面向?qū)W生科學(xué)思維發(fā)展的習(xí)題教學(xué)設(shè)計

摘 要：設(shè)計符合學(xué)生科學(xué)思維水平層次的習(xí)題教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵組成部分。本文從高中物理習(xí)題教學(xué)的改進(jìn)對策、面向?qū)W生思維發(fā)展的習(xí)題教學(xué)設(shè)計兩個維度，深入闡述如何科學(xué)合理地建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的習(xí)題教學(xué)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：習(xí)題教學(xué)；科學(xué)思維；電容器問題

1 習(xí)題教學(xué)的現(xiàn)狀分析及對策

1.1 對習(xí)題教學(xué)的認(rèn)識

科學(xué)思維的有效培養(yǎng)是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)?？茖W(xué)思維貫穿于課堂內(nèi)外，可以幫助學(xué)生實現(xiàn)從淺層記憶到深度學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。習(xí)題教學(xué)的目的是使學(xué)生利用所學(xué)概念、公式、規(guī)律等，通過模型建構(gòu)，進(jìn)行科學(xué)推理，再進(jìn)行科學(xué)論證，最終提出質(zhì)疑并勇于創(chuàng)新，以此錘煉和提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。習(xí)題教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生從低階思維到高階思維轉(zhuǎn)變的有效途徑，是學(xué)生利用已有知識進(jìn)行綜合分析和解決問題的試金石，是教師對學(xué)生學(xué)習(xí)成效進(jìn)行即時反饋與評價的重要方式。為了更好地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，教師必須充分認(rèn)識到習(xí)題教學(xué)的重要作用，并予以高度重視。

從習(xí)題教學(xué)的功能視角來看，情境問題鏈教學(xué)、限時訓(xùn)練等方式能夠?qū)⒒貞浱崛　⒔７治?、推理解決、反思論證、鞏固深化及創(chuàng)新等關(guān)鍵環(huán)節(jié)有機融合，形成一條貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的主線。通過這些方法，學(xué)生能夠逐漸形成獨特的思維見解，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。習(xí)題教學(xué)還通過習(xí)題調(diào)研來呈現(xiàn)和剖析學(xué)生的學(xué)業(yè)水平質(zhì)量與綜合素質(zhì)，同時反饋教師在教學(xué)中的不同表現(xiàn)，幫助教師及時調(diào)整教學(xué)策略。習(xí)題教學(xué)不僅能夠幫助學(xué)生對物理觀念再理解、對科學(xué)思維再深化、對科學(xué)探究再演繹，更能夠幫助學(xué)生對科學(xué)態(tài)度與責(zé)任再實踐。教師可以根據(jù)教材開發(fā)出習(xí)題教學(xué)的相關(guān)輔助功能。

1.2 習(xí)題教學(xué)的課堂模式

由于課時緊張，一些教師選擇一講到底、就題論題的教學(xué)方式，甚至直接展示參考答案。這種做法不僅無法有效提升教學(xué)效果，更不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與達(dá)成。那么，怎樣的習(xí)題教學(xué)課堂才能稱得上是好課堂呢？

首先，教師可選擇一個典型的綜合情境問題，并圍繞其進(jìn)行設(shè)計，通過設(shè)置問題鏈或問題串，逐步鋪設(shè)思維臺階，以層層深入的方式，引導(dǎo)學(xué)生的思維實現(xiàn)螺旋上升。同時，教師可以設(shè)置情境不同，但解題思路和方法相同的習(xí)題，幫助學(xué)生在生生合作、互動交流、主動探究和自主表達(dá)的過程中，激發(fā)科學(xué)思維的運用。其次，教師對所設(shè)置問題的解決方式要有預(yù)設(shè)。例如，問題可能既可以利用運動學(xué)結(jié)合牛頓運動定律解決問題，也可以利用動能定理結(jié)合能量守恒定律解決問題，還可以利用動量定理結(jié)合動量守恒定律解決問題。這種預(yù)設(shè)不僅考慮了問題解決的普遍性和特殊性，還為學(xué)生提供了多元化的思考路徑。最后，教師在設(shè)計習(xí)題時，應(yīng)啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生提出更多見解，鼓勵他們對問題進(jìn)行變式遷移、歸類提煉、規(guī)律總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)創(chuàng)新升華。另外，教師可以結(jié)合科技與生活，創(chuàng)造出新的問題情境，使學(xué)生的科學(xué)思維能力得到全面的培養(yǎng)。這種習(xí)題教學(xué)模式不僅能夠覆蓋科學(xué)思維的各個維度，還能促進(jìn)這些思維能力成為學(xué)生的內(nèi)在能力與素養(yǎng)，最終實現(xiàn)思維能力本能化。

