［2］我國(guó)古代偉大的教育家孔子認(rèn)為“疑是思之始，學(xué)之端”.可見(jiàn)，問(wèn)題意識(shí)對(duì)于學(xué)生思維的發(fā)展極其重要.所謂問(wèn)題意識(shí)，是指人們?cè)谡J(rèn)識(shí)活動(dòng)中，經(jīng)常意識(shí)到一些難以解決或疑惑的實(shí)際問(wèn)題及理論問(wèn)題，并產(chǎn)生一種懷疑、困惑、焦慮的心理狀態(tài).這種心理又驅(qū)使個(gè)體積極思維，不斷提出問(wèn)題和解決問(wèn)題.［3］因此，物理教學(xué)中教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí).

問(wèn)題解決是指由一定的情境引起、按照一定的目標(biāo)，運(yùn)用一系列的認(rèn)知操作使問(wèn)題得到解決的過(guò)程.［1］生活中，人們處處面臨著需要解決的問(wèn)題，為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，需要具備一定的問(wèn)題解決能力.因此，物理教學(xué)需培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力.

2 物理教學(xué)即解決問(wèn)題

在物理學(xué)的發(fā)展歷程中，問(wèn)題占據(jù)著極其重要的地位，物理知識(shí)的發(fā)現(xiàn)源于物理問(wèn)題的解決，物理教學(xué)要體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，就應(yīng)從問(wèn)題出發(fā).同時(shí)，新課程理念要求教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程和物理規(guī)律的形成過(guò)程，即要求學(xué)生經(jīng)歷解決問(wèn)題的過(guò)程.因此，物理教學(xué)過(guò)程就是解決問(wèn)題的過(guò)程.

一堂物理課需要解決很多問(wèn)題，我們需要抓住其中的核心問(wèn)題，即抓住一堂課的主問(wèn)題.教學(xué)中學(xué)生通過(guò)解決主問(wèn)題學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)，具備主問(wèn)題使課堂邏輯清晰.例如“加速度”一課，如何描述速度變化的快慢就是課堂的主問(wèn)題.通過(guò)理論探究得到速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值可以描述速度變化的快慢，課題可板書(shū)為“如何描述速度變化的快慢——加速度”；“力的合成”一課，如何求兩已知分力的合力就是課堂的主問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得到平行四邊形定則，課題可板書(shū)為“如何求兩已知分力的合力——平行四邊形定則”.課堂板書(shū)課題可以采用“主問(wèn)題＋結(jié)論”（有時(shí)會(huì)增加“學(xué)習(xí)方式”）的形式，如筆者設(shè)計(jì)的“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”片段教學(xué)的課題板書(shū)（圖1）中，［4］將“主問(wèn)題：原子內(nèi)正電荷的分布”設(shè)置為“主標(biāo)題”，將問(wèn)題得到解決后的結(jié)論“原子核”設(shè)置為二級(jí)標(biāo)題，在主標(biāo)題前又設(shè)置了學(xué)習(xí)方式為“探究”.二級(jí)標(biāo)題一定要在問(wèn)題得到解決后再板書(shū).這樣的課題板書(shū)使“需要解決的問(wèn)題”“問(wèn)題得到解決后得到的結(jié)論”“問(wèn)題解決的方式”一目了然地呈現(xiàn)了出來(lái)，并突出了學(xué)生這一學(xué)習(xí)主體.

圖1 問(wèn)題解決教學(xué)模式的課題板書(shū)

3 比值定義的物理概念

比值定義的物理概念指的是用兩個(gè)或多個(gè)物理量之“比”來(lái)定義的物理概念，中學(xué)物理教材中有大量用比值定義的物理概念.以是否反映事物的某種固有屬性作為標(biāo)準(zhǔn)，將比值定義的物理概念分為兩類(lèi)：［5］第一類(lèi)物理概念描述的是事物自身的某種固有屬性，有電場(chǎng)強(qiáng)度、電容、磁感應(yīng)強(qiáng)度等，這類(lèi)物理概念屬于“性質(zhì)量”；第二類(lèi)物理概念描述的是事物外在的狀態(tài)、外在的作用強(qiáng)弱，而非事物的某種固有屬性，有速度、加速度、功率等，這類(lèi)物理概念屬于“狀態(tài)量”.

