高中物理課堂中善用情境教學發(fā)展科學思維
——以《力的分解》教學為例

李寧

（福州第十中學，福建 福州 350000）

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》指出，學科的核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)。［1］物理科學思維能力的培養(yǎng)是落實核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。而要發(fā)展和評估學生的科學思維能力則需要在真實且復雜的情境進行。物理學科與生活實際聯(lián)系十分密切，擁有豐富的情境教學資源。教師若能在物理課堂教學中善于挖掘并利用情境教學，則能有效發(fā)展學生的科學思維。

建構(gòu)主義認為，在物理課堂的學習過程中，學生獲得物理知識，認識和理解物理概念、規(guī)律往往是建立在自身已有的經(jīng)驗基礎上；并且是在具體的社會文化背景下，借助教師和同伴的幫助主動建構(gòu)的。因此，教師需要根據(jù)高中生的知識基礎和年齡特征，從生活真實情境引入，激發(fā)學生積極的情感投入，喚起學生思維的能動性，幫助學生主動參與問題的提出、模型的構(gòu)建、問題的探究、問題的解決和應用，在知識形成過程中從不同層面發(fā)展科學思維。

以下選取高一物理《力的分解》教學案例進行展示分析。

一、創(chuàng)設體驗情境，激發(fā)認知沖突

認知結(jié)構(gòu)學習理論強調(diào)激發(fā)學生的學習動機。讓學生在真實的活動體驗中，產(chǎn)生認知上的沖突，打破學生知識體系和智能體系的平衡，引起“意外驚詫”的效果。

例如，在《力的分解》新課引入環(huán)節(jié)，課前通過創(chuàng)設體驗情境——讓學生在操場上做一個實驗（小游戲）：班級里兩位力氣最大的男生握緊長繩，像拔河比賽那樣用力對拉，當進入僵持階段時，一位力氣最小女生在中間用兩根手指沿垂直于繩方向輕輕一拉，結(jié)果把兩個男生都拉了過來。這一活動過程同時用視頻記錄下來，在正式的課堂教學時播放。當學生們看到這一真實的現(xiàn)象時，全班嘩然。學生的興趣和好奇心一下子就激發(fā)出來，自然地對剛才的現(xiàn)象產(chǎn)生質(zhì)疑：為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？難道這個女生的力氣真的會比那兩個男生的力大嗎？由此，學生不僅參與了活動，激發(fā)了興趣，也在思維上主動地對新問題展開思考，同時課堂教學也能順利過渡到下一個環(huán)節(jié)。

再如，在本節(jié)新課教學環(huán)節(jié)，教師針對課堂開頭引入的實例進一步創(chuàng)設體驗情境——讓學生張開雙臂分別放在身體兩側(cè)的桌面上，用力將自己撐起（雙腳離地），體會桌子間的距離、手臂張開的角度與手臂受力感受之間的關系。當學生有了真實的體驗（手臂張角越大感覺越吃力）后，會更加主動地嘗試用已有的認知和物理知識進行思維加工去解決新問題。

學生通過對情境體驗、質(zhì)疑、觀察和思考等一系列思維活動，自主提出問題，不僅有效激發(fā)了科學思維，同時為后續(xù)進一步分析問題，解決問題做好心理準備。除了課前引入環(huán)節(jié)，教師在教學中的不同環(huán)節(jié)都要有意識地創(chuàng)設這種真實的體驗情境，制造這種認知矛盾，當學生的認知出現(xiàn)沖突后，心理上就表現(xiàn)出一種不和諧的狀態(tài)，就能激發(fā)出一種解決問題的欲望，能達到最佳的教學效果。［2］

二、創(chuàng)設問題情境，激活推理思維

科學始于觀察，思維源于問題，教師要善于創(chuàng)設邏輯清晰且符合學生認知基礎和心理特征的問題情境，最大限度地引發(fā)學生積極的思考，從而提高學生的分析推理能力。

關于力的分解，在最新的高中物理教材中，著重強調(diào)結(jié)合實際的情境和研究問題的需要開展學習。力的分解作只是作為一種分析和解決問題的手段，本身并不承載具體的目標和意義。在本節(jié)課教學中，學生普遍生存在的困惑是：分力是否真實存在？為什么要進行力的分解？怎樣才能正確地對一個力進行分解？因此，本節(jié)課的教學設計必然要圍繞以上三個問題展開，通過創(chuàng)設問題情境，引導學生思考、分析、推理、總結(jié)，從而激活學生推理思維。

