以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)淺探

劉興

[摘要]采用以問題為導(dǎo)向（ Problem-Based Learning）的教學(xué)模式開展教學(xué)，需要教師能夠把控課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。實(shí)際教學(xué)中，教師可以通過(guò)情境設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識(shí)。文章以“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例，對(duì)以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞]以問題為導(dǎo)向;自由落體運(yùn)動(dòng);物理教學(xué)

[中圖分類號(hào)]G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

[文章編號(hào)] 1674-6058（ 2020） 35-0040-03

一、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式

以問題為導(dǎo)向（Problem-Based Learning，以下簡(jiǎn)稱PBL）的教學(xué)模式是在教學(xué)過(guò)程中，以問題為中心，以學(xué)生小組合作討論解決問題的方式開展教學(xué)[1]。自然界中的落體運(yùn)動(dòng)紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著簡(jiǎn)潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。學(xué)生面對(duì)真實(shí)復(fù)雜的落體運(yùn)動(dòng)，在教師指導(dǎo)下，通過(guò)自主探究、小組合作構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)的理想模型，在不斷探索總結(jié)的過(guò)程中，主動(dòng)建構(gòu)新知，發(fā)展關(guān)鍵能力。

二、PBL課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路

PBL課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖l所示。

在PBL課堂教學(xué)中教師仿佛是項(xiàng)鏈設(shè)計(jì)師，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，擬定主題，設(shè)計(jì)好各教學(xué)環(huán)節(jié)，費(fèi)盡心思將這些環(huán)節(jié)、主題打磨成精致的一顆顆“珠寶”，串起來(lái)成為一條美麗的“項(xiàng)鏈”。同一個(gè)主題，項(xiàng)鏈設(shè)計(jì)師總能設(shè)計(jì)出不同且驚艷的款式;同一節(jié)課，教師也要有能力打造出不同魅力的課堂。自由落體運(yùn)動(dòng)是對(duì)生活中常見的落體運(yùn)動(dòng)的觀察和研究后得出的理想模型，它源于生活，高于生活。通過(guò)情境設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，不斷探索，不斷總結(jié)，直至理想模型的建立，形成物理觀念。如何引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)掌握的知識(shí)巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究物體自由下落規(guī)律，體驗(yàn)探究過(guò)程并獲得相應(yīng)規(guī)律，是本節(jié)課的難點(diǎn)，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維素養(yǎng)的抓手。鼓勵(lì)學(xué)生把所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際問題，學(xué)以致用則是本節(jié)課的目的。讓學(xué)生主動(dòng)參與探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，逐步建構(gòu)新的知識(shí)，在新的情境中運(yùn)用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

三、基于PBL的“自由落體運(yùn)動(dòng)”課堂教學(xué)實(shí)踐

1.創(chuàng)設(shè)情境，生成問題

[環(huán)節(jié)一]展示常見的落體運(yùn)動(dòng)。

[問題]偉大的哲學(xué)家亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)有怎樣的觀點(diǎn)？

[學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明“重的物體比輕的物體下落快”是錯(cuò)誤的。

[教師演示實(shí)驗(yàn)]兩根外形幾乎一樣的羽毛下落快慢不一樣，引發(fā)學(xué)生思考。

[問題]提出疑惑：兩根羽毛所受的空氣阻力近似相同，重的羽毛比輕的羽毛下落快，也就說(shuō)明亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，對(duì)不對(duì)？

[設(shè)計(jì)意圖]落體運(yùn)動(dòng)是自然界中比較普遍的現(xiàn)象，學(xué)生的前概念里已經(jīng)有了輕重不同的物體同時(shí)落地的印象，認(rèn)為亞里士多德的說(shuō)法都是錯(cuò)誤的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)引發(fā)認(rèn)知沖突，發(fā)現(xiàn)物體的下落是非常復(fù)雜的，亞里士多德的觀點(diǎn)也是符合很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到空氣阻力對(duì)輕重不同物體的影響程度不一樣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到空氣阻力是影響輕重不同物體下落快慢的因素，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

2.問題分層，細(xì)化過(guò)程

[問題]當(dāng)物體所受的空氣阻力跟它的重力相比非常非常小時(shí)，輕重不同的物體下落快慢是怎樣的呢？

[牛頓管演示實(shí)驗(yàn)]（1）里面有空氣;（2）當(dāng)場(chǎng)抽出部分空氣;（3）再次抽出更多空氣;（4）播放央視視頻，慢放鏡頭，對(duì)比羽毛和鐵球下落快慢;（5）播放視頻：月球上鐵錘、羽毛自由下落。

[學(xué)生總結(jié)]觀察實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步感受輕重不同物體下落快慢的影響因素，總結(jié)自由落體運(yùn)動(dòng)概念。

