基于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

陳敬華

摘? ?要：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)核。深度發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，突出物理概念、規(guī)律、理論形成過(guò)程中的科學(xué)思維，是物理學(xué)科教學(xué)從知識(shí)轉(zhuǎn)向核心素養(yǎng)的突出表現(xiàn)。文章以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)片斷為例，詮釋了發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)策略，使得學(xué)生不僅能理解物理知識(shí)，而且還訓(xùn)練了科學(xué)思維，從而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)思維;教學(xué)設(shè)計(jì);勻變速直線運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）9-0027-5

1? ? 問(wèn)題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在整合原來(lái)三維目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，它包括四個(gè)要素：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中，科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，包含的內(nèi)容有多方面的詮釋，既是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建理想模型的抽象概括過(guò)程，又是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用。

2017年版的課程標(biāo)準(zhǔn)與2003年版的課程標(biāo)準(zhǔn)相比，深度化發(fā)展科學(xué)思維，已經(jīng)成為高中學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)業(yè)水平考試命題的趨勢(shì)，同時(shí)培養(yǎng)科學(xué)思維中的關(guān)鍵能力也是目前教學(xué)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。教學(xué)設(shè)計(jì)的深度化和學(xué)生思維的深度化，防止教學(xué)的淺層化、學(xué)生思維的表層化，是學(xué)科教學(xué)走向核心素養(yǎng)的一個(gè)突出表現(xiàn)，也是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維不可或缺的。為達(dá)到課堂教學(xué)能有效發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的目標(biāo)，教學(xué)必須有一定的深度和廣度。筆者根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和物理學(xué)科特點(diǎn)，借鑒深層學(xué)習(xí)理論以及高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)理論，完成了發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)。本文以“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”為例，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)對(duì)一系列問(wèn)題的思索、挖掘、詮釋，使學(xué)生的科學(xué)思維得到深度化發(fā)展。

2? ? 教學(xué)案例分析

2.1? ? 速度的概念教學(xué)

速度的概念在人教版高中物理必修1教材中具有重要的地位，也是物理概念教學(xué)的重要內(nèi)容。在筆者的教學(xué)設(shè)計(jì)中速度概念教學(xué)步驟如下：

第一步，以實(shí)驗(yàn)為前提，動(dòng)手作圖，建立勻速直線運(yùn)動(dòng)的圖像，應(yīng)用比值定義法建立勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度概念。如圖1所示，通過(guò)觀察A、B兩輛小車在直軌道上運(yùn)動(dòng)，測(cè)得各時(shí)刻兩車的位置坐標(biāo)（見(jiàn)表1）。坐標(biāo)紙的橫軸表示時(shí)間，縱軸表示物體的位置，作出物體運(yùn)動(dòng)的位置坐標(biāo)x與時(shí)間t的關(guān)系圖像，如圖2所示。教師講解x-t圖像及勻速直線運(yùn)動(dòng)的概念后討論如下問(wèn)題：A、B兩車誰(shuí)運(yùn)動(dòng)得快？如何比較？

第二步，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作建立變速直線運(yùn)動(dòng)及平均速度、瞬時(shí)速度的概念。演示小車由靜止沿斜面下滑，如圖3所示，取開(kāi)始下滑時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，測(cè)得各時(shí)刻小車的位置坐標(biāo)（見(jiàn)表2）。

第四步，通過(guò)問(wèn)題鏈探索與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

引導(dǎo)學(xué)生討論兩個(gè)核心問(wèn)題：

第五步，利用光電門及數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)小車運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。此過(guò)程既是對(duì)瞬時(shí)速度概念的應(yīng)用，同時(shí)也可以通過(guò)練習(xí)鞏固建立的物理概念。

第六步，求解曲線運(yùn)動(dòng)的平均速度、瞬時(shí)速度及平均速率拓展練習(xí)。在教學(xué)中適當(dāng)擴(kuò)展，對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的深度訓(xùn)練是有益的。

筆者設(shè)計(jì)上述教學(xué)過(guò)程是基于以下考量：第一，學(xué)生學(xué)習(xí)速度概念前已經(jīng)學(xué)習(xí)了位置坐標(biāo)、位移的概念，作運(yùn)動(dòng)物體的位置（坐標(biāo)）與時(shí)間圖像，能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)前概念的深化理解與鞏固，也為學(xué)習(xí)新概念做好準(zhǔn)備;第二，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立勻速直線運(yùn)動(dòng)及變速直線運(yùn)動(dòng)的概念，讓學(xué)生體會(huì)模型構(gòu)建的過(guò)程;第三，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與圖像建立勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度、變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度及瞬時(shí)速度的概念，讓學(xué)生體會(huì)比值定義的方法及極限思想，初步接觸合理外推的科學(xué)思維方法;第四，通過(guò)勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度、變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度與瞬時(shí)速度等概念的建立，歸納出普遍意義的速度概念，使學(xué)生得到分析歸納的思維訓(xùn)練，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)速度概念的過(guò)程中發(fā)展科學(xué)思維。

