江 瑤 謝婉君 汪鴻飛 姚關(guān)心

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

1 引言

問題鏈教學(xué)是師生圍繞一定的教學(xué)目標進行設(shè)疑、釋疑的動態(tài)交互過程,同時也是基于學(xué)生的原有認知圍繞一系列問題進行知識建構(gòu)的過程,[1]前后問題具有關(guān)聯(lián)性、遞進性、開放性和主題指向性等鮮明特點。相對于平鋪直敘的教學(xué)而言,問題鏈教學(xué)具有更強的引導(dǎo)性,讓學(xué)生帶著問題審視物理知識,更容易激發(fā)學(xué)生的多元智能,進而拓展學(xué)生思維的廣度、深度。問題鏈已經(jīng)引起眾多學(xué)者和一線教師的重視,但在問題鏈的設(shè)計上,容易忽視真實性情境的重要性。教育的最終目的是使學(xué)生在未來可以成功地解決真實情境中的復(fù)雜問題,[2]“問題鏈”教學(xué)有必要重視真實性情境的創(chuàng)設(shè)。

“動量定理”是人教版高中物理教科書選擇性必修第一冊的第1章第2節(jié),常用來解決碰撞類問題,與生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密,是與STSE教育契合度較高的素材。本文以“動量定理”為例,探討基于真實性情境的問題鏈教學(xué)策略。

2 基于真實性情境的問題鏈教學(xué)流程

基于真實性情境的問題鏈的教學(xué)可分為課前預(yù)設(shè)、課堂教學(xué)和課后反思三個環(huán)節(jié),旨在優(yōu)化情境問題的關(guān)聯(lián)性、遞進性和指向性,提升課堂教學(xué)的有效性,教學(xué)流程如圖1所示。

圖1

2.1 課前預(yù)設(shè)

在學(xué)生已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上“增長”新知識,運用“已知”探“新知”,是使知識“活化”的重要途徑。教師在上課前應(yīng)了解學(xué)生的知識基礎(chǔ)、思維方式以及學(xué)習(xí)方法等,對課標和教材進行研讀,以確定教學(xué)目標。將教學(xué)目標與學(xué)生已有經(jīng)驗相結(jié)合,立足生活實際,創(chuàng)設(shè)具有啟發(fā)性、真實性的問題情境,考慮每個子問題解決中的學(xué)生活動。

2.2 課堂教學(xué)

在教學(xué)過程中,教師導(dǎo)入設(shè)計好的初始問題,引發(fā)學(xué)生的探究欲望,再拆分問題,引導(dǎo)學(xué)生深入思考,逐步解決子問題,達到解決初始問題的目的。正如鐘啟泉教授所言:“核心素養(yǎng)不是直接由教師教出來的,而是需要學(xué)生在具體的問題情境中借助問題解決的實踐而逐步培養(yǎng)和發(fā)展起來的。”[3]

2.3 課后反思

對學(xué)生而言,總結(jié)反思是自我監(jiān)控活動的重要組成部分,也是學(xué)習(xí)能力的核心。在每節(jié)新課結(jié)束后,學(xué)生如果能夠自發(fā)地進行知識總結(jié)和對學(xué)習(xí)行為進行反思,可以更高效地完成知識的同化順應(yīng),提高學(xué)習(xí)能力。同樣,教師也需要總結(jié)反思,例如,問題情境的創(chuàng)設(shè)是否合理?問題鏈是否起到腳手架的作用?課堂把控是否得當(dāng)?只有不斷地進行反思,才能實現(xiàn)教學(xué)相長的目標。

3 “動量定理”教學(xué)目標及教學(xué)策略的應(yīng)用

3.1 教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》對本節(jié)的內(nèi)容要求為:“通過理論推導(dǎo)和實驗,理解動量定理,能用其解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象?！盵4]再結(jié)合教材和學(xué)情分析,確定本節(jié)課的教學(xué)目標。

(1) 在新課導(dǎo)入中創(chuàng)設(shè)“學(xué)生踢足球”的情境,提出問題:動量變化量與什么有關(guān)?要求學(xué)生提出猜想,并利用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案、得出結(jié)論,從而提高學(xué)生的科學(xué)探究和合作交流能力。

