葛建光 滕建強

(江蘇省溧陽中學,江蘇 常州 213300)

在傳統(tǒng)教學中,課堂追求知識的積累與傳遞的高效.在物理課堂中,教師常常以條件清晰、數(shù)據(jù)完善、結(jié)構(gòu)良好、經(jīng)人為加工過的問題為載體,引導學生推理演算,強化訓練.這雖在一定程度上訓練了學生的解題能力和熟練程度,但忽略了真實情境的創(chuàng)設(shè)、物理問題的提出和模型建構(gòu)的過程,弱化了學生主體地位與思維的生成,表現(xiàn)出淺層學習的傾向.

新課標強調(diào)“高中物理教學應體現(xiàn)物理學科本質(zhì),要鼓勵學生從生活中積極發(fā)現(xiàn)和提出問題;引導學生從物理現(xiàn)象中分析事物的各個要素和結(jié)構(gòu),抓住事物的關(guān)鍵要素和本質(zhì)特征,建構(gòu)物理模型;引導學生應用物理知識解決生產(chǎn)、生活中的實際問題,增強問題解決和實踐創(chuàng)新的能力”.這就需要我們從真實的物理現(xiàn)象和實際情境出發(fā),為學生提供原始物理問題,引導學生分析思考、建立物理模型,通過科學推理和論證,實現(xiàn)問題解決,培養(yǎng)科學思維,從而促進對物理學科本質(zhì)的理解,增強理論聯(lián)系實際的能力.

1 原始物理問題解決與科學思維的關(guān)系

原始物理問題,是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映物理概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型物理現(xiàn)象和事實.與加工后的結(jié)構(gòu)良好的問題相比,原始物理問題具有真實性、生態(tài)性、穩(wěn)定性、遷移性和開放性等特點.它只是對客觀現(xiàn)象的描述,沒有任何程度的抽象,因此提供給學生的是一個真實開放的物理情境.

科學思維,是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論質(zhì)疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

在原始物理問題解決過程中,學生需要把生活中的物理現(xiàn)象經(jīng)文字、圖像提煉出相關(guān)的原始物理問題,再經(jīng)過分解、轉(zhuǎn)化、抽象、加工,變?yōu)槲锢砟Ｐ?這就是模型建構(gòu)過程;根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗,綜合運用物理規(guī)律和數(shù)學方法進行演算、推導,從而得出結(jié)論,這就是科學推理過程;利用已有的證據(jù)對得到的結(jié)論進行檢驗、評價和提出新觀點、新思路、新方法,這就是科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新過程(如圖1所示).

原始問題教學為學生科學思維的培養(yǎng)提供了重要的范式.在物理課堂中,我們可以從真實的物理現(xiàn)象出發(fā),為學生呈現(xiàn)原始物理問題,引導學生建立物理模型,通過科學推理和論證,進而實現(xiàn)問題解決,培養(yǎng)科學思維能力.以下通過具體案例,探討在高中物理課堂中基于原始物理問題培養(yǎng)科學思維的教學策略.

2 基于原始物理問題培養(yǎng)科學思維的策略

2.1 運用“聯(lián)想—抽象”策略提升模型建構(gòu)能力

原始物理問題保留了物理現(xiàn)象的“原汁原味”,學生在面對這種信息復雜、客觀真實的物理情境時,很難找到可以直接參考的原型,也無法運用定理、公式通過邏輯思維直接進行推導.在這種情況下,非邏輯思維作用凸顯.在課堂中,教師可以引導學生根據(jù)已知的事實和已有的知識經(jīng)驗,運用聯(lián)想、想象、猜測、類比、相似、外推等非邏輯的方法來對問題進行探索;通過對物理現(xiàn)象和過程的分析,抓住其主要因素,忽略次要因素,抽象出研究對象的本質(zhì),從而建構(gòu)理想化的物理模型,確立物理研究的起點.

案例1.“彈性碰撞和非彈性碰撞”教學片段.

活動1.提出原始問題.

教師播放臺球比賽視頻,并提出原始物理問題：白球撞擊彩球,為使彩球進洞,臺球運動員應如何擊打白球?學生觀看比賽視頻后,自主分析,提出各自的觀點.

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)教師通過展示臺球比賽過程,以直觀的物理現(xiàn)象吸引學生的注意力;同時,通過提出開放性的原始物理問題激發(fā)學生思考,訓練學生的聯(lián)想和發(fā)散思維.