2.2? ? 探究小車速度與位移隨時(shí)間變化的規(guī)律

筆者以“探究小車速度與位移隨時(shí)間變化的規(guī)律”為例，展開(kāi)對(duì)物理規(guī)律的探索，也是深度化發(fā)展科學(xué)思維的重要載體。步驟如下：

第一步，問(wèn)題導(dǎo)入。

演示水平面上的小車在重物的拉動(dòng)下由靜止向右加速運(yùn)動(dòng)，并提出如下問(wèn)題：

（1）用哪些物理量描述小車的運(yùn)動(dòng)？這些量（x、v）是如何變化的？

（2）v與t、x與t滿足何種關(guān)系？

第二步，實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)—記錄數(shù)據(jù)—作圖，得出v與t的關(guān)系：v=kt或v=kt+b。

由于x與t的關(guān)系較為復(fù)雜，因此教師通過(guò)一系列問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)：

（1）你能否找到x與t的關(guān)系？

學(xué)生用同樣方法作圖得出x-t圖像（如圖5所示），隨后教師提問(wèn)：

（2）從圖像中你能得出x與t的關(guān)系嗎？

（3）從圖像中，你猜想x與t可能是什么關(guān)系？如何證明你的猜想是正確的？作x與t2圖像試一試？若不行，作x與t3……等圖像。

最后得出小車由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的位移x與時(shí)間t的關(guān)系為x=kt2，如圖6所示， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

第三步，結(jié)果分析。

通過(guò)設(shè)計(jì)“問(wèn)題鏈”引導(dǎo)學(xué)生積極思考，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、圖像探究物理規(guī)律，在探究的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生猜想、推理、綜合等科學(xué)思維，以達(dá)成對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的深度訓(xùn)練。

2.3? ? 習(xí)題教學(xué)中的物理模型構(gòu)建

物理問(wèn)題的解決過(guò)程本質(zhì)上是物理模型建構(gòu)和應(yīng)用的過(guò)程，如圖7所示。發(fā)展物理核心素養(yǎng)的重要性已經(jīng)逐步被大家認(rèn)同并付諸于教學(xué)實(shí)踐。根據(jù)高考對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)和相關(guān)維度水平的要求，從試題入手，以2019年高考卷中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)題目為例，雖然問(wèn)題復(fù)雜且又多過(guò)程，但是可以利用模型構(gòu)建進(jìn)行分解，即可以分為若干部分的勻變速直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)模型的構(gòu)建、重組、拆解、整合、計(jì)算等方式，也是提升學(xué)生學(xué)思維的有效手段。

例題 （2019全國(guó)Ⅲ-25題）靜止在水平地面上的兩小物塊A、B，質(zhì)量分別為mA=1.0 kg，mB=4.0 kg;兩者之間有一被壓縮的微型彈簧，A與其右側(cè)的豎直墻壁距離l=1.0 m，如圖8所示。某時(shí)刻，將壓縮的微型彈簧釋放，使A、B瞬間分離，兩物塊獲得的動(dòng)能之和為Ek=10.0 J。釋放后，A沿著與墻壁垂直的方向向右運(yùn)動(dòng)。A、B與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.20。重力加速度取g=10 m/s2。A、B運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所涉及的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時(shí)間極短。

（1）求彈簧釋放后瞬間A、B速度的大小;

（2）物塊A、B中的哪一個(gè)先停止？該物塊剛停止時(shí)A與B之間的距離是多少？

（3）A和B都停止后，A與B之間的距離是多少？

分析：本題是高考命題考查的壓軸題，根據(jù)上題解題過(guò)程的模型建構(gòu)（如圖9所示），把復(fù)雜的問(wèn)題拆解成幾個(gè)簡(jiǎn)單的模型后，再根據(jù)各個(gè)模型所遵從的物理規(guī)律列出方程式求解，即可得到正確結(jié)果。將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，能有效提高學(xué)生的應(yīng)試能力。

