彭憲流

(英德市教師發(fā)展中心 廣東 清遠 513000)

余耿華

(廣東省教育研究院 廣東 廣州 510035)

李池華

(英德市第一中學 廣東 清遠 513000)

陳信余

(廣州市教育研究院 廣東 廣州 510030)

許桂清

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510631)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》教學建議的第二條指出:在教學設計和教學實施中要重視情境的創(chuàng)設;創(chuàng)設情境進行教學,對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用[1].《國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》提出要積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式等課堂教學.課堂是落實學科核心素養(yǎng)的主陣地,而發(fā)展學生的科學思維能力是重要的教學目標.

科學思維是指基于事實和證據(jù),本著嚴謹務實的態(tài)度,運用歸納概括、演繹推理、模型建構、批判思維和創(chuàng)造思維等方法認識世界,解決物理問題的思維習慣與能力[2].主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素,物理學習中的科學思維包括分析、綜合、抽象、概括、判斷、演繹、歸納、類比、推理等.培養(yǎng)學生的科學思維能力是物理課堂教學設計的核心目標,無論是情境的創(chuàng)設、實驗的展示,還是探究的構思,都離不開提升學生科學思維能力這根主軸[2].科學思維的教學應優(yōu)化教學方式和學習方法,給學生創(chuàng)設富有挑戰(zhàn)性的教學情境和問題,引導學生經(jīng)歷物理概念的建構過程和物理規(guī)律的形成過程,激發(fā)學生的積極思維,優(yōu)化學生的思維方式方法,循序漸進地培養(yǎng)學生的科學思維能力.

本文提出以物理情境為探究載體,以情境問題為任務驅動,顯化思維過程發(fā)展學生科學思維能力的情境化教學策略.

1 展現(xiàn)生活情境 建構物理模型

建構模型是科學研究的核心活動,是一種重要的科學思維方式,與科學知識的建立有密不可分的關系.高中階段的模型建構思維表現(xiàn)在能夠分析模型所涉及的各個要素及其結構,使用模型解釋物理現(xiàn)象和過程,闡明物理概念和原理,在真實的情境中具有構建模型的意識和能力等[3],教師應幫助學生在學習物理的過程中發(fā)展自己的模型,并使其與科學模型一致,從而加深對科學本質的理解.

【例1】“質點”模型的建構教學.

教學環(huán)節(jié)一：模型建構.

教師活動:

(1)創(chuàng)設問題情境(觀看視頻):港珠澳大橋因其超大的建筑規(guī)模、空前的施工難度和頂尖的建造技術而聞名世界,大橋總長55 km,設計速度100 km/h,如圖1所示.一輛貨車通過港珠澳大橋至少要多長時間?

圖1 港珠澳大橋視頻片段圖

(2)假如忽略貨車的長度,貨車通過港珠澳大橋的時間又是多少?

(3)比較兩次計算出來的時間.

(4)引入質點概念.

學生活動:

(1)觀察圖片,描述現(xiàn)象,用運動示意圖表征貨車通過大橋的過程,運用學過的運動學知識計算運動時間,解釋需要知道的物理量.估算相關物理量,應用物理公式進行計算,得出結果約為0.55 h.

(2)應用物理公式進行計算,得出的結果為

0.55 h.

(3)自覺比較,經(jīng)歷解決真實問題,體驗引入質點概念的意義.

(4)了解質點的含義.

設計意圖：建構初始模型,學生通過問題情境,自主建構貨車運動過程模型,學生通過兩次計算發(fā)現(xiàn)物體的大小對所研究問題的影響,經(jīng)歷質點模型的建構過程,體驗引入質點概念的意義.

教學環(huán)節(jié)二：模型檢驗.

教師活動:假如是計算貨車通過橋上兩個相距30 m標識牌的時間呢?

學生活動:應用并檢驗初始模型.用所建構的初始模型計算結果,比較是否忽略物體大小的結果差異.嘗試根據(jù)計算結果修正初始模型.

設計意圖：修正初始模型,當學生比較是否忽略物體大小的結果差異時,產生認知沖突,進一步領悟質點的含義.

教學環(huán)節(jié)三：模型分析.

