基于問題解決式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

摘 要：物理新課教學(xué)的過程實(shí)質(zhì)上是物理學(xué)中真實(shí)問題的解決過程。以“變阻器”教學(xué)為例，基于創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，以實(shí)驗(yàn)探究為平臺，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具為載體，展開問題解決式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證與質(zhì)疑創(chuàng)新中實(shí)現(xiàn)物理模型的改進(jìn)與完善，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：問題解決式教學(xué)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；科學(xué)思維；滑動變阻器

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

問題是理想與現(xiàn)實(shí)之間的差距。問題解決就是通過一定的操作，建立某種確定的情境性演化路徑，推動現(xiàn)實(shí)情境向理想情境演化，不斷消除現(xiàn)實(shí)情境與理想情境之間差距的過程[1]。物理教學(xué)的過程就是幫助學(xué)生解決在學(xué)習(xí)過程中遇到的現(xiàn)實(shí)問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課堂教學(xué)的重要內(nèi)容，也是重要的教學(xué)模式，整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的過程也就是生活、生產(chǎn)中真實(shí)問題的解決?？茖W(xué)思維能力是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中物理核心素養(yǎng)的重要因素之一?？茖W(xué)思維必須要在需要思維的活動過程中進(jìn)行培養(yǎng)，問題解決過程是培養(yǎng)科學(xué)思維最常見的形式。問題解決過程是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，最后得到問題結(jié)果的過程，一般包括發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)、修正假設(shè)5個(gè)基本步驟[2]。在解決真實(shí)問題過程中，與之并行不悖的需要經(jīng)歷在提出問題的基礎(chǔ)上，實(shí)施模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證與質(zhì)疑創(chuàng)新的過程。學(xué)生圍繞真實(shí)情境中的問題、任務(wù)或項(xiàng)目，抓住主要因素，忽略次要因素，在尊重事實(shí)與證據(jù)的基礎(chǔ)上，展開正確的邏輯分析，在實(shí)踐過程中進(jìn)一步循證，在問題解決中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。其理論實(shí)施框架如圖1所示。

二、教學(xué)特色與創(chuàng)新

正如愛因斯坦所說，提出一個(gè)問題遠(yuǎn)比解決一個(gè)問題更有價(jià)值。因?yàn)橛幸欢ǖ臄?shù)學(xué)基本功和物理實(shí)驗(yàn)技能，均可以解決既定的問題。只有創(chuàng)設(shè)一定的物理情境，發(fā)揮一定高度的創(chuàng)造性想象力，形成科學(xué)思維的動力，激發(fā)創(chuàng)新精神，引導(dǎo)學(xué)生在物理情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題是檢驗(yàn)學(xué)生是否有問題意識的重要尺度。普利高津曾經(jīng)說過：“物理學(xué)并不是自然界本身，是人類與自然界的對話?！蹦Ｐ徒?gòu)就是人類與自然界“對話”的一種重要方式，即一種認(rèn)識物質(zhì)及其運(yùn)動的重要手段和思維方式[3]。以人教版九年級物理“變阻器”教學(xué)為例，圍繞“是什么？”“為什么？”“怎么辦？”三個(gè)步驟展開新課教學(xué)。為了突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，運(yùn)用問題解決式教學(xué)方式，充分運(yùn)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)展開探究，建構(gòu)物理概念，培養(yǎng)科學(xué)思維。

（一）自制“魔燈”，引起認(rèn)知沖突

（1）實(shí)驗(yàn)器材

電池組、小燈泡、10B鉛筆芯、廣告泡沫板、細(xì)鋼環(huán)、磁性戒指、長方形紙盒、開關(guān)、美工刀、熱熔膠槍、導(dǎo)線若干。

（2）實(shí)驗(yàn)原理及制作過程

變阻器是根據(jù)材料與橫截面積相同時(shí)，導(dǎo)體越長，導(dǎo)體電阻越大的原理制成的。首先用導(dǎo)線的一端系好細(xì)鋼環(huán)，再用導(dǎo)線將電池組、燈泡、開關(guān)以及10B鉛筆芯串聯(lián)在電路中，將細(xì)鋼環(huán)輕輕地套在鉛筆芯上，置于鉛筆芯的末端，使整個(gè)鉛筆芯串聯(lián)在電路中。用膠棒槍將電路器件固定在廣告泡沫板上，最后用長方形紙盒水平罩住鉛筆芯，并用膠棒固定好備用（如圖2所示）。