1.3 習(xí)題教學(xué)的習(xí)題選擇

市面上的各類同步練習(xí)和輔導(dǎo)書往往趨于同質(zhì)化。然而，由于學(xué)生群體中存在個體的差異性，單一依賴統(tǒng)一訂閱的教輔資料難以實現(xiàn)因材施教的教育原則。由于學(xué)生認(rèn)知程度和理解水平不同，教師應(yīng)該研究學(xué)情，選擇適合學(xué)生能力的習(xí)題。教師可以充分利用教輔書、各大習(xí)題網(wǎng)站及物理教師聯(lián)絡(luò)群中的豐富電子資源，這些資源涵蓋了各類新授課習(xí)題、專題訓(xùn)練、模擬試卷和歷年真題等。教師可以根據(jù)需要將不同的題目歸入相應(yīng)的板塊，并依據(jù)難度按易、中、難將題目分類。接著，教師需要從題庫中挑選適合學(xué)生能力的問題進(jìn)行設(shè)置和改編，力求實現(xiàn)一題多解、多題歸一的效果。備課組通過分工合作、討論教研，最終形成符合學(xué)生學(xué)情的習(xí)題教學(xué)方案。［1］在課堂上，教師應(yīng)給予學(xué)生更多思考時間，使他們順理成章地將知識序列化、內(nèi)化、活化與深化，從而真正掌握所學(xué)知識。

2 面向?qū)W生科學(xué)思維發(fā)展的習(xí)題教學(xué)設(shè)計與實施策略

高中物理習(xí)題教學(xué)的高效性直接關(guān)乎學(xué)生解決情境問題能力素養(yǎng)的提升。物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維主要包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，而科學(xué)思維水平通常分為五個層次，引導(dǎo)習(xí)題教學(xué)設(shè)計的科學(xué)設(shè)置是實現(xiàn)“教—學(xué)—評”一體化統(tǒng)一的關(guān)鍵。科學(xué)合理的習(xí)題教學(xué)設(shè)計，不僅能夠檢驗學(xué)生對物理知識的掌握程度，還能評估他們在知識的深度、效度和遷移度上的表現(xiàn)。通過有效的習(xí)題教學(xué)設(shè)計，教師能夠引領(lǐng)學(xué)生從低階思維向高階思維轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從淺層記憶到深度學(xué)習(xí)的質(zhì)的飛躍。下文以電磁感應(yīng)中有外力充電式的電容器問題為例，淺述面向?qū)W生科學(xué)思維發(fā)展的習(xí)題教學(xué)設(shè)計實施策略。

情境1：如圖所示，光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ放置在同一水平面內(nèi)，M、P之間接電容器，電容器的電容為C，金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置，不計所有的電阻。整個裝置處在豎直向上的勻強磁場中。t＝0時對金屬棒的中點施加水平向右的恒力F，在電容器被擊穿前，金屬棒的速度v、通過金屬棒的電流I、通過導(dǎo)軌橫截面的電荷量q和拉力的功率P是如何變化的？

2.1 模型建構(gòu)

本題圍繞“情境、問題、過程”三方面展開，融合了電容器與電磁感應(yīng)的內(nèi)容，通過外力拉動單棒切割的情境問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探討。在教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧物理概念、基本公式、基本規(guī)律和基本模型，并幫助學(xué)生建構(gòu)和分析模型，抓住主要因素，忽略次要因素，建立符合學(xué)生科學(xué)思維水平的理想化模型。

