通過科學(xué)探究 培養(yǎng)高階思維能力
——以“機(jī)械能守恒定律”一課教學(xué)為例

馬云秀

(蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

1 問題背景

“機(jī)械能守恒定律”這節(jié)課是高中力學(xué)部分一節(jié)很重要的規(guī)律探究課,它的內(nèi)涵抽象、條件復(fù)雜、應(yīng)用多樣,一直是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)．如何讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程,自己得出規(guī)律,并理解規(guī)律的內(nèi)涵和外延,從而提高學(xué)生解決問題的能力和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,是這節(jié)課教學(xué)值得探討的問題．然而,教師往往在教學(xué)中,不注重規(guī)律的得出過程,而重在規(guī)律的驗(yàn)證,甚至有的重在規(guī)律的應(yīng)用上,這樣的教學(xué)方式,導(dǎo)致學(xué)生的思維停留在識(shí)記、理解和應(yīng)用低階思維水平上,卻錯(cuò)過了學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)契機(jī)．就拿筆者來(lái)說(shuō),每次執(zhí)教這節(jié)課都有新的思考,新的啟發(fā).2018年3月筆者在蘇州市名師共同體活動(dòng)中執(zhí)教了公開課“機(jī)械能守恒定律”,探討了如何引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究中培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力,以期有所教益．

2 科學(xué)探究與高階思維能力

科學(xué)探究是物理學(xué)科素養(yǎng)的4個(gè)重要方面之一,《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)中明確指出:通過高中物理課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)具有科學(xué)探究的意識(shí),能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、提出合理的猜想與假設(shè);具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取證據(jù)的能力,能正確實(shí)施探究方案,使用不同方法和手段分析、處理信息,描述并解釋探究結(jié)果和變化趨勢(shì);具有交流的意愿與能力,能準(zhǔn)確表述、評(píng)估和反思探究過程與結(jié)果．這對(duì)高中物理教學(xué)提出了很高的要求,對(duì)學(xué)生的思維提出了很高的要求,需要教師引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的過程中運(yùn)用分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維收集和處理信息,尋求證據(jù),運(yùn)用邏輯對(duì)問題作出合理的解釋．

高階思維是按照思維的水平層次和性質(zhì)特點(diǎn)劃分的一種思維類型．所謂高階思維,是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或較高層次的認(rèn)知能力．布盧姆教育目標(biāo)分類將認(rèn)知目標(biāo)劃分為“知識(shí)”和“認(rèn)知過程”2個(gè)維度,其中認(rèn)知過程分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造6項(xiàng),前面3項(xiàng)屬于認(rèn)知過程低階思維能力,后3項(xiàng)屬于高階思維能力．高階思維能力直接影響到科學(xué)探究的水平,而高階思維能力的訓(xùn)練,也離不開科學(xué)探究活動(dòng)．在科學(xué)探究的過程中,學(xué)生經(jīng)歷以分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造為主的思維過程,對(duì)其思維會(huì)起到潛移默化的影響,使思維具有嚴(yán)謹(jǐn)性、深刻性、批判性、獨(dú)創(chuàng)性和靈活性等特點(diǎn),從而訓(xùn)練了科學(xué)的思維方法,發(fā)展了高階思維能力．

3 教學(xué)過程及策略分析

教學(xué)環(huán)節(jié)1:依據(jù)生活情境有所聯(lián)想,萌生探究問題．

師:在日常生活中有很多能量相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例,請(qǐng)同學(xué)們聯(lián)想生活情境,用給定的器材演示動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng)過程,并說(shuō)明動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化情況．(各組器材分別是:小球、不易形變的繩子和小球、過山車軌道和小球、彈性繩和鉤碼、會(huì)彈跳的小人．)

生1:聯(lián)想到豎直上拋的情境(同時(shí)演示:將小球豎直向上拋出),上升過程動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,下降過程重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能．

生2:聯(lián)想到蕩秋千情境(同時(shí)演示:將繩一斷固定,另一端的小球拉離平衡位置,松手釋放)．上升過程動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,下降過程重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能．

生3:聯(lián)想到過山車情境(同時(shí)演示:將小球從傾斜軌道上某處釋放)．上升過程動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,下降過程重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能．

生4:聯(lián)想到蹦極情境(同時(shí)演示:將鉤碼向上抬到某一位置松手釋放)．下降過程重力勢(shì)能減少,彈性繩繃緊后,彈性勢(shì)能增加,動(dòng)能先增加后減少．

生5:聯(lián)想到蹦床情境(同時(shí)演示:將彈跳人向下壓,然后松手釋放,小人彈起)．上升過程重力勢(shì)能增加,彈性勢(shì)能減少,動(dòng)能先增加后減少．

師:同學(xué)們列舉的情境中有勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,也有動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,物理學(xué)上,將動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能,這些例子說(shuō)明機(jī)械能的轉(zhuǎn)化具有雙向性．

師:同學(xué)們列舉的后面4種情境都是往返運(yùn)動(dòng),它們往返運(yùn)動(dòng)過程中到達(dá)的最高點(diǎn)有何特征,據(jù)此,你對(duì)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能的總量有什么判斷?