（二）演示“調(diào)速大風(fēng)車”，建構(gòu)心智模型

（1）實(shí)驗(yàn)器材

3V直流小電機(jī)、電池組、紅色A4紙、廢舊圓珠筆芯、直徑為5cm長2mPVC水管、直徑0. 5mm鎳鉻合金絲、剪刀、膠棒槍、木質(zhì)支架、自攻螺絲、螺絲刀、導(dǎo)線若干等。

（2）實(shí)驗(yàn)原理及制作過程

根據(jù)導(dǎo)體電阻與其長度有關(guān)的原理制成的。首先在PVC水管的兩端固定兩枚自攻螺絲，然后將鎳鉻合金絲的兩端分別纏繞在螺絲上；用剪刀將A4紅紙制作一個(gè)大風(fēng)車模型，將其固定在小電機(jī)轉(zhuǎn)軸上；用導(dǎo)線將電池組、開關(guān)、小電機(jī)與鎳鉻合金絲的右端連接起來，再用帶鱷魚夾的導(dǎo)線夾住合金絲的左端，閉合開關(guān)，將鱷魚夾從合金絲的左端逐漸滑至右端，觀察并比較大風(fēng)車轉(zhuǎn)速的變化（如圖3所示）。

（三）展示可視化實(shí)用滑動變阻器，體現(xiàn)創(chuàng)新思維

（1）實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)室滑動變阻器、網(wǎng)購15枚LED燈串聯(lián)的線路板（LED燈排）、小燈泡、開關(guān)、電源與導(dǎo)線若干。

（2）實(shí)驗(yàn)原理及制作過程

將網(wǎng)購LED燈串聯(lián)的線路板的兩端的導(dǎo)線接入實(shí)驗(yàn)室滑動變阻器的下端兩接線柱之間，利用LED燈串聯(lián)電路板始終與滑動變阻器的鎳鉻合金絲并聯(lián)的特點(diǎn)，動態(tài)顯示滑動變阻器電阻絲接入電路中有效長度變化特點(diǎn)。當(dāng)滑動變阻“一上一下”接入電路中，LED燈排通過滑片P與接入電路中的鎳鉻合金絲始終是并聯(lián)連接，可以實(shí)時(shí)顯示滑動變阻器接入電路中電阻絲的部分（如圖4所示）。

三、教學(xué)目標(biāo)

①物理觀念：了解滑動變阻器的基本結(jié)構(gòu)和原理；形成使用滑動變阻器改變電路中電流的意識。

②科學(xué)思維：在使用中體會滑動變阻器的結(jié)構(gòu)之巧、之妙，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。

③科學(xué)探究：經(jīng)歷探究“決定電阻大小的因素”的活動中學(xué)會用控制變量法與轉(zhuǎn)換法研究物理問題。

④科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生善于動手動腦的科學(xué)素養(yǎng)，樂于參與科學(xué)實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神以及培養(yǎng)學(xué)生交流合作的意識。

四、教學(xué)流程

本節(jié)課由生活中多樣的變阻器過渡到滑動變阻器的教學(xué)，以問題為導(dǎo)向，采用問題解決式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推進(jìn)，通過預(yù)設(shè)層層進(jìn)階的問題鏈教學(xué)，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，圍繞“改變接入電路中電阻線的長度”是最基本、最簡單的變阻方法；將電阻線由直線型改為環(huán)繞立體型排列，制成滑動變阻器；探究滑動變阻器改變電路電阻的使用方法，在解決一個(gè)個(gè)真實(shí)物理問題中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)流程如圖5所示。

五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)錄

（一）巧用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，引起認(rèn)知沖突

教師首先展示圖2中的“魔燈”電路，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)簡單的電路，但是閉合開關(guān)后，小燈泡卻不亮。

[師]下面老師將用我的超能力全部注入該電路中，大家看我的動作，我用右手從電路下面的紙盒前劃過，大家會看到什么現(xiàn)象？為什么會這樣呢？

[實(shí)驗(yàn)活動]教師用右手掌輕輕劃過，電路中的燈泡亮了，而且越來越亮。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)引入新課，可以起到激趣引致的作用。全班學(xué)生的注意力很快被吸引過來，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生產(chǎn)生進(jìn)一步揭開謎底的學(xué)習(xí)動力，為整個(gè)課堂教學(xué)展開注入了推進(jìn)劑。