(2) 通過公式推導(dǎo)和實驗探究,認識到力與時間的乘積具有特殊意義,促進學(xué)生深刻理解動量定理的物理意義。

(3) 在真實性問題的驅(qū)動下,理解動量變化的原因是力的沖量,能用動量定理解決多種緩沖問題。

(4) 在“扮演生活角色”等活動中,體會物理學(xué)與生活的聯(lián)系和在生活中的應(yīng)用,提高學(xué)生的遷移能力。

(5) 在解決與“911事件”相關(guān)的原始問題中,學(xué)生經(jīng)歷分析推理、模型建構(gòu)、原理選用以及賦值運算等過程,切實提高他們的科學(xué)思維能力和問題解決能力;引導(dǎo)學(xué)生進行質(zhì)疑和驗證,培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進行邏輯推理、質(zhì)疑的能力,促使他們養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度。

3.2 教學(xué)策略應(yīng)用

3.2.1 緊密聯(lián)系生活,引入新課主題

情境:春天是一個美麗的季節(jié),同學(xué)們會經(jīng)常到操場踢足球。

初始問題：在踢球過程中,腳和球的接觸可以看作一次碰撞,球的動量變化量與哪些因素有關(guān)呢?

子問題1：腳每次使球停下的力都相同嗎?

子問題2：有時候球的速度過快,你能讓它停下嗎?

子問題3：球在腳下緩沖一會也可以停下,這說明什么呢?

學(xué)生通過思考,提出猜想(表1)。

表1

設(shè)計意圖：從熟悉的情境引入新課,根據(jù)學(xué)生的親身體驗設(shè)計問題,不僅起到了激趣的作用,還體現(xiàn)了“從生活走向物理,物理走向生活”的課程理念。[5]以層層遞進的問題為學(xué)生搭建臺階,使學(xué)生提出動量變化量與力、力的作用時間相關(guān)的猜想。

3.2.2 體驗真實情境,設(shè)計探究實驗

實驗器材：兩個完全相同的橡皮泥小球、硬板、泡沫塑料盒等。

初始問題：如何利用這些器材探究動量變化量與時間是否有關(guān)?

子問題1：動量變化量、作用力、作用時間是3個不同的物理量,在探究動量變化量與作用時間的關(guān)系時,需要用到哪些科學(xué)方法?

生:控制變量法。

子問題2：在運用控制變量法時,改變其中一個變量,控制其余變量不變,從而探究這個變量對動量變化的影響。這個實驗涉及3個物理量,其中不變量、自變量和因變量分別對應(yīng)哪個物理量?

當(dāng)教師提出的問題跨度比較大的時候,學(xué)生容易出現(xiàn)思維卡頓的現(xiàn)象。因此授課前教師需要預(yù)估學(xué)生在問題解決中遇到的困惑,減小問題之間的跨度。

子問題3：從踢足球的體驗中我們已經(jīng)知道,當(dāng)作用時間相同時,動量變化量與力成正相關(guān)。在這個問題情境中,我們是如何運用控制變量法的?

子問題4：如何保持動量變化量不變?

子問題5：硬板、泡沫塑料盒是用來改變哪些物理量的?

當(dāng)學(xué)生經(jīng)過思考,梳理完實驗思路后,教師演示實驗:讓橡皮泥小球從同一高度釋放,分別與硬板和泡沫塑料盒發(fā)生碰撞。由于橡皮泥小球彈性差,碰后速度變?yōu)? m/s,所以小球碰撞前后的動量變化量相同。泡沫塑料盒比硬板的彈性好,對球的緩沖作用強,所以小球與它的作用時間較長。學(xué)生觀察兩次碰撞后橡皮泥小球的形變程度,最后發(fā)現(xiàn)落在硬板上的小球形變量大,由力的作用效果判斷出球與硬板之間的作用力較大。本實驗中的不變量、自變量和因變量見表2。

表2

學(xué)生通過探究得出結(jié)論:當(dāng)動量變化量一定時,物體間作用時間越短,相互作用力越大。

教師追問:如何從理論角度推導(dǎo)動量變化量、碰撞時間、作用力三者的關(guān)系?

