科學思維導向下的課堂情境的設計研究

許光輝

摘要：以自由落體運動為例，以科學思維的模型構建、科學推理、科學論證、質疑與創(chuàng)新四大要素為導向，闡述了的課堂情境的設計策略。

關鍵詞：科學思維;情境;自由落體運動以

核心素養(yǎng)是現階段新課程綜合改革的首要目標，科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的第二要點，是指學生在學習物理知識、規(guī)律和方法后生成認知事物的思維品質，是學生通過物理學習后逐步形成的關鍵能力，是實現學生今后走上社會后可持續(xù)發(fā)展必不可少的條件。因此，高中物理的教學應注重知識的生成過程，使學生在學習過程中促進認知的發(fā)展，應注重物理科學方法的教育，使學生在潛移默化中習得良好的思維品格。

一、科學思維對課堂情境的依賴關系

科學思維包含模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新四大要素，顯然，這些能力不可能來自于空想和頭腦風暴，也不是依靠純理論的分析而習得的，而是源于實踐，是基于事實與證據的方法與思想的升華。

情境創(chuàng)設能讓現實重現于課堂，學生置身于鮮活的場景，在真實的問題情境中激活隱藏于大腦深處的思維因子，從而充分調動自己對世界已有的元認知?！皩W始于思，思源于疑”，學生在批判地學習新知識的同時，提升了學科素養(yǎng)，因此，創(chuàng)設情境進行教學，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用。（摘自《課程標準》）

二、“自由落體運動”教學中的實踐

自由落體運動是勻變速直線運動的特例，屬于運動模型范疇，運用科學思維框架下課堂情境與任務設計可實現課堂教學的優(yōu)化。

1、 模型構建

該階段設置三個教學任務：探究空氣阻力對落體運動的影響;探究相同空氣阻力影響下的落體運動規(guī)律;建立自由落體運動模型。以生活場景、演示實驗、物理史料作為課堂情境，通過改變條件的方法逐步從情境中抽象出自由落體運動模型。

情境1：課堂伊始，播放短視頻： “樹葉飄落”和“石塊墜落”;教師演示：一張紙（與硬幣一樣大?。┖鸵粋€硬幣從同一高度靜止開始同時下落;教師講述：亞里士多德從生活現象中總結出了重物比輕物下落得更快的結論。進而提出問題：為什么重物會比輕物下落得快呢？

通過受力分析，發(fā)現輕物之所以下落得慢，是因為空氣阻力對輕物的影響更大。

情境2：追問：如果輕的物體下落中受的空氣阻力影響也很小，是否會與重的物體下落得一樣快呢？下面我們通過親手做實驗來看看其運動的快慢。學生們把事前準備好小紙片疊放在同樣大小的硬幣上面，用手舉高后靜止開始釋放，硬幣和紙片同時落到地面，剎時，教室里出現了驚呼聲，部分學生好奇的重復著實驗。

實驗中由于紙片“躲”在硬幣后面，所以空氣阻力由二者共同“承擔”，可見，如果空氣阻力對落體的影響一樣大，重物與輕物會下落得一樣快。

情境3：再追問：如果空氣阻力小到可以忽略，那么重物與輕物下落的快慢又會是怎樣的呢？教師介紹牛頓管并演示橡膠塊與羽毛同時下落的實驗。師生從實驗中總結出自由落體概念：物體只在重力作用下從靜止開始的落體運動叫自由落體運動。實際上，即使是牛頓管，也存在很小的空氣阻力，所以 “只有重力作用”這一條件只能無限趨近而無法實現，自由落體運動是一種理想化的運動模型。

2、 科學推理

伽利略關于落體運動的邏輯推理與歸謬法可以說是物理學史上科學推理的經典，經歷這一推理過程可以很好地培養(yǎng)學生的科學思維與批判精神。

情境4：亞里士多德關于重物比輕物下落得快的論斷一直被世人奉為經典，直到二千多年后被用伽利略用邏輯推理推翻，現在讓我們也來當一回伽利略，重溫其推理過程，挑戰(zhàn)亞里士多德的權威：假定一個大銅球下落的速度為8，一個小銅球從同樣高度下落的速度為4，當把二個球捆在起時，請大家分析落地時的大球速度和整體的速度，你會得出怎樣矛盾的結果呢？