比值定義的物理概念具有一定的抽象性，學(xué)生不易理解，教學(xué)中要讓學(xué)生理解定義概念的來(lái)龍去脈.運(yùn)用比值法定義一個(gè)新的物理概念的邏輯是：觀察發(fā)現(xiàn)事物具有某種性質(zhì)或狀態(tài)，進(jìn)而思考如何描述事物的這種性質(zhì)或狀態(tài)，然后通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)可以用物理量的比值來(lái)描述事物的這種性質(zhì)或狀態(tài)，為了研究方便，就把探究發(fā)現(xiàn)的比值“命名”為一個(gè)新的物理概念.分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用比值法定義新的物理概念是為了解決如何描述事物某種性質(zhì)或狀態(tài)的問(wèn)題，即比值定義的物理概念教學(xué)中的主問(wèn)題是如何描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài).

高中物理教學(xué)中典型的比值定義的概念有3個(gè)：加速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度，3者也常常是對(duì)師范生進(jìn)行物理概念教學(xué)技能訓(xùn)練，特別是教學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練的典型課例，［6－8］其原因如下.

（1）加速度是高中物理第一個(gè)比值定義的概念.盡管在此之前學(xué)的速度也是比值定義的概念，但由于速度在初中已經(jīng)接觸過(guò)，學(xué)生不太陌生，而加速度是高中物理獨(dú)有、全新的核心概念.

（2）區(qū)別于加速度，電場(chǎng)強(qiáng)度非常抽象，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)更難理解，且是靜電場(chǎng)中的第一個(gè)比值定義的概念.

（3）電場(chǎng)強(qiáng)度和加速度概念都是運(yùn)用科學(xué)推理這一科學(xué)思維要素得出的，或者說(shuō)是通過(guò)“理論探究”得出來(lái)的，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值概念的得出過(guò)程，必須進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)探究”，因此對(duì)學(xué)生的學(xué)以及對(duì)教師的教難度更大.

4 比值定義物理概念的教學(xué)環(huán)節(jié)

綜合問(wèn)題及問(wèn)題解決的重要性和比值法定義物理概念的邏輯，比值定義的物理概念的教學(xué)應(yīng)以如何描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)的主問(wèn)題為中心，圍繞主問(wèn)題的提出和解決過(guò)程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).據(jù)此，筆者構(gòu)建了基于問(wèn)題及問(wèn)題解決的比值定義物理概念教學(xué)模式（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“教學(xué)模式”），教學(xué)模式包含“創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題”“初步探討，找描述量”“科學(xué)探究，解決問(wèn)題”“命名比值，得出概念”“運(yùn)用概念，拓展延伸”5個(gè)環(huán)節(jié)，其對(duì)應(yīng)的問(wèn)題及解決過(guò)程和教學(xué)分析如圖2所示.

圖2 基于問(wèn)題及其解決的比值定義物理概念教學(xué)模式流程圖

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題

任何一個(gè)概念，都有建立的必要性，學(xué)習(xí)者只有清晰地認(rèn)識(shí)到這個(gè)必要性或者概念在實(shí)際生活中的價(jià)值，才能夠進(jìn)行主動(dòng)地學(xué)習(xí).［9］運(yùn)用比值法定義新的物理概念是為了描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)，首先要讓學(xué)生感知到事物的性質(zhì)或狀態(tài)，明確建立概念的事實(shí)依據(jù)，［10］因此需要教師創(chuàng)設(shè)相關(guān)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生通過(guò)觀察情境提出主問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題的能力.

情境由教師創(chuàng)設(shè)，問(wèn)題由學(xué)生提出.主問(wèn)題比較抽象，一般學(xué)生不易一步到位提出，根據(jù)支架式教學(xué)理論，需要一串問(wèn)題鏈逐步引導(dǎo).例如，在“加速度”的新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)觀察教師呈現(xiàn)的視頻情境，逐步發(fā)現(xiàn)：速度是變化的→速度變化有快有慢，最終提出欲解決的主問(wèn)題：速度變化的快慢如何描述.即“速度變化的快慢如何描述”主問(wèn)題的提出經(jīng)歷了“問(wèn)題1：物體速度有何特點(diǎn)→問(wèn)題2：速度變化有何特點(diǎn)→主問(wèn)題：速度變化的快慢如何描述”的問(wèn)題鏈，如圖3所示.