設(shè)計意圖：教師先提出難度較大的初始問題,再拆分為多個子問題,通過對子問題的分析達到解決初始問題的目的。教師提供實驗器材,通過問題鏈的層層引導(dǎo),學(xué)生自主設(shè)計實驗方案,由教師進行課堂演示。通過理論推導(dǎo)、猜想驗證,從感性和理性兩方面促進學(xué)生理解動量定理。

3.2.3 扮演生活角色,體會物理妙用

情境：你發(fā)現(xiàn)家里桌布臟了,于是想幫媽媽清洗,但桌布上擺著好幾件重心低且比較重的物品。

初始問題：聰明的你不需搬走物品就拿出了桌布,這是如何做到的呢?

生:沿桌面以很快的速度抽出桌布。當(dāng)桌布與物品的作用時間很短時,物品的動量變化量也很小,物品不會從桌面掉落。

師:同學(xué)們能從物理學(xué)角度解決和解釋生活中遇到的問題了!提醒大家一點,由于外在因素的影響和人為操作的不確定性,同學(xué)們在操作時要注意桌上的易碎、貴重物品。

設(shè)計意圖：在學(xué)生習(xí)得新的物理原理之后,再將知識引向生活,深化知識理解,體會知識來源于生活等。角色扮演不僅讓學(xué)生感受到知識的重要與作用,提高知識應(yīng)用能力,還能促進內(nèi)在動機的產(chǎn)生,提高學(xué)習(xí)物理的興趣。

3.2.4 聚焦時事熱點,養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度

情境：2001年發(fā)生的“911事件”震驚世界,美國紐約世貿(mào)中心被兩架客機損毀,大樓采用鋼架結(jié)構(gòu),十分堅固,能夠承受7.5×107N的力,[6]從理論上分析,客機幾乎不可能將大樓撞倒,大樓“坐塌”以及“不是撞后立即倒塌”等事實也能證明大樓不是被撞倒的。

根據(jù)相關(guān)資料,波音767客機的質(zhì)量約為156 t,低空飛行的速度為500～600 km/h,取其最大速度600 km/h,約為167 m/s。從錄像畫面看,飛機沒有穿透大樓,大樓寬不超過100 m,飛機在大樓內(nèi)運動約50 m。

初始問題：怎么證實上述觀點?

生:求出碰撞時的沖擊力,比較它與大樓最大承受力之間的關(guān)系。

子問題1:怎么求碰撞時間?

子問題2：怎么求碰撞時的沖擊力?

生:運用動量定理求,由Ft=mv,得:F≈4.34×107N<7.5×107N。4.34×107N的力不足以撞倒世貿(mào)中心,因此推斷是正確的。

設(shè)計意圖：為了鞏固新知和訓(xùn)練學(xué)生的遷移能力,教師可以多挖掘生活素材作為原始問題。這道題使用的都是較為真實的數(shù)據(jù),但考慮到撞擊過程涉及更為復(fù)雜的知識,又須考慮到計算結(jié)果的可靠性,對過程做了簡化處理。在沖擊力計算的過程中,學(xué)生需要從原始問題里忽略次要影響因素,建構(gòu)出物理模型,選用合適的公式進行賦值計算。當(dāng)分析出結(jié)果時,每個人都被如此龐大的數(shù)字所震驚:當(dāng)質(zhì)量大、速度快的飛機與大樓發(fā)生碰撞時,會產(chǎn)生多么可怕的力量。同時學(xué)生對遇難者的遭遇更加感同身受,深感悲痛,教師再對學(xué)生進行安全、情感教育,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

4 結(jié)語

通過“動量定理”的教學(xué)可以看出,以真實性情境為問題背景,以問題鏈為驅(qū)動,引導(dǎo)學(xué)生自主進行知識建構(gòu),能夠有效提高他們的科學(xué)思維和問題解決能力。