[問題]生活中是否有自由落體運(yùn)動(dòng)？

[設(shè)計(jì)意圖]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)牛頓管抽氣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的極限思維，通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納，使學(xué)生感受“突出主要因素，忽略次要因素”的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，建立理想模型的科學(xué)思維，學(xué)生自主建構(gòu)出自由落體運(yùn)動(dòng)的觀念。雖然它是一種理想化模型，在自然界中并不真實(shí)存在。實(shí)際生活中，在重力比空阻力大得多，空氣阻力對(duì)物體下落影響很小的情況下，物體從靜止開始下落可以近似看作自由落體運(yùn)動(dòng)。舉出生活中的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)建立物理模型的過(guò)程，提煉出物體可以看成自由落體運(yùn)動(dòng)的條件。

3.自主研究，探索規(guī)律

[問題]自由落體運(yùn)動(dòng)作為最簡(jiǎn)單的落體運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是怎樣的呢？

[猜想]初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

[學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案]小組合作討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，展示實(shí)驗(yàn)方案：（1）使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;（2）使用頻閃照片;（3）使用光電門。

[方案優(yōu)化]（1）和學(xué)生一起梳理每種實(shí)驗(yàn)方案需要哪些實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)步驟是什么？?jī)?yōu)缺點(diǎn)有哪些？（2）指導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。

4.小組合作，科學(xué)實(shí)驗(yàn)

[學(xué)生]小組合作，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入電腦的excel表格，生成物體自由下落的v-t圖像，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。

[教師]（1）巡視，指導(dǎo);（2）評(píng)析各小組實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等情況。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]大量精確的實(shí)驗(yàn)表明，自由落體運(yùn)動(dòng)的確是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

[設(shè)計(jì)意圖]（1）在協(xié)同合作中完成實(shí)驗(yàn)，觀察思考，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得到自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，及進(jìn)行歸納和總結(jié)的能力，引導(dǎo)結(jié)合合理的邏輯推理，逐步掌握探索自然規(guī)律的方法，增強(qiáng)科學(xué)探究能力;（2）重物除了常見的鐵錘，教師有意識(shí)地準(zhǔn)備了帶夾子的裝滿水的礦泉水瓶，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，進(jìn)一步強(qiáng)化自由落體運(yùn)動(dòng)觀念。結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，計(jì)算出自由落體加速度，為自由落體運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

5.問題拓展，評(píng)估反饋

[問題情境]疑案追蹤：高空墜物現(xiàn)象被稱為“懸在城市上空的痛”。近年來(lái)，高空墜物致人傷亡的案例不斷見諸報(bào)端。假設(shè)有這么一起案例，一高樓某層陽(yáng)臺(tái)上墜下一花盆，砸壞了下面的車輛。恰好樓下有一個(gè)攝影愛好者對(duì)著天空連拍，發(fā)現(xiàn)有幾張照片中有花盆，我們能不能根據(jù)這些有限的資料幫助警方推測(cè)花盆大概從哪里掉下的？

[學(xué)生]小組討論，設(shè)計(jì)方案。

[教師現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M]（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境：燈箱上面固定一個(gè)電磁鐵，小鐵球吸在電磁鐵上。讓電磁鐵斷電，小球自由下落。通過(guò)CoPro運(yùn)動(dòng)數(shù)碼相機(jī)連拍。將照片導(dǎo)人電腦，通過(guò)PS軟件的堆棧功能，將幾張照片合成為一張照片。（2）提出問題：你能根據(jù)所學(xué)的知識(shí)分析小球從哪個(gè)位置下落嗎？

學(xué)生小組討論，設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)照片分析思路：（1）可以通過(guò)照片和相機(jī)的連拍數(shù)據(jù)計(jì)算出某一小球的速度，再根據(jù)y2=2gh，計(jì)算高度^;（2）利用v=gt，h=1/2g t2計(jì)算高度^。

[設(shè)計(jì)意圖]物理源自生活，實(shí)際問題的復(fù)雜性需要學(xué)生學(xué)會(huì)抓住主要因素，忽略次要因素的影響，在實(shí)驗(yàn)中尋找解決問題的方案。小鐵球的重力比空氣阻力大得多，可以忽略空氣阻力的影響，小鐵球的自由下落可以看成自由落體運(yùn)動(dòng)。帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷物理模型建構(gòu)，運(yùn)用物理規(guī)律解決真實(shí)問題。在評(píng)估中深化了規(guī)律的應(yīng)用，科學(xué)思維的培養(yǎng)，反饋中讓學(xué)生認(rèn)識(shí)高空墜物、高空拋物的危害，做一個(gè)文明人，落實(shí)新課標(biāo)的要求。

四、基于PBL的課堂實(shí)踐，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的幾點(diǎn)思考