教師活動:是否體積小的物體可以看作質點?體積大的物體就不可以看作質點?為什么?

學生活動:總結完善模型,思考、小組交流討論,形成統(tǒng)一意見,物體能否被看作質點,要根據(jù)問題的具體情況而定.

設計意圖：知道將物體抽象為質點的條件,體會建構物理模型的思維方式.

教學環(huán)節(jié)四：模型應用.

教師活動:情境問題,如圖2所示.

圖2 運動的物體

請判斷下列物體能否看作質點.

(1)研究發(fā)球技術時的乒乓球,如圖2(a);

(2)研究爬行軌跡時的瓢蟲,如圖2(b);

(3)研究對接過程中的神舟飛船與空間站,如圖2(c);

(4)評判動作時的花樣滑冰運動員,如圖2(d).

學生活動:應用物理模型,根據(jù)所研究的問題,判斷能否把物體看作質點.并自覺運用反證法論證自己的判斷.

設計意圖：應用和拓展物理模型,能將特定實際情境中的物體抽象成質點,認識物理模型在探索自然規(guī)律中的作用.

教學環(huán)節(jié)五：模型內涵.

教師活動:在質點的建構過程中,運用了怎樣的思想方法?

學生活動:抓住主要矛盾,忽略次要矛盾.

設計意圖：挖掘內涵,體會研究問題的思維方式和哲學思考.

評析：教學中通過創(chuàng)設真實情境,在教師的引導下基于學習進階和問題解決,為建?；顒釉O計腳手架,引導學生主動進入建模的學習活動中.學生經(jīng)歷物理建模的過程;理解物理模型的使用條件;認識到物理模型在研究復雜問題中的作用;學會通過建構物理模型來研究解決實際問題.

2 體驗生活情境 凸顯科學推理

科學推理是由一個或幾個已知的判斷,推導出一個未知結論的思維過程,是在實驗基礎上經(jīng)過概括、抽象、推理得出規(guī)律的研究方法[4].高中物理科學推理是一個從具體到抽象,再從抽象到具體的過程,包括歸納推理、演繹推理、類比推理等,科學推理必須嚴格合乎邏輯,由個別到一般,又由一般到個別的反復過程,達到歸納和演繹的統(tǒng)一,過程中需要通過對現(xiàn)象的分析提出問題、形成假設、形成見解,并在此基礎上得出結論.

【例2】“失重和超重”的邏輯推理.

教學環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設體驗情境.

教師活動:讓學生演示在體重計上蹲下后不動再站起來的實驗,如圖3所示.

圖3 體重計實驗

學生活動:學生在蹲下過程中體重計示數(shù)先變小,后變大,再變小,最后保持不變;站起過程中示數(shù)先變大,后變小,再變大,最后保持不變.

設計意圖：實驗中當失重和超重現(xiàn)象出現(xiàn)時,會涉及科學思維的質疑創(chuàng)新.

教學環(huán)節(jié)二：邏輯推理.

教師活動:說明現(xiàn)象.人在體重計上下蹲或起立時,示數(shù)會小于或大于靜止時的示數(shù).

學生活動:提出質疑.(1)人的錯覺嗎?(2)人的重力發(fā)生變化了嗎?

設計意圖：基于實驗現(xiàn)象和已經(jīng)掌握的知識事實引導學生進行邏輯推理.

教學環(huán)節(jié)三：分析邏輯推理.

教師活動:分析事實.(1)物體靜止時,物體對水平面壓力等于物體的重力;(2)物體運動時,物體的重力沒有發(fā)生變化.

學生活動:觀察現(xiàn)象.物體運動時,對水平面的壓力發(fā)生了變化.

設計意圖：根據(jù)以上現(xiàn)象和事實,推出引起壓力大小變化的原因是物體的運動速度.

教學環(huán)節(jié)四：驗證邏輯推理.

教師活動:由于下蹲過程很快,現(xiàn)場很難辨別,用手機把實驗過程中指針示數(shù)的變化錄下來,然后用視頻播放軟件慢速播放.

學生活動:學生發(fā)現(xiàn)在體重計上下蹲過程中示數(shù)先變小后變大,下蹲過程中人的速度一直向下,為什么既有失重現(xiàn)象,也有超重現(xiàn)象?