生:生2所演示的情境中小球來(lái)回?cái)[動(dòng)的高度幾乎不變,說(shuō)明小球的機(jī)械能總量幾乎保持不變．其余的情境中來(lái)回往返的高度均原來(lái)越低,說(shuō)明機(jī)械能總量越來(lái)越少．

師:物理學(xué)的研究不僅要描述是什么,更要研究為什么?今天我們就來(lái)一起研究為什么機(jī)械能的總量在某些情況下保持不變．

教學(xué)策略分析.學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律之前,已經(jīng)從大量的生活情境和現(xiàn)象中獲得了關(guān)于動(dòng)能和勢(shì)能的感性認(rèn)識(shí),但對(duì)于動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化具有雙向性沒有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)．課堂上,筆者抓住了學(xué)生的這一認(rèn)知特點(diǎn),給定學(xué)生器材,讓學(xué)生經(jīng)過思維加工,演示實(shí)驗(yàn),充分體驗(yàn)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的物理過程,加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí),同時(shí)也讓學(xué)生通過現(xiàn)象的觀察、分析和比較,萌生出探究的問題——?jiǎng)幽芎蛣?shì)能轉(zhuǎn)化過程中,機(jī)械能總量為何有些情況下變,有些情況下不變呢?這一教學(xué)過程顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)教學(xué)中常常將蕩秋千、過山車等情境作為動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化的例證,幫助學(xué)生理解、體會(huì)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化這一概念,而筆者引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)生活情境,根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行聯(lián)想,體驗(yàn)動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化,在體驗(yàn)中經(jīng)歷聯(lián)想和創(chuàng)造、分析和比較、提煉和概括的思維過程.這樣,不僅深化了概念的理解,更重要的是增強(qiáng)了學(xué)生的探究意識(shí),讓學(xué)生運(yùn)用高階思維在觀察和體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題,從而實(shí)現(xiàn)低階思維訓(xùn)練向高階思維訓(xùn)練的轉(zhuǎn)變．

教學(xué)環(huán)節(jié)2:巧用對(duì)比實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)探究,激活學(xué)生思維．

圖1 兩個(gè)乒乓球的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

師:觀察實(shí)驗(yàn),如圖1,將2個(gè)乒乓球(1只空乒乓球,1只裝滿沙的乒乓球)分別用一根不易形變的懸線懸掛,拉離平衡位置至站立人的鼻尖處由靜止釋放,觀察乒乓球來(lái)回運(yùn)動(dòng)的高度．

生:空乒乓球來(lái)回?cái)[動(dòng)的高度越來(lái)越低,裝滿沙的乒乓球來(lái)回?cái)[動(dòng)的高度幾乎不變,但來(lái)回很多次以后高度也在變低．

師:兩次乒乓球的機(jī)械能變化嗎?陳述你的觀點(diǎn)并闡明證據(jù)．

生:機(jī)械能的總量都在減?。?yàn)樵谧罡唿c(diǎn)速度為0,動(dòng)能為0,機(jī)械能等于最高點(diǎn)的重力勢(shì)能．最高點(diǎn)的高度變低,重力勢(shì)能減小,從而機(jī)械能在減?。?/p>

師:兩個(gè)乒乓球機(jī)械能的減少有什么區(qū)別?

生:一快一慢．

師:是什么原因產(chǎn)生這樣的區(qū)別?

生1:是由于質(zhì)量不同,裝沙的乒乓球質(zhì)量大初始的機(jī)械能大．

生2:按照生1的邏輯,初始機(jī)械能越大,物體的機(jī)械能就越可能守恒了?

大家陷入了沉思狀態(tài),…

師:這個(gè)問題質(zhì)疑的得很好．剛才還有一個(gè)重要現(xiàn)象,為何裝滿沙的乒乓器來(lái)回?cái)[動(dòng)一次高度幾乎不變,但隨著來(lái)回?cái)[動(dòng)次數(shù)的增多高度越來(lái)越低呢?