1.基于問題導(dǎo)向，優(yōu)化課堂教學(xué)理念

PBL展現(xiàn)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以生為本，讓學(xué)生成為課堂的主體，并不是要摒棄講授法，需要教師“精講”。課堂教學(xué)中，教師要盡可能地滿足學(xué)生自身成長(zhǎng)的需要，盡可能創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，通過(guò)結(jié)構(gòu)不良的問題讓學(xué)生主動(dòng)去探究，在自主學(xué)習(xí)中尋找方法，解決問題或者解決部分問題，通過(guò)小組合作中的思維碰撞，思想交融，讓學(xué)生的能動(dòng)性表現(xiàn)為積極性，真正成為課堂學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生在自己找尋答案的過(guò)程中，教師要舍得給學(xué)生一點(diǎn)空間，讓他自己向前走，或者讓他們小組一起探索，讓學(xué)生在體驗(yàn)中收獲自己獨(dú)特的感悟。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和啟發(fā)者，不僅僅要呈現(xiàn)物理知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)，更要讓教學(xué)過(guò)程符合學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。

PBL教學(xué)模式需要教師把握課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。每個(gè)學(xué)生作為一個(gè)獨(dú)立的生命個(gè)體，都擁有不同的有趣的靈魂，蘊(yùn)含不斷成長(zhǎng)的潛能，他們?cè)诮鉀Q問題中總能呈現(xiàn)教師意想不到的結(jié)果，有時(shí)可能是在回答問題中流出的一絲疑惑，一分不自信，教師要能捕捉到，并以此作為自己新的靈感，再根據(jù)學(xué)生的具體情況靈活機(jī)動(dòng)地調(diào)整教學(xué)，將學(xué)生打造成一顆顆閃亮的寶石。

2.基于問題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)健能力

從日常的落體運(yùn)動(dòng)到自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建立是本節(jié)課的重點(diǎn)之一。通過(guò)羽毛下落實(shí)驗(yàn)，設(shè)置認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生思考發(fā)現(xiàn)影響物體下落快慢的因素：空氣阻力。設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生思維往極限方向推進(jìn)，建立理想模型，讓學(xué)生體驗(yàn)忽略次要因素突出主要因素的哲學(xué)思想。觀看央視鐵球和羽毛下落視頻和牛頓管實(shí)驗(yàn)，學(xué)生充分感受自然規(guī)律的奇妙。實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，它下落快慢既與物體質(zhì)量有關(guān)，也與空氣對(duì)物體下落影響有關(guān)，受限于當(dāng)時(shí)的條件，連偉大的亞里士多德也沒能研究清楚，但伽利略認(rèn)為科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)從最簡(jiǎn)單之處人手，于是他提出一種純粹的落體運(yùn)動(dòng)——自由落體運(yùn)動(dòng)[4]：只受重力，不受空氣阻力，且初速度為零。自然界中的落體運(yùn)動(dòng)紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著如此簡(jiǎn)潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。讓學(xué)生充分體驗(yàn)、感悟自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建立，引發(fā)學(xué)生心靈的震撼，培養(yǎng)學(xué)生的洞察力。

3.基于問題導(dǎo)向，設(shè)置情境，巧設(shè)實(shí)驗(yàn)釋惑

得出自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，通過(guò)例題鞏固新知是常用的方法。本節(jié)課筆者創(chuàng)設(shè)的高空墜物和高空拋物情境是生活中的熱點(diǎn)問題，通過(guò)疑案追蹤，讓學(xué)生真實(shí)感受物理來(lái)源于生活，又可以應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題。通過(guò)相機(jī)拍攝的照片推導(dǎo)物體從哪里下落，涉及的分析過(guò)程比較復(fù)雜，學(xué)生很難討論出結(jié)果。巧妙設(shè)計(jì)小球下落實(shí)驗(yàn)，當(dāng)場(chǎng)通過(guò)PS軟件堆棧功能將幾張小球照片合成為一張照片時(shí)，你能聽到學(xué)生的驚嘆聲，在這種活躍的課堂氛圍中，學(xué)生解決問題的意愿高漲，進(jìn)而有效提高教學(xué)效果。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)：學(xué)生應(yīng)該主動(dòng)獲取、加工和重組知識(shí)，而不應(yīng)成為知識(shí)的被動(dòng)接受者。教師應(yīng)當(dāng)努力讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過(guò)程變成科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，并從中體驗(yàn)科學(xué)之美，積淀物理素養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Linda Torp，Sara Sage.基于問題的學(xué)習(xí)：讓學(xué)習(xí)變得輕松有趣[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2004.

[2]周后升.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂滲透：以PBL導(dǎo)向下“牛頓第三定律”的教學(xué)為例[J].物理通報(bào)，2018（2）：50-54.

[3]朱燕.高中物理教學(xué)中PBL教學(xué)模式的應(yīng)用研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2018.

[4]鄭青岳.“自由落體運(yùn)動(dòng)”課題的聽課札記[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2012（ 12）：44-45.

（責(zé)任編輯 易志毅）