2.2 科學(xué)推理

針對具體問題，教師引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地分析，將情境化題目演化為非情境化題目，進(jìn)而探討問題解決的全過程。教師通過科學(xué)邏輯，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入分析受力情況、運動狀態(tài)、能量的組成與變化，同時考慮通過導(dǎo)軌橫截面的電荷量等因素，層層剖析，直達(dá)問題的本質(zhì)。

問題1：金屬棒受到哪些力的作用？

生：恒力F、安培力F_A＝BIL（重力與支持力平衡）。

問題2：初速度為零，金屬棒先做加速直線運動（后續(xù)做什么運動稍后討論），加速度如何表達(dá)？

問題3：金屬棒的加速度表達(dá)式中自變量和因變量分別是什么？

生：金屬棒的加速度表達(dá)式中自變量和因變量分別是電流I和加速度a，加速度a隨著電流I的改變而改變。

問題4：根據(jù)表達(dá)式，討論加速度a，必先討論電流I怎么變？那么電流I又如何表示呢？

問題5：該電路中，Δt時間內(nèi)，流過導(dǎo)軌橫截面的電荷量Δq與電容器帶電荷量的增加量ΔQ，有何關(guān)系？

生：Δt時間內(nèi)，流過導(dǎo)軌橫截面的電荷量與電容器帶電荷量的增加量相等，即Δq＝ΔQ。

問題7：電容器充電電壓增加量ΔU與金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢增加量ΔE的關(guān)系是什么？

生：電容器充電電壓增加量ΔU與金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢增加量ΔE的關(guān)系為ΔU＝ΔE。

問題8：金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的增加量ΔE與速度增加量Δv的關(guān)系是什么？

生：金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的增加量ΔE與速度增加量Δv的關(guān)系為ΔE＝BLΔv（BL是常數(shù)）。

問題9：回到問題2，金屬棒的加速度a是怎樣變化的？

問題10：既然a不變，則I＝CBLa也不變。那么在開始時的時間Δt內(nèi)，流過導(dǎo)軌橫截面的電荷量Δq為多少？有哪些方法可以求解？

生1：根據(jù)電流定義式的變形式，因為Δq＝IΔt，所以Δq＝CBLaΔt。

生2：運用動量定理，因為－BILΔt＋FΔt＝mv₁－0，v₁＝aΔt，可得F－BIL＝ma，I＝CBLa，所以Δq＝CBLaΔt。

生3：流過導(dǎo)軌橫截面的電荷量Δq等于電容器帶電荷量的增加量ΔQ，即因為ΔQ＝CΔU＝CΔE＝CBLΔv＝CBL（aΔt－0）＝CBLaΔt，所以Δq＝ΔQ＝CBLaΔt。

2.3 科學(xué)論證

科學(xué)推理的科學(xué)性、普適性需要通過科學(xué)論證來驗證?？茖W(xué)論證使學(xué)生的學(xué)習(xí)更具科學(xué)性、探究性和生成性，有效促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解和再認(rèn)識?？茖W(xué)探究的實踐過程本質(zhì)上是科學(xué)論證的過程，即從證據(jù)出發(fā)，通過推理和實踐支持科學(xué)主張的過程。這一過程對于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和深化具有顯著作用。

問題1：在電學(xué)實驗中，如何論證開始時的時間Δt內(nèi)，流過導(dǎo)軌橫截面的電荷量Δq？需要注意哪些特點？

生：①導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻難以忽略，可以等效為小電阻來替代；②捆綁在一起的馬蹄形磁體兩極之間或者靠近的條形磁體的異名磁極之間的磁場可視為勻強磁場；③也可使用亥姆霍茲線圈來產(chǎn)生勻強磁場并測量出其磁感應(yīng)強度B。

師：同學(xué)們的想法都很具針對性，實際操作還需要科學(xué)的設(shè)計和嚴(yán)格的操作，充分利用各類傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