圖3 “創(chuàng)設(shè)情境 提出問(wèn)題”的流程圖及其案例

問(wèn)題情境要服務(wù)于問(wèn)題的提出，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出問(wèn)題.教師在設(shè)計(jì)新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)時(shí)，首先得明確問(wèn)題鏈和主問(wèn)題，然后針對(duì)問(wèn)題設(shè)計(jì)問(wèn)題情境.一些比值定義的物理概念及其教學(xué)中的主問(wèn)題如表1所示.

表1 比值定義的物理概念及其教學(xué)中的主問(wèn)題

創(chuàng)設(shè)情境可以使用圖片、視頻等多媒體手段，也可以使用演示實(shí)驗(yàn).例如，在加速度的新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，可以運(yùn)用汽車(chē)和火車(chē)起步加速的視頻呈現(xiàn)速度在變化的情境；［6］在磁感應(yīng)強(qiáng)度的新課引入環(huán)節(jié)，可以演示“條形磁鐵吸引大頭針”實(shí)驗(yàn)——改變條形磁鐵的位置，條形磁鐵吸引的大頭針數(shù)量不同——引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：“磁場(chǎng)具有力的性質(zhì)，但同一磁場(chǎng)不同位置這種力的性質(zhì)是不一樣的，即磁場(chǎng)的強(qiáng)弱不同.”進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生提出要解決的主問(wèn)題“磁場(chǎng)的強(qiáng)弱如何描述”.［8］

4.2 初步探討，找描述量

主問(wèn)題一經(jīng)提出，課堂走向就已明確，即解決提出的主問(wèn)題.解決問(wèn)題首先需要找到可以描述該性質(zhì)或狀態(tài)的物理量，即找描述量.尋找描述量是解決描述事物性質(zhì)或狀態(tài)這一問(wèn)題的研究起點(diǎn).比值定義的概念有狀態(tài)量和性質(zhì)量?jī)深?lèi)，對(duì)于性質(zhì)量如電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容這些抽象的、與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系不密切的概念，描述量的尋找更是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，即教學(xué)難點(diǎn).最終是用描述量的比值來(lái)描述事物的性質(zhì)或狀態(tài)，比值中分子和分母的確定遵從不同的邏輯，下面就分子和分母的確定展開(kāi)論述.

分子的確定可以從兩個(gè)角度出發(fā).一是根據(jù)提出的主問(wèn)題確定，例如在如何描述速度變化快慢的問(wèn)題中，分析問(wèn)題可知描述速度變化的快慢需要用到速度的變化量；二是根據(jù)創(chuàng)設(shè)的情境確定，例如在電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)中，情境中同一試探電荷在同一電場(chǎng)中的不同位置所受的電場(chǎng)力大小不一樣，可知可以用試探電荷在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力來(lái)描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱.相對(duì)于分母的確定，分子的確定對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較小.