習(xí)題的重組，是建立在思維不斷深化和發(fā)展過(guò)程中的。我們?cè)诔珜?dǎo)一題多解、多題一解、一題多變，推進(jìn)習(xí)題教學(xué)中的少而精、逐一通透教學(xué)的同時(shí)，要善于把習(xí)題教學(xué)作為深度化發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效手段。通過(guò)對(duì)一題的演變，可訓(xùn)練學(xué)生對(duì)某一類問(wèn)題模型的建構(gòu)與應(yīng)用，拓展學(xué)生科學(xué)思維訓(xùn)練的深度和廣度。例如，訓(xùn)練學(xué)生分析摩擦力的題組，可以設(shè)計(jì)如下：

原題1：如圖10所示，在光滑水平面上有質(zhì)量M=5 kg的靜止木板，木板上靜止放置質(zhì)量m=1 kg的木塊，木板與木塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.2，用水平恒力F拉動(dòng)木板，下列關(guān)于木板的加速度aM和木塊的加速度am，可能正確的有（g=10 m/s2，木板與木塊的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力）（? ?）

A.aM =1 m/s2，am =1 m/s2

B.aM =2 m/s2，am =1 m/s2

C.aM =3.5 m/s2，am =2 m/s2

D.aM =5 m/s2，am =3 m/s2

變式1：若木板與木塊質(zhì)量未知，地面粗糙，用隨時(shí)間t變化的水平拉力F拉動(dòng)木板，測(cè)出長(zhǎng)木板和木塊的加速度與水平拉力F的關(guān)系如圖11所示，則下列說(shuō)法正確的是（? ? ）

A.木塊的質(zhì)量 m=0.5 kg

B.木板的質(zhì)量M=1.5 kg

C.木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2

D.木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2

變式2：如圖12所示，若長(zhǎng)木板質(zhì)量忽略不計(jì)，木板上靜止放置質(zhì)量分別為M和m的A、B兩木塊，A、B與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.2，用水平恒力F拉動(dòng)木塊A，則（? ? ）

A.若F=1 N，則兩木塊、木板都靜止不動(dòng)

B.若F=1.5 N，則A木塊所受摩擦力大小為1.5 N

C.若F=4 N，則B木塊所受摩擦力大小為4 N

D.若F=8 N，則B木塊的加速度為1 m/s2

從以上幾個(gè)變式習(xí)題可以看出，我們?cè)诹?xí)題教學(xué)中要強(qiáng)化推理方法的應(yīng)用，增強(qiáng)科學(xué)推理時(shí)的證據(jù)意識(shí)，在解題過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的思維能力。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有根據(jù)、有條理、有深度、有創(chuàng)新的思考，是習(xí)題教學(xué)中深度化發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的基本途徑。從科學(xué)思維的視角設(shè)計(jì)習(xí)題，更加符合學(xué)科規(guī)律和學(xué)習(xí)規(guī)律，有利于學(xué)生全面掌握基本知識(shí)和技能，促進(jìn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3? ? 結(jié)? 語(yǔ)

通過(guò)以上幾個(gè)教學(xué)案例說(shuō)明深度發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維需要多方面設(shè)計(jì)和探索。在物理課堂教學(xué)中有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵，學(xué)生科學(xué)思維的形成與發(fā)展，依賴于對(duì)物理概念、物理規(guī)律建立過(guò)程中的科學(xué)思考和實(shí)踐，依賴于應(yīng)用物理概念、物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的科學(xué)思考和實(shí)踐。

總之，在物理各種教學(xué)內(nèi)容的選取與呈現(xiàn)上，要突出物理情景的創(chuàng)設(shè)，在情景中提煉問(wèn)題，基于問(wèn)題誘導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)有深度的探究，在探究過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的高階思維。在物理概念、規(guī)律的教學(xué)過(guò)程中，要體現(xiàn)和反映物理學(xué)科本質(zhì)，要聚焦物理學(xué)科的核心概念和規(guī)律，體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，避免知識(shí)的碎片化，要超越物理知識(shí)的表層結(jié)構(gòu)，突出物理概念、規(guī)律及應(yīng)用過(guò)程的科學(xué)思維。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)才能更充分地發(fā)揮學(xué)生的潛能，全面提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英，張玉峰，姚建欣.物理學(xué)科能力及其表現(xiàn)研究[J].教育學(xué)報(bào)，2016，12（4）：57-63.

[2]廖伯琴.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）要點(diǎn)解讀[J].物理教學(xué)，2020，42（2）：2-5.

[3]余文森.論核心素養(yǎng)導(dǎo)向的三大教學(xué)觀[J].當(dāng)代教育與文化，2019，11（2）：62-66.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）