（二）首問“何謂變阻器？”，引入物理概念

[師]“魔燈”實(shí)驗(yàn)中怎樣改變小燈泡的亮度？

[生]改變電流。

[師]怎樣改變電路中的電流？

[生]改變電阻。

[師]怎樣改變電路中的電阻？改變電阻有哪些方法？

[生]可以改變導(dǎo)體的材料、橫截面積、長度與溫度等因素。

[師]說得很好。但是在一般情況下，最直接、最簡單地改變電阻的方法算改變導(dǎo)體的長度了，下面我們請一位同學(xué)來演示一下我們課前自制的“調(diào)速大風(fēng)車”。

[學(xué)生活動]如圖3所示，學(xué)生將鱷魚夾慢慢地從鎳鉻合金絲的一端滑向另一端，讓全班同學(xué)們感受大風(fēng)車的轉(zhuǎn)速變化與接入電阻線長度的關(guān)系。

[師]我們將阻值可以調(diào)節(jié)變化的電阻器簡稱為變阻器，例如滑動變阻器、電位器都是最常見的電學(xué)元件，變阻器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。

（教師板書：一、變阻器）

設(shè)計(jì)意圖：教師運(yùn)用自制“調(diào)速大風(fēng)車”的學(xué)生展示活動，引出“變阻器”的概念，從而引起學(xué)生的注意力。學(xué)生在閱讀教材中發(fā)現(xiàn)變阻器在生活中的廣泛應(yīng)用，再結(jié)合導(dǎo)體的電阻大小的幾個(gè)決定因素，意識到改變電阻線的長度是最容易、最方便的方法。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中運(yùn)用學(xué)過的知識解釋生活中的物理現(xiàn)象，解決生活中簡單的問題，在創(chuàng)新實(shí)踐活動情境中培養(yǎng)學(xué)生物理觀念。

（三）次問“滑動變阻器的結(jié)構(gòu)與原理如何？”，定義物理概念

[師]從“調(diào)速大風(fēng)車”上來看，鎳鉻合金絲占很大空間，不便于攜帶，有更好的辦法解決嗎？

[生]將長電阻絲纏繞在圓柱體上，可以大大減小其占有的空間。

[師]對，實(shí)驗(yàn)室滑動變阻器就是采用這種方法，下面我們每小組的桌子上均放有一只滑動變阻器，請同學(xué)們認(rèn)真觀察其結(jié)構(gòu)和銘牌。

[生]滑動變阻器由涂有絕緣層的鎳鉻合金絲密繞在陶瓷圓筒上，在金屬桿上穿入滑片，用絕緣支架固定，其有四個(gè)接線柱。

[師]滑動變阻器實(shí)質(zhì)上也是由最簡單的電學(xué)器材制成，將與滑片接觸的電阻絲部分的絕緣層刮去，是科學(xué)家們的偉大構(gòu)思。因此，創(chuàng)造發(fā)明是很偉大的，大家只要能夠不懈的努力，也能使用簡單材料制作不同尋常的作品，也可以走向化腐朽為神奇的創(chuàng)造發(fā)明。大家認(rèn)真研究一下滑片上銘牌“50Ω 1. 5A”有何含義。

[生]“50Ω”表示滑動變阻器的最大阻值為50Ω；“1. 5A”表示允許通過的最大電流為1. 5A。

[師]滑動變阻器的原理是什么？

[生]滑動變阻器靠改變其接入電路中電阻線的長度而實(shí)現(xiàn)改變電阻的。

[師]滑動變阻器的作用是什么？

[生]滑動變阻器可以通過移動滑片來實(shí)現(xiàn)其接入電路中電阻的改變，從而實(shí)現(xiàn)改變電路中的電流大小，也可以改變某部分電路兩端的電壓，當(dāng)滑片置于阻值最大處，可以起到限流作用，防止電流過大而燒壞電路，起到保護(hù)電路。

（教師板書：二、滑動變阻器的結(jié)構(gòu)與原理）

設(shè)計(jì)意圖：由直線電阻絲升級為立體緊密環(huán)繞在圓柱筒壁上，可以大大節(jié)約空間體積，在科學(xué)模型的進(jìn)階中突破教學(xué)的難點(diǎn)。因?yàn)榛瑒幼冏杵鹘Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，讓學(xué)生經(jīng)歷自主學(xué)習(xí)、小組交流、分析、總結(jié)出儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與銘牌的含義，為分組實(shí)驗(yàn)操作做好知識儲備。

（四）再問“滑動變阻器如何改變電阻？”，建構(gòu)心智模型

在弄懂滑動變阻器原理的基礎(chǔ)上，教師提出新的問題：“使用滑動變阻器如何改變燈泡亮度？是哪一部分電阻絲真正接入電路中呢？”各小組展開分組實(shí)驗(yàn)探究，收集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)滑動變阻器改變電阻的具體接法有哪些，各有什么特點(diǎn)，要注意哪些問題。教師帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，逐一解決這些疑問。