反映事物性質(zhì)或狀態(tài)的物理量在特定情況下必須是一個(gè)定值，例如描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量在特定電場(chǎng)（靜電場(chǎng)）中的特定一點(diǎn)必須是一個(gè)定值.由此，確定分母可以遵循以下思路：通過(guò)教學(xué)活動(dòng)體現(xiàn)分子不是一個(gè)定值，而會(huì)隨著某個(gè)或某幾個(gè)物理量的變化而變化，因此不能僅用分子一個(gè)物理量描述該性質(zhì)或狀態(tài)，還應(yīng)考慮上述影響分子的物理量，分母即為該物理量.例如，在如何描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的問(wèn)題中，分子確定為電場(chǎng)中試探電荷受到的電場(chǎng)力，根據(jù)庫(kù)侖定律可知電場(chǎng)中同一位置帶電量不同的試探電荷受到的電場(chǎng)力大小不同，得出不能僅用電場(chǎng)力F來(lái)描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱，還應(yīng)考慮試探電荷的電荷量q，從而確定分母為試探電荷的電荷量q.再如，在如何描述磁場(chǎng)的力的性質(zhì)的問(wèn)題中，由于實(shí)驗(yàn)中是通過(guò)通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的力來(lái)嘗試解決問(wèn)題，而通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)受到的力的大小與導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度、導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)電流的大小兩個(gè)因素有關(guān)，因此分母中必然涉及到以上兩個(gè)因素.分析這兩個(gè)案例，特別是后一個(gè)案例，分母的確定有一定的難度，其原因一是可能涉及到多個(gè)物理量；二是需要具有扎實(shí)的物理知識(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，因此尋找描述量的教學(xué)難點(diǎn)更是體現(xiàn)在分母的確定上.

4.3 科學(xué)探究，解決問(wèn)題

找到可以用來(lái)描述該性質(zhì)或狀態(tài)的物理量后，就要通過(guò)科學(xué)探究確定具體的描述方法，最終得到用物理量的比值可以描述該性質(zhì)或狀態(tài)的結(jié)論.“提出問(wèn)題”“找描述量”就是為這一教學(xué)環(huán)節(jié)服務(wù)的，“科學(xué)探究，解決問(wèn)題”是比值定義的物理概念教學(xué)的重點(diǎn)所在.

科學(xué)探究包括理論探究和實(shí)驗(yàn)探究，根據(jù)解決問(wèn)題的需要進(jìn)行選擇，如“加速度”“電場(chǎng)強(qiáng)度”概念的得出運(yùn)用的是“理論探究”；而“磁感應(yīng)強(qiáng)度”“電容”概念的得出運(yùn)用的是“實(shí)驗(yàn)探究”.學(xué)生往往不理解為什么要用比值定義一個(gè)新的物理概念，這一步需要體現(xiàn)用物理量的比值描述事物性質(zhì)或狀態(tài)的原因.根據(jù)概念生成過(guò)程的不同，把探究的思路分為以下兩類(lèi).［11］

對(duì)于“性質(zhì)量”，探究的思路可以概括為：通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)物理量的比值為定值，反映出可以用物理量的比值描述事物的某種性質(zhì).以得出試探電荷所受的靜電力與它的電荷量的比值可以描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱為例，進(jìn)行說(shuō)明.

對(duì)于“狀態(tài)量”，探究的思路可以概括為：比較需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).以得出速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值可以描述速度變化的快慢為例.

假設(shè)有兩個(gè)速度均勻變化的物體，當(dāng)速度變化量相同時(shí)，所用時(shí)間越短的速度變化越快；當(dāng)所用時(shí)間相同時(shí)，速度變化量越大的速度變化越快.當(dāng)速度變化量和所用時(shí)間都不相同時(shí)，如何比較速度變化得快慢呢？比較要有意義，必須統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這里我們?nèi)∷脮r(shí)間相同為比較的標(biāo)準(zhǔn)，如何使所用時(shí)間相同呢？根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)知道把速度的變化量和所用時(shí)間相除就能得到相同時(shí)間速度的變化量，進(jìn)而可以比較速度變化的快慢，速度的變化量和所用時(shí)間的比值越大，速度變化越快.由此，得到速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值可以描述速度變化的快慢，便解決了如何描述速度變化的快慢這一問(wèn)題.

4.4 命名比值，得出概念

在物理教學(xué)中，必須向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：我們是把比值“命名”（而不是“定義”）為一個(gè)新的物理概念，而不是把新的物理概念“定義”為比值，遵從這個(gè)邏輯，就能讓學(xué)生理解為什么要定義一個(gè)新的物理概念了.這時(shí)讓學(xué)生自己歸納出這類(lèi)概念命名方法是“比值定義法”.至此，學(xué)生也就能很好地理解比值定義的物理概念的物理意義就是“用來(lái)描述……”.以“加速度”為例，通常的說(shuō)法（加速度的定義是速度的變化量與所用時(shí)間的比值）是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，下面兩種表述才體現(xiàn)了物理學(xué)的本質(zhì)和比值定義概念的真正意義：