活動2.建構(gòu)物理模型.

教師組織學生開展小組合作、討論并設(shè)計解決方案.

學生設(shè)計方案白球擊打彩球類似于碰撞過程,應該可以利用碰撞有關(guān)知識來解決.

教師針對方案引導學生進一步分析.

問題1：該過程涉及什么物理現(xiàn)象?你聯(lián)想到什么物理模型?

問題2：該模型可用什么物理方法解決?需要知道哪些物理量?

問題3：我們需要進行一些理想化假設(shè)嗎?

問題4：你打算如何測量你所需的物理量呢?

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)首先通過開展小組合作,引導學生討論并設(shè)計解決方案,培養(yǎng)學生交流合作能力;同時針對學生給出的方案,引導學生聯(lián)想所學的物理模型,并以此為依據(jù)抓住問題的主要特征,抽象出問題的本質(zhì),通過加工和簡化,從而建構(gòu)理想化的物理模型.

活動3.加工賦值,形成物理習題.

根據(jù)方案中建構(gòu)的碰撞模型,教師將其加工為以下學生容易解決的具體的物理習題：在臺球比賽中,運動員將白球迅速用力擊出,白球撞擊彩球,彩球進洞(如圖2所示).若把球的碰撞近似看作一維彈性碰撞,不計摩擦.經(jīng)測量兩球質(zhì)量均為140 g,被撞后彩球用時0.025 s,運動20.0 cm進洞.試求：擊出后白球的速度多大?

圖2 白球撞擊彩球過程

學會根據(jù)彈性碰撞規(guī)律,自主進行如下求解.

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)教師基于學生建構(gòu)出的理想化模型,對相關(guān)物理量進行賦值,加工為學生容易解決的具體的物理習題;教師引導學生運用已有的物理知識進行演算和推導,得出正確結(jié)論,從而實現(xiàn)學生對原始問題的抽象與解決.

2.2 運用“多元—論證”策略培養(yǎng)推理論證能力

以上方案的設(shè)計與解決促進了學生問題解決能力的提升,但在某些情境中,即使針對同一問題,學生給出的方案也并不唯一.由于原始物理問題最初是沒有任何限制條件的,所以不同學生可能會建構(gòu)不同的物理模型,對此,教師應引導學生多元思考,鼓勵學生勇于展示和論證自己的觀點,從而實現(xiàn)科學思維的過程.

案例2.“理想氣體的狀態(tài)方程”教學片段.

圖3 熱杯倒扣吸水實驗

活動1.提出原始物理問題.

教師演示熱杯倒扣吸水實驗(如圖3所示).將熱的空玻璃杯倒扣在冷水中,發(fā)現(xiàn)杯內(nèi)水面很快上升,似乎被水杯吸了上來.針對此現(xiàn)象,教師啟發(fā)學生提出問題：這一現(xiàn)象的原因是什么?封閉氣體的3個狀態(tài)參量都發(fā)生了怎樣的變化?初末狀態(tài)是否存在定量關(guān)系?

活動2.建構(gòu)物理模型.

思考1：初態(tài)到末態(tài)的變化路徑可能是怎樣的呢?(這是一個不確定的問題,使學生意識到原始物理問題具有不確定性)

思考2：是否可以選擇一些特殊的路徑以方便推理?(控制一個變量,只讓兩個參量變化,將實際問題理想化,啟發(fā)學生建立理想化物理模型)

設(shè)計意圖：運用原始物理問題的不確定性引發(fā)學生的思維沖突,引發(fā)學生對科學本質(zhì)的思考,培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力.

活動3.多元—論證,解決問題.

圖4 氣體多種變化過程

活動4.多元—論證,方法凝練.

在物理課堂中,每位學生都會基于自身的知識經(jīng)驗來建構(gòu)對原始物理問題的理解,提出不同的問題解決方案.無論哪一種解決方案,只要其思維方式是嚴謹?shù)?、論證過程是基于科學證據(jù)的,那么它們都是對科學本質(zhì)的合理探究過程.因此,教師應尊重學生思維,鼓勵學生發(fā)散思考,從而建構(gòu)多元的物理模型,并以此為基礎(chǔ)進行科學推理和問題解決.