設計意圖：實驗中對產生失重、超重現(xiàn)象原因的分析和提出產生條件時,引導學生進行一系列的邏輯推理,讓學生根據(jù)實驗現(xiàn)象和事實作出符合邏輯關系的判斷,培養(yǎng)邏輯思維能力.

教學環(huán)節(jié)五：邏輯推理.

教師活動:失重狀態(tài),人對體重計的壓力小于重力,由牛頓第三定律可知,人受到的支持力等于人對體重計的壓力,即人受到的支持力小于重力,由牛頓第二定律可知,此時人處于向下加速運動狀態(tài).

學生活動:同理可推出當人減速下降時,即到達最低點前一段時間內處于超重狀態(tài),所以體重計示數(shù)先變小后變大.

設計意圖：(1)明確超重失重現(xiàn)象產生的原因是物體速度的變化,與物體的速度方向無關,而是取決于物體的加速度方向;(2)物理現(xiàn)象應該用物理概念和規(guī)律進行邏輯推理.

評析：教學中應該讓學生正確理解和應用多種科學推理方法,從定性和定量兩個方面進行科學推理,找出規(guī)律、形成結論、解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題.教師不僅要關注推理結論,更要重視推理過程,引導學生發(fā)現(xiàn)個別事物共同的特點,尋找本質特征,讓學生明確研究對象、物理條件、推理方向以及對結果的解釋,教學過程中應盡可能實現(xiàn)多種推理方式相結合.

3 探究實驗情境 加強科學論證

科學論證是一種依據(jù)科學事實或概念、規(guī)律,采用一定的推理方法,證明某一觀點或結論正確與否的科學思維[4].科學思維中的科學論證應以科學知識為中介,積極面對問題,對所獲得的資料進行解釋說明,提出自己的論點,反思自己及別人論點的不足并提出反論點,同時能反駁他人的質疑和批判的高級思維能力.

【例3】實驗論證“平拋運動”豎直方向做自由落體運動.

教學環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設實驗情境.

教師活動:演示平拋運動演示器,讓兩小球同時做自由落體運動和平拋運動,如圖4所示.

圖4 平拋運動

學生活動:觀察演示實驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)小球同時落地(聽落地聲音),學生小組討論.

設計意圖：得到初步結論,平拋運動的豎直分運動是自由落體運動.

教學環(huán)節(jié)二：科學論證并獲取證據(jù)1.

教師活動:這個實驗獲取的證據(jù)能否嚴謹證明平拋運動的豎直分運動是自由落體運動?如果不行,怎么辦?

學生活動:小組討論,交流;提出可以多次改變實驗裝置的離地高度,重復實驗.

教師活動:把平拋運動演示器離地高度改為1 m,1.5 m,…,重復實驗.

學生活動:觀察實驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)小球還是同時落地.

設計意圖：以更嚴謹?shù)姆绞竭M行實驗,得到實驗證據(jù).

教學環(huán)節(jié)三：科學論證并獲取證據(jù)2.

教師活動:實驗證據(jù)1能否嚴謹證明平拋運動的豎直分運動是自由落體運動?

學生活動:討論、交流,有學生提出質疑.

教師活動:展示兩個小球同時開始分別做自由落體運動和平拋運動的頻閃照片,如圖5所示.

圖5 頻閃照片

學生活動:從照片可以看出兩個小球在同一時刻的高度始終相同.

設計意圖：進一步質疑反駁,并積極思考更嚴謹?shù)姆椒ǐ@取證據(jù).

教學環(huán)節(jié)四：科學論證并獲取證據(jù)3.

教師活動:該照片顯示的證據(jù)能否嚴謹證明上述主張?

學生活動:討論、交流,有些學生經(jīng)過深度思考認為不能嚴謹證明.

教師活動:如何更嚴謹?shù)刈C明?

學生活動:增大頻閃頻率,兩小球總是在同一高度.

設計意圖：進一步質疑反駁,并積極思考更嚴謹?shù)姆椒ǐ@取證據(jù),運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預測.