生1:說(shuō)明與路徑有關(guān)．

生2:來(lái)回?cái)[動(dòng),阻力所做的負(fù)功越來(lái)越多,乒乓球的機(jī)械能也就越來(lái)越少．

師:為什么2個(gè)乒乓球機(jī)械能的減少一快一慢呢?機(jī)械能在什么情況下保持不變呢?

生:兩個(gè)乒乓球阻力做功與重力做功相比一多一少．若阻力做功與重力做功相比可以忽略不計(jì),乒乓球的機(jī)械能就保持不變．

師:這讓我們想起了伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn),小球所受阻力做功可以忽略不計(jì),小球能到達(dá)跟初始釋放的高度,機(jī)械能不變．那是不是只要阻力做功可以忽略,物體的機(jī)械能就保持不變呢．

師:演示實(shí)驗(yàn),將小球用一根繩懸掛,上端固定,繩子伸直,將小球拉到一定高度,靜止釋放,小球來(lái)回?cái)[動(dòng)高度幾乎不變．然后,小球在擺動(dòng)的過程中將上端點(diǎn)也左右移動(dòng),發(fā)現(xiàn)小球越擺越高,說(shuō)明小球的機(jī)械能增加了．這又是為什么?

生:繩子拉力做了正功．

師:說(shuō)明阻力做功與重力做功相比可以忽略不計(jì),物體機(jī)械能保持不變只是一種特殊情況,我們無(wú)法通過實(shí)驗(yàn)將機(jī)械能保持不變的情況窮盡,大道至簡(jiǎn),機(jī)械能保持不變的條件應(yīng)該是簡(jiǎn)潔而深刻的．下面我們從理論角度推理,尋找機(jī)械能守恒的條件．

教學(xué)策略分析.高階思維的訓(xùn)練不是一蹴而就的,需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境,特別是對(duì)比情境,更能激活學(xué)生的思維,揭示規(guī)律的本質(zhì)．機(jī)械能變與不變究竟跟什么有關(guān),教學(xué)過程中運(yùn)用了3次對(duì)比,去偽存真,探尋規(guī)律．首先是輕重對(duì)比,輕重不同的兩個(gè)乒乓球在擺動(dòng)過程中機(jī)械能的損失為何一快一慢,學(xué)生通常認(rèn)為與乒乓球的質(zhì)量有關(guān)．針對(duì)學(xué)生的這種認(rèn)識(shí),教師接著引導(dǎo)學(xué)生將裝滿沙的乒乓球來(lái)回運(yùn)動(dòng)一次與來(lái)回運(yùn)動(dòng)多次進(jìn)行對(duì)比,分析得出機(jī)械能的損失與路徑有關(guān),綜合分析應(yīng)該是與阻力做功有關(guān),是與阻力與重力做功的比例有關(guān),而不是僅僅與受力有關(guān),更不是與質(zhì)量有關(guān)．那是不是只要阻力做功可以忽略不計(jì),系統(tǒng)的機(jī)械能就保持不變呢?通過將單擺模型懸點(diǎn)固定與懸點(diǎn)左右移動(dòng)兩種情況下擺球的擺動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比,分析得出若拉力做了正功,系統(tǒng)的機(jī)械能會(huì)增加．3次對(duì)比加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械能變與不變的本質(zhì)理解,也提升了學(xué)生基于證據(jù),運(yùn)用邏輯分析問題的能力．

教學(xué)環(huán)節(jié)3:創(chuàng)設(shè)進(jìn)階問題自主認(rèn)知,訓(xùn)練科學(xué)思維．

圖2

問題.如圖2所示,1、2為小鐵球下擺的過程中任意兩點(diǎn),設(shè)動(dòng)能分別為Ek1、Ek2,重力勢(shì)能分別為Ep1、Ep2．不計(jì)空氣阻力,以最低點(diǎn)為參考平面．

(1) 分析從1到2過程中小鐵球動(dòng)能如何變化以及變化的原因,寫出相關(guān)的原理表達(dá)式;

(2) 分析從1到2過程中小鐵球重力勢(shì)能如何變化以及變化的原因,寫出相關(guān)的原理表達(dá)式;

(3) 分析從1到2過程中小鐵球動(dòng)能和重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系并判斷小鐵球在1、2兩位置機(jī)械能的大小關(guān)系；

(4) 根據(jù)上述分析過程,總結(jié)機(jī)械能守恒的條件．

生:(1) 1到2過程中重力對(duì)小鐵球做正功,動(dòng)能變大．動(dòng)能定理:WG=Ek2-Ek1.