問題2：如何有效控制恒力F不變，有什么好的創(chuàng)意？

生：可將實驗裝置中恒力F進(jìn)行替換，細(xì)線一端固定在金屬棒上，另一端通過定滑輪懸掛一個質(zhì)量m′的物體（見圖1）。

對ab進(jìn)行分析，m′g－T＝m′a，T－BIL＝ma，可得出T為恒定值。

問題3：怎么計算在開始時的時間Δt內(nèi)，流過電路導(dǎo)軌橫截面的電荷量Δq？

生：①使用傳感器，導(dǎo)出I-t圖像，圖像與橫軸所圍面積等于電荷量；②使用Δq＝ΔQ＝CBLaΔt計算（a可以通過光電門計算得出），比較兩種不同方法得出的結(jié)果是否在誤差允許范圍內(nèi)相等。

2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑創(chuàng)新主要包括直覺聯(lián)想、遷移思維、質(zhì)疑精神，以及建構(gòu)創(chuàng)新方法。質(zhì)疑創(chuàng)新基于事實證據(jù)和科學(xué)推理，鼓勵學(xué)生針對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，并進(jìn)行檢驗和修正，從而提出創(chuàng)造性見解。質(zhì)疑創(chuàng)新不僅體現(xiàn)了批判性思維和高階思維的能力，也是學(xué)生將知識序化、內(nèi)化、活化和深化的表現(xiàn)。

師：原始模型是否具有普遍性？有沒有其他類似模型？

生：可得出類似模型如圖2、圖3所示，并且科學(xué)推理各個物理量。

師：請同學(xué)們基于以上深度理解，提出變式模型，并辨析與上述模型的異同。

生：通過討論合作得到情境2。通過金屬棒有效長度與位移的關(guān)系，得出金屬棒有效長度變化量與位移變化量的關(guān)系，與情境1形成鮮明對比。

情境2：如圖所示，兩光滑導(dǎo)軌水平放置在豎直向下的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為B，導(dǎo)軌間距最窄處為一狹縫，取狹縫所在處O點為坐標(biāo)原點，狹縫右側(cè)兩導(dǎo)軌與x軸夾角均為θ，一電容為C的電容器與導(dǎo)軌左端相連，導(dǎo)軌上的金屬棒ab與x軸垂直，在外力F作用下從O點開始以速度v向右勻速運動，忽略所有電阻，則電路中電流是如何變化的？

師：本題中金屬棒ab做勻速直線運動，所以是哪個物理量引起動生電動勢的變化？位移x與該物理量的關(guān)系是什么？

因為E＝BLv，所以ΔE＝BvΔL。

師：請同學(xué)們結(jié)合情境1的推導(dǎo)方式，推導(dǎo)電流的表達(dá)式。

借鑒情境1的解析，學(xué)生們的問題得到順利解決。在未來的教學(xué)中，教師可以收集更多形似或神似的情境問題進(jìn)行比對，通過科學(xué)探究，創(chuàng)新出更多高質(zhì)量的情境問題。通過這種方式，教師可以成為命題專家，實現(xiàn)自身素養(yǎng)的提升和飛躍。

3 結(jié)語

情境引入、問題驅(qū)動和啟發(fā)探究三個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，符合科學(xué)思維的五個層次。通過問題驅(qū)動，將基本規(guī)律、概念、公式及其內(nèi)涵有機地串接起來，形成貫穿整個主動學(xué)習(xí)過程的主線，從而提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。［2］科學(xué)合理地設(shè)計優(yōu)質(zhì)的習(xí)題教學(xué)集，以提升學(xué)生的科學(xué)思維水平和培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)，這將是教師在很長一段時間內(nèi)持續(xù)努力追求的目標(biāo)。通過這樣的教學(xué)集，培養(yǎng)能夠終身發(fā)展和適應(yīng)社會發(fā)展的優(yōu)秀人才，為教育事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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［2］葛為民.高中物理習(xí)題教學(xué)促使核心素養(yǎng)落地生根［J］.湖南中學(xué)物理，2019，34（11）：39-41，23.