4.5 運(yùn)用概念，拓展延伸

比值定義的物理概念都是用定量的方法來(lái)描述事物的性質(zhì)或狀態(tài)，也可以稱(chēng)為物理量.深入理解一個(gè)物理量，僅理解了物理量的物理意義是不夠的，還需要對(duì)概念進(jìn)行完善、對(duì)上述教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行延伸，讓學(xué)生了解概念的外延.從以下兩個(gè)方面進(jìn)行拓展.（1）討論物理量的單位以及物理量是狀態(tài)量還是過(guò)程量、是矢量還是標(biāo)量、是相對(duì)量還是絕對(duì)量等.［10］（2）比值定義的物理量的最大特點(diǎn)是被定義物理量本身與定義它的物理量無(wú)關(guān)，而從物理實(shí)質(zhì)上決定它的物理量另有其量，［13］這里的無(wú)關(guān)指的是沒(méi)有因果關(guān)系.［14］最后，教師還可以設(shè)計(jì)相關(guān)習(xí)題，讓學(xué)生運(yùn)用剛學(xué)習(xí)的概念，鞏固對(duì)概念的理解.

5 教學(xué)價(jià)值

比值定義物理概念教學(xué)，很多人進(jìn)行了研究，但都沒(méi)有很好地揭示出問(wèn)題的本質(zhì)，也沒(méi)有給出一套具有可操作性的教學(xué)模式，我們構(gòu)建的教學(xué)模式除了有極強(qiáng)的可操作性外，還具有以下優(yōu)勢(shì).

5.1 突顯了比值定義概念的物理本質(zhì)

構(gòu)建的比值定義物理概念教學(xué)模式的“創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題→初步探討，找描述量→科學(xué)探究，解決問(wèn)題→命名比值，得出概念→運(yùn)用概念，拓展延伸”5步教學(xué)環(huán)節(jié)，突出了物理概念的建構(gòu)過(guò)程，體現(xiàn)了物理概念的本質(zhì)，其核心思想是“先比值再命名”，即“先尋找比值，再命名比值”.

5.2 問(wèn)題意識(shí)和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)

教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生觀察情境中呈現(xiàn)的現(xiàn)象，提高學(xué)生的觀察能力，培養(yǎng)學(xué)生勤觀察的良好品質(zhì).學(xué)生通過(guò)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)解釋不了的現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲.教學(xué)模式中的問(wèn)題由學(xué)生提出，有利于培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和提出問(wèn)題的能力，促使學(xué)生意識(shí)到生產(chǎn)生活中存在許多問(wèn)題，使學(xué)生遇到疑惑時(shí)能意識(shí)到問(wèn)題的存在，并能提出問(wèn)題.教學(xué)模式緊扣問(wèn)題解決，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生積極思考、參與解決問(wèn)題的過(guò)程，能有效提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力.

5.3 學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升

“創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題”教學(xué)環(huán)節(jié)從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)；從情境中抽象出易于研究的理想模型，提高學(xué)生的模型建構(gòu)能力；通過(guò)問(wèn)題鏈提出主問(wèn)題是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评磉^(guò)程，能提高學(xué)生的科學(xué)推理能力.“初步探討，找描述量”教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生針對(duì)問(wèn)題提出能用來(lái)描述事物某種性質(zhì)或狀態(tài)的物理量的合理猜想，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí).“科學(xué)探究，解決問(wèn)題”教學(xué)環(huán)節(jié)解釋了為什么物理量的比值可以描述事物的某種性質(zhì)或狀態(tài)，學(xué)生理解了事物該性質(zhì)或狀態(tài)的本質(zhì)，有利于形成正確的物理觀念；在解決問(wèn)題的過(guò)程中運(yùn)用了分析、綜合和比較等思維方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.“命名比值，得出概念”教學(xué)環(huán)節(jié)遵從物理本質(zhì)，解釋將物理量的比值命名為一個(gè)新的物理量的原因，體現(xiàn)了正確的物理觀念.教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)，使學(xué)生逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.