2.3 運用“評價—改進”策略培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

求出結(jié)果或得出結(jié)論并不是科學思維的終點,結(jié)論的合理與否則需要進一步科學論證.原始物理問題教學要求把結(jié)論與實際情況進行比照檢驗,作出合理的評價,并根據(jù)評價結(jié)果提出改進措施,使結(jié)果或結(jié)論與真實情況更加吻合.

案例3.“探究平拋運動的特點”教學片段.

活動1.評價教材提供的參考方案.

圖5 小球做平拋運動的頻閃照片

思考：針對“平拋運動有何特點?”這一原始物理問題,教材中給出了兩種探究方案.教材方案1通過一個小球做平拋運動的頻閃照片,測量出相同時間間隔T內(nèi)的水平位移和豎直位移,進而分析小球在水平和豎直方向分運動的特點(如圖5所示).方案2先以步驟1(擊打彈性金屬片讓A、B兩小球同時分別做平拋運動和自由落體運動)來探究平拋運動豎直分運動的特點(如圖6所示),再以步驟2(從斜槽飛出的小球落在上下可調(diào)節(jié)的傾斜擋板上,擠壓背板留下印跡,平滑連接印跡)來探究平拋運動水平分運動的特點(如圖7所示).這兩個方案各有哪些優(yōu)點和不足?

圖6 實驗裝置圖

圖7 實驗裝置圖

總結(jié)評價：方案1用頻閃照相技術(shù)確定小球在各個時刻的位置,偶然誤差小,精確度高.但由于缺少必要的對比參照,對小球在水平方向和豎直方向的分運動的特點作出合理猜想,難度較大.方案2步驟1中將A、B兩球的運動進行對比,便于對平拋小球在豎直方向的分運動的特點進行猜想.不足之處是： (1) 由于兩球的運動時間很短,難以準確判斷它們是否同時落地; (2) 通過對比得到平拋運動在豎直方向的分運動的特點只是定性判斷,并非定量研究.方案2步驟2中實驗直觀、可操作性強,但為了確定小球經(jīng)過的多個位置,需多次調(diào)節(jié)擋板的高度,并將小球多次從斜槽同一點靜止釋放,這就增加了實驗的不確定性,實驗中的偶然誤差相對較大.

活動2.提出探究平拋運動特點的改進方案.

思考：綜合分析上述兩個方案的優(yōu)劣,嘗試設(shè)計探究平拋運動特點的改進方案.

改進方案1：在上述方案一的基礎(chǔ)上引入水平勻速運動的球和豎直自由落體運動的球作對比參照,得到頻閃照片(如圖8所示).這樣可以非常直觀地提出猜想：平拋運動的水平分運動是勻速運動,豎直分運動是自由落體運動.根據(jù)照片的比例測量各個頻閃周期T內(nèi)的水平位移與豎直位移,分析得到兩個方向分運動的特點.

圖8 實驗頻閃照片

圖9 實驗裝置圖

改進方案2：把上述方案2中的小球換成一個能同時向各個方向發(fā)射超聲波脈沖和紅外線脈沖的球A,在它運動的平面內(nèi)安裝一個超聲紅外接收裝置B(如圖9所示).讓A球從斜槽某位置靜止釋放,裝置B記錄A球離開斜槽后各個時刻的位置,與之相連的計算機即時給出A的坐標(如圖10所示).這樣便可以通過一次實驗得到實驗所需的各種信息,避免了因多次實驗帶來的偶然誤差,減小了實驗的不確定性.

圖10 計算機顯示A的坐標

設(shè)計意圖：在以上的教學案例中,通過“評價”環(huán)節(jié),鼓勵學生大膽質(zhì)疑,反思已有方案的優(yōu)劣,從而提升學生綜合分析問題的能力;通過“改進”環(huán)節(jié),引導學生提出各種新的解決方案,從而提升學生創(chuàng)新意識和綜合實踐能力.

3 結(jié)語

原始物理問題教學并不是為了得到一個所謂的正確答案或結(jié)論,而是旨在培養(yǎng)學生的科學思維和問題解決能力.因此,原始物理問題教學作為一種有效的教學策略,為教學的發(fā)展提供了一條有益的思路.教師通過綜合運用“聯(lián)想—抽象”“多元—邏輯”和“評價—改進”策略,引導學生主動學習、深入思考,使學生能夠在問題的不斷分析和解決中發(fā)展科學思維,理解學科本質(zhì),從而增強創(chuàng)新實踐能力,提升物理核心素養(yǎng).