(2) 1到2過程中重力對(duì)小鐵球做正功,重力勢(shì)能減少．重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系:WG=Ep1-Ep2.

(3) 根據(jù)(1)、(2)原理表達(dá)式可知,Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,即小鐵球動(dòng)能的增量等于重力勢(shì)能的減少量,所以Ek1+Ep1=Ek2+Ep2．

(4) 根據(jù)動(dòng)能定理W合=Ek2-Ek1,重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系WG=Ep1-Ep2,可知Ek1+Ep1=Ek2+Ep2的條件是W合=WG,即運(yùn)動(dòng)過程中只有重力做功．

追問1:小鐵球上升過程中機(jī)械能總量是否也保持不變?上升過程和下降過程動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化有什么區(qū)別?請(qǐng)從功是能量轉(zhuǎn)化的量度解釋產(chǎn)生區(qū)別的原因．

生:小鐵球上升過程中機(jī)械能也保持不變．小球上升過程重力做負(fù)功,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,下降過程重力做正功,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能．

追問2:上述結(jié)論“只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,總的機(jī)械能保持不變”對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)有要求嗎?為什么?

生:上述推導(dǎo)過程運(yùn)用了兩個(gè)原理,一個(gè)是動(dòng)能定理,另一個(gè)是重力做功和重力勢(shì)能變化的關(guān)系,這兩個(gè)原理適用于任何運(yùn)動(dòng),所以上述結(jié)論對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)無(wú)要求．

師:說(shuō)明在只有重力做功的系統(tǒng)中,物體的動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能的總量保持不變．

追問3:若除了重力以外,還有其他力做功,機(jī)械能的總量將如何變化?

生:根據(jù)動(dòng)能定理WG+W非G=Ek2-Ek1,重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系WG=Ep1-Ep2可知W非G=(Ek2+Ep2)-(Ek1+Ep1),若其它力做正功,物體的機(jī)械能增加,若其它力做負(fù)功,物體的機(jī)械能減少．

教學(xué)策略分析.把一個(gè)復(fù)雜的、難度較大的課題分解成若干個(gè)相互聯(lián)系的子問題、或把解決某個(gè)問題的完整的思維過程分解成幾個(gè)小階段,從而形成的階梯性問題,能有效地將學(xué)生的思維引向一個(gè)新的高度．機(jī)械能守恒定律的內(nèi)涵是重力做功促使動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,而且在數(shù)量上還存在確定的等量關(guān)系,表現(xiàn)為系統(tǒng)的機(jī)械能總量保持不變．為了彰顯“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一重要思想以及“重力做功是重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的橋梁”這一內(nèi)涵,筆者將機(jī)械能守恒定律的理論探究通過階梯性的問題解決組織教學(xué),圍繞動(dòng)能和勢(shì)能為何會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化關(guān)系如何、這種關(guān)系成立的條件、如果不滿足只有重力做功的條件機(jī)械能的總量將如何變化等問題組織學(xué)生探究,問題的設(shè)置循序漸進(jìn),環(huán)環(huán)相扣,符合學(xué)生的認(rèn)知思維特征,問題的解決需要學(xué)生運(yùn)用功能關(guān)系對(duì)創(chuàng)設(shè)的情境進(jìn)行分析,對(duì)推理過程進(jìn)行反思和評(píng)價(jià),才能形成正確的問題答案,涉及的認(rèn)知維度屬于高階思維．

4 小結(jié)

高階思維的培養(yǎng)離不開教學(xué)活動(dòng),特別是科學(xué)探究活動(dòng)．在高中物理教學(xué)中,應(yīng)注重科學(xué)探究,尤其要注重情境的創(chuàng)設(shè)和問題的設(shè)置,這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的高階思維具有重要的作用．利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境時(shí),可讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想,萌發(fā)出科學(xué)問題,提出合理的猜想與假設(shè);也可在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)一些任務(wù),讓學(xué)生在完成任務(wù)中運(yùn)用分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維,提煉出需要探究的問題,設(shè)計(jì)出探究方案．問題的設(shè)置應(yīng)凸顯概念的本質(zhì)、規(guī)律的內(nèi)涵,但問題的解決需要學(xué)生尋求證據(jù),經(jīng)過觀察、分析、綜合、歸納、猜想和論證等深層次的探究活動(dòng),才能獲得問題的答案,形成正確的概念和規(guī)律．而且解決問題的方法不可一層不變,應(yīng)該是靈活多變的,這樣的探究過程才能促進(jìn)學(xué)生高階思維的形成．當(dāng)然,高階思維的提升,也會(huì)反作用于科學(xué)探究活動(dòng)的有效開展．