[師]如果利用滑動變阻器來改變小燈泡的電流，它與小燈泡串聯(lián)還是并聯(lián)？

[生]由于并聯(lián)電路各支路之間互不影響，我感覺必須要連接串聯(lián)電路。

[師]很好。下面同學(xué)們來探究滑動變阻器改變小燈泡的亮度實(shí)驗(yàn)為例，展開實(shí)驗(yàn)探究滑動變阻器的使用特點(diǎn)，請大家總結(jié)出使用方法。

[實(shí)驗(yàn)活動]學(xué)生小組活動，將滑動變阻器的接線柱“兩兩組合”，實(shí)施探究，發(fā)現(xiàn)只有采用“一上一下”的接法才可以實(shí)現(xiàn)改變電路中的電阻；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)只有下方的電阻絲接線柱在電路中起改變電阻的作用。最終，學(xué)生總結(jié)出滑動變阻器的接法是“一上一下，關(guān)鍵在下”的連接方法。

（教師板書：三、滑動變阻器如何改變電阻）。

設(shè)計(jì)意圖：探究滑動變阻的使用，總結(jié)出使用規(guī)律是教學(xué)的重點(diǎn)。將心智模型與真實(shí)的物理情境相結(jié)合就是物理建模過程，學(xué)生在建?；顒又袝霈F(xiàn)各種不可預(yù)測的困難，發(fā)現(xiàn)許多意想不到的問題，教師巡視指導(dǎo)，逐一解決探究中遇到的問題。針對有些學(xué)生始終將滑動變阻器與燈泡并聯(lián)使用，教師要鼓勵(lì)他們嘗試，在不同類型電路連接中進(jìn)行對比，這樣得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論最可靠，化解學(xué)生已有的疑惑，提升科學(xué)探究效果與實(shí)踐活動質(zhì)量。

（五）末問“如何實(shí)現(xiàn)變阻器電阻變化的可視化？”，實(shí)現(xiàn)質(zhì)疑創(chuàng)新

為了突破思維中的盲點(diǎn)，教師提出問題：“如何實(shí)現(xiàn)變阻器電阻變化的可視化？”帶領(lǐng)學(xué)生通過質(zhì)疑創(chuàng)新的方式實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的跨越。

[師]我們首先來揭秘上課前的“魔燈”的工作原理。原來我的右手中指上戴了一枚磁性戒指，當(dāng)右手在長方形紙盒上自右向左劃過時(shí)，磁性戒指將鉛筆芯上的細(xì)鋼環(huán)吸向左邊，使接入電路中的鉛筆芯變短，電阻變小，燈泡變亮。

[生]哦！原來也是通過改變電阻線的長度來實(shí)現(xiàn)燈泡的亮度變化。

隨著科技發(fā)展與技術(shù)改進(jìn)，可以網(wǎng)購15枚LED燈串聯(lián)的線路板（LED燈排），將其與滑動變阻器的鎳鉻合金絲的兩端并聯(lián)在一起（如圖4所示）。將滑動變阻器正確地接入電路，演示在移動滑片P過程中，能及時(shí)顯示接入電路中電阻絲長度的變化，讓初學(xué)滑動變阻器的學(xué)生實(shí)現(xiàn)滑動變阻器電阻的可視化。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)沒有最好，只有更好。教師引導(dǎo)學(xué)生練習(xí)真正的可視化滑動變阻器，揭開元件使用的神秘面紗，是學(xué)生樂見其成的事情，讓這節(jié)新課教學(xué)留下的遺憾越少越好。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、奉獻(xiàn)科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在攀登科學(xué)高峰過程中不畏艱難，勇往直前的奮斗精神。

六、教學(xué)反思

物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)屬性決定了教學(xué)方式的開放性。新課“變阻器”教學(xué)的過程實(shí)質(zhì)上是物理學(xué)中“如何正確使用滑動變阻器改變電路中電阻”等一系列真實(shí)問題的解決過程。通過創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，以實(shí)驗(yàn)探究為平臺，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具為載體，靈活運(yùn)用問題解決式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在層級性問題鏈的提問下，催生學(xué)生積極主動的科學(xué)思維活動中，產(chǎn)生推動實(shí)驗(yàn)探究的動力。在模型建構(gòu)層次的升級中，由概念模型升級到心智模型，再進(jìn)入創(chuàng)新性物理模型的建構(gòu)，積小勝為大勝，在形成物理觀念中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：加順花）