評析：教學中應關注學生科學證據(jù)的意識和能力的發(fā)展,鼓勵學生在課堂上開展論證活動,培養(yǎng)學生運用證據(jù)對研究的問題進行描述、解釋和預測.引導學生對論證的觀點進行質疑和反駁、對提出的主張進行論證,明晰自己的推理依據(jù)并采用多種方式和途徑收集事實依據(jù).

4 梳理實驗情境 發(fā)展質疑創(chuàng)新

質疑創(chuàng)新是科學思維的重要組成部分,其內涵是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的能力和品格[1].心理學研究表明,創(chuàng)造性思維具有5種主要思維形式:發(fā)散思維、聚合思維、聯(lián)想思維、直覺思維和批判性思維,質疑是創(chuàng)新的基礎,創(chuàng)新是一種意識,其核心是科學創(chuàng)造力[5].從物理學習和活動的角度來看,高中生的科學創(chuàng)造力主要表現(xiàn)在觀察與實驗、物理知識的學習、物理問題的提出、物理問題的解決、物理創(chuàng)造活動等方面.

【例4】感應電流產生條件的質疑創(chuàng)新.

教學環(huán)節(jié)一：邏輯推理實驗1.

教師活動:改變閉合電路內的磁感應強度,能否產生感應電流?實驗裝置示意圖如圖6所示.

圖6 電磁感應實驗1

學生活動:觀察實驗現(xiàn)象.靈敏電流計指針偏轉,電路產生了感應電流.思考產生感應電流的原因.

設計意圖：獲得結論,產生感應電流的條件是磁感應強度B發(fā)生變化.

教學環(huán)節(jié)二：邏輯推理實驗2.

教師活動:改變勻強磁場內閉合電路面積,能否產生感應電流?實驗裝置示意圖如圖7所示[1].

圖7 電磁感應實驗2

學生活動:觀察實驗現(xiàn)象.靈敏電流計指針偏轉,回路產生了感應電流.思考產生感應電流的原因.

設計意圖：獲得結論,產生感應電流的條件是閉合電路面積S發(fā)生變化.

教學環(huán)節(jié)三：質疑分析.

教師活動:提出質疑.單獨改變B或S,閉合電路都會產生感應電流.如果同時改變B和S,電路是否一定產生感應電流?

學生活動:思考、小組討論.

設計意圖：(1)質疑產生感應電流兩個條件之間的相互關系;(2)推理:如果B、S都改變,但保持Φ不變,若不產生感應電流,就說明產生感應電流的條件是Φ的改變.

教學環(huán)節(jié)四：創(chuàng)新驗證.

教師活動:創(chuàng)新實驗,感應電流產生條件演示儀,如圖8所示[1].

圖8 感應電流產生條件演示儀示意圖

學生活動:觀察實驗現(xiàn)象.在線圈運動過程中,穿過線圈的磁感應強度在減小,線圈面積在增大,靈敏電流計指針沒有發(fā)生偏轉!但在線圈套入和拿出的時候,靈敏電流計指針有明顯變化.

得出結論：B、S的變化不是產生感應電流的本質條件,垂直穿過閉合電路的B與S的乘積即磁通量的變化才是產生感應電流的本質條件.

設計意圖：創(chuàng)新實驗設計,驗證質疑,對結果進行解釋.

評析：教學中應該讓學生在課堂上經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、質疑、猜想、分析、設計等行為,鼓勵學生大膽地提出自己的想法.教師還可以創(chuàng)設一些與所學知識相聯(lián)系的具體實踐探究項目,讓學生課內外完成,不斷增強學生的質疑創(chuàng)新意識,培養(yǎng)創(chuàng)造能力.

5 結束語

思維培養(yǎng)是科學教學的根本,教學中要培養(yǎng)學生良好的思維習慣和思維能力,提升思維品質,使學生掌握思維正確的方式和方法,才能造就有創(chuàng)新能力的學生.教師應靈活創(chuàng)設物理情境,讓學生將情境問題簡化抽象建構模型,應用物理知識進行分析推理來尋找證據(jù),鼓勵學生不斷質疑,培養(yǎng)學生的批判性思維,引導學生創(chuàng)造性地解決問題,促進學生科學思維水平的不斷發(fā)展.