3、 科學論證

在推理、分析等過程中，學生已經對自由落體運動有了充分的定性認識，但依然有不少學生覺得定性推理缺乏說服力，為此，我們需要借助實驗及其數據進行論證。

情境5：各小組參照圖1安裝打點計時器，并從獲取的紙帶上求出重物下落時的加速度值，隨后，教師從學生中挑出二組數據利用EXCEL表格的“添加趨勢線”和“顯示公式”功能在大屏上畫出二條幾乎重疊的直線，求出它們的加速度值都約為9.45m/s2，，即不同重物下落的加速度在誤差范圍內是相等的，重物與輕物下落得一樣快。

情境6：有學生對實驗中的數據提出質疑。

生甲：為什么各實驗小組測得的重力加速度都比9.8m/S2要小，而沒有出現比它大的值？

師：由于紙帶受到摩擦阻力和空氣阻力的作用明顯，重物下落的加速度比實際的重力加速度9.8m/S2要小很多，譬如9.4 m/S2甚至更小，即使有實驗誤差，也不會導致實際測量值超過這個理論值，一旦超過了這個值，基本可以斷定不是誤差引起的，而實驗中出現了錯誤或不當。

生乙：G=mg中的g與重力加速度g的數值都是9.8，它們是同一個量嗎？為什么單位又不一樣呢？

師：這二個g其實是同一個物理量，即重力加速度，單位N/Kg與m/s2也是同一個單位，重力G實質是力F，重力加速度g實質是加速度a，所以G=mg就是F=ma的特殊形式，而F=ma是第四章中要學的牛頓運動定律的簡式。

顯然，二位同學的思維傾向不同，甲同學從觀察到的數據中發(fā)現了隱藏的規(guī)律，擦碰出欲求其因而不得的求知火花，思維的發(fā)散性明顯，物理學史上曾出現過多個源于對數據質疑的重大發(fā)現;乙同學通過新舊知識的對比發(fā)現了“問題”，這是基于依據的質疑，有思維聚焦的跡象，是發(fā)現物理學規(guī)律的又一重要途徑。這二位同學都具有科學探究問題的潛質，體現了良好的科學思維品質。物理課應鼓勵學生大膽質疑，使學生從敢質疑到能質疑，最后會質疑。

5、創(chuàng)新

情境7：教師通過提出問題激發(fā)學生創(chuàng)新。

師：圖1裝置測得的g值的誤差較大，主要來自于摩擦阻力，我們能否設計出更好的實驗方案來減小實驗誤差？

生丙：用秒表測定重物下落的時間，測出下落的高度，用X= 2算出重力加速度g。

生丁： 手機里有加速度傳感器，讓手機自由落體掉到軟的物體上，可直接讀出加速度值。

生戊：若用二只光電門分別測出重物下落過程中二個位置的速度及二個光電門間的時間，則用a的定義式可測得重力加速度g，誤差應該會更小。

對同一問題的不同回答折射出三種創(chuàng)新的境界，其中丁同學的答案與書本的“做一做”相同，排除引用書本的可能，不得不承認這位同學思維很開闊，且不受課堂教學的禁錮，能靈活應用周邊的工具，是三位同學中創(chuàng)新度最高的;丙和戊二位同學按部就班，都變換了測時間的實驗器材，但丙同學減小了來自摩擦的阻力但卻增加了測量時間的誤差，這是典型的操作理想化錯誤，而戊同學兼顧了影響實驗誤差的多重因素，雖然創(chuàng)新度不如丁同學，但卻是最合理的方案。

合理的課堂情境的設計有利于學生科學思維的培養(yǎng)，將情境融入到課堂教學是新課程改革的需要，也是時代發(fā)展的必然趨勢，其推廣和實施還需要廣大教師的共同努力。

參考文獻：

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