在成功引入課題后，筆者利用學生產(chǎn)生認知沖突的機會，通過創(chuàng)設階梯式的問題情境開展教學。具體如下：

問題1 若已知女生對繩子的拉力大小為300N，怎樣才能知道兩個男生對繩子拉力大?。?/p>

問題2 應該選擇“誰”為研究對象？如何確定這三個人對繩子的拉力之間的關系？

問題3 同學們已經(jīng)知道兩個力（分力）可以由一個力（合力）等效替代（力的合成），反之一個力是否也可以由另兩個力等效替代呢？

問題4 力的分解遵循什么法則？何時需要將一個力進行分解？

問題5 將一個已知力進行分解有幾種方式？具體問題中兩個分力的方向該如何確定？

問題6 當人拉著旅行箱在水平地面上行走時，地面對箱子的支持力等于箱子的重力嗎？

問題7 人對箱子的拉力在豎直方向上產(chǎn)生了什么效果？

問題8 如果拉力的大小和方向已知，怎樣通過計算能得到箱子所受支持力的大?。?/p>

問題9 如果對人的拉力進行分解，怎樣分解才能幫我們解決問題8 呢？

教師通過以上問題，引導學生推理。先創(chuàng)設問題1 激發(fā)其對新知識的探究欲；通過問題2、3 的思考讓學生將已具有的“等效替代”思想、力的平衡原理等知識遷移到新情境中，明確研究對象和分析方法；學生由問題3 的推理可解決問題4 從而進一步思考問題5再結(jié)合動手畫圖，讓學生體會到力的分解是一種解決問題的手段，具體如何有效地分解一個力要根據(jù)實際情境和需求，順利過渡到實例分析；最后針對人拉旅行箱的實例分析，創(chuàng)設問題6、7、8、9 引發(fā)學生深層思考，逐步得出解決問題的方法：即人拉箱子的力會產(chǎn)生一個豎直向上“提”的“效果”（拉力的一個分力），從而推理得出物體受到的支持力小于自身重力，進一步拓展分析，將拉力沿豎直向上和水平向前兩個方向進行分解，依據(jù)力的平衡條件列方程求解便可解決問題。

學生在一系列問題情境中進行邏輯分析推理，鞏固舊知習得新知，逐步構(gòu)建起更加豐富、全面的知識體系的同時，有效地發(fā)展了科學推理思維。

三、創(chuàng)設模型情境，形成模型思維

模型建構(gòu)是科學思維的第一個要素。學會建模，既有助于學生將復雜抽象的物理的問題簡單化、具體化、直觀化，從而理解和掌握物理概念和規(guī)律，也有助于學生的科學思維發(fā)展，促進核心素養(yǎng)的提升。

“模型思維”是指個體從原始問題情境中抽取出核心要素，將原始問題轉(zhuǎn)化為物理問題，并獲得各個要素間清晰的建模路徑的能力。它是最能體現(xiàn)物理建模能力不同于其他學科建模能力獨有的關鍵品質(zhì)。［3］

在本節(jié)課中，筆者分別利用典型的原始問題創(chuàng)設模型情境，如：

情境一人斜向上拉行李箱

情境二人在上坡時感覺特別吃力

情境三力氣最小的女生可以輕松將兩個力氣最大男生拉動（課堂開始引入的實例）

接著，讓學生經(jīng)歷將復雜情境簡化成物理模型的過程（即畫出模型示意圖），這一步在解決實際問題和培養(yǎng)學生模型思維中都至關重要。

模型一將箱子簡化成小木塊（進一步抽象可看成一個質(zhì)點），用一段有向線段代替人對箱子的拉力，具體簡化如圖1。

模型二將人簡化成小木塊（進一步抽象可看成一個質(zhì)點），用一個直角三角形斜面代替斜坡，用一段有向線段表示人所受的重力，具體簡化如圖2。

模型構(gòu)建完成后便可引導學生進一步按照問題的需求來進行力的分解操作如圖3 和圖4。

當學生初步掌握力的分解方法后，筆者再次引導學生將課堂開始引入的實際問題簡化為物理模型，創(chuàng)設模型情境如下：

模型三首先畫出三個力的示意圖（如圖5），其中F2、F3（F2=F3）表示兩個男生拉力，F(xiàn)1表示女生拉力；其次，把F1作為平行四邊形對角線，畫出多組平行四邊形（如圖6），其兩條鄰邊的長度表示兩個分力大??；通過F1的分解示意圖，便可直觀地反映出兩個分力的大小與兩力之間的夾角的關系，從而揭示了現(xiàn)象背后的本質(zhì)：將一個已知力F1分解成等大的兩個分力F2、F3時，兩分力的大小會隨著它們之間的夾角增大而增大。最后，解釋實際問題：由于兩男生對繩子的拉力間夾角很大（接近180°）所以女生僅需對繩子沿著特定方向施加一個很小的力就能在繩子上產(chǎn)生兩個沿著繩子方向很大的分力，足以和男生的拉力相抗衡。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

學通過生對以上真實實例進行理論探究，經(jīng)歷以下過程：

圖7

在經(jīng)歷模型構(gòu)建過程中，學生不僅對力的分解的內(nèi)涵以及科學方法有了一定的認知，還能形成模型思維，提升自身的模型構(gòu)建能力。

四、創(chuàng)設生活情境，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

高中新課程標準的基本理念之一是注重物理與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會以及科技發(fā)展之間的聯(lián)系。因此，在高中物理課堂教學中，教師若能引導學生將物理知識回歸應用到生活實際，不僅能升華學生對知識的理解，還能有效促進學生創(chuàng)新思維能力的形成。

教師可以依據(jù)新聞、教材等資料挖掘符合教學內(nèi)容的生活情境，提出新的問題，進一步引導學生對具體生活實例進行深入思考討論，如在本節(jié)課結(jié)尾時引導學生分析以下幾個實例：

實例1.人在做引體向上時，兩個手臂間的張角越小越好。

實例2.高架橋的引橋都很長。

實例3.刀、斧要很鋒利才能劈開東西。

實例4.古代的橋都是拱形的。

實例5.纜車的索道繩子不能繃得太緊。

教師通過引導學生探討分析不同情形、不同條件下物理知識的應用情況，在一個個生活實例的分析和真實問題解決中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和知識遷移能力。

杜威認為“思維活動就是從疑難的情境到確定的情境”［4］?？梢?，科學思維是在復雜多樣的物理情境中開啟，同時是在具體的情境中得以發(fā)揮作用來解決實際問題。

實踐證明，在高中物理課堂上，教師通過合理創(chuàng)設豐富多樣的真實物理情境，能多維度的發(fā)展學生的科學思維，具體表現(xiàn)在：對客觀事物的認知方式；建構(gòu)物理模型的抽象概括能力；綜合分析、推理論證等科學方法在解決實際問題的運用；找出規(guī)律、形成結(jié)論的科學推理能力；以及敢于利用已有物理概念解釋自然，解決實際問題的創(chuàng)新思維能力。