高中物理“问题解决”课堂教学模式初探＊

程柱建

（江苏省如皋中学，江苏 如皋 226500）

1 问题的提出

《国家中长期教育改革和发展规划纲 要（2010－2020年）》战略主题的重点是面向全体学生、促进学生全面发展，着力提高学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力.所以问题解决能力的培养是高中物理教学的重要目标之一.问题解决是一系列的有目的指向性的认知操作活动过程，这是认知心理学家公认的问题解决定义.［1］该定义包括3点：一是问题解决具有目的指向性；二是问题解决是一系列的操作；三是这种操作必须是认知操作.问题解决是思维的一种最普遍形式，它突出地表现人的心理活动的智慧性和创造性，也就是说问题解决本质上是一种思维活动.可是传统教学中教师过于重视学生对结论性知识的学习，而忽视了学生思维过程的激发和思维能力的培养.鉴于此，我们申报了江苏省南通市教育科学“十二五”规划专项课题“高中物理问题解决课堂教学模式的研究”，力图构建一种较好的提高学生解决问题能力的教学模式.

2 高中物理“问题解决”课堂教学模式的构建

2.1 模式的图示

根据初步理论研究和课堂教学的实践研究，我们构建了适合高中物理课堂教学的“问题解决”课堂教学模式，模式图示如图1所示.该模式的教学过程包含学生、教师和问题这3个要素，其中问题这一要素是向学生呈现物理情境的载体，经过问题解决的5个阶段和3个要素的相互作用，实现学生认识上的飞跃.这是一种既发挥教师主导作用又能充分体现学生认知主体作用的教学模式，属于阎金铎、田世昆教授所推崇的符合当前素质教育以人为本理念的“双主模式”，他们认为高中物理课堂教学设计应以这种“双主模式”为主.

图1

2.2 模式的思想

以问题为主线，坚持学生的主体地位，充分发挥教师的主导作用，使学生在创设的问题情境中，产生学习的需要，主动探究、亲身体验、善于合作与交流，旨在通过问题解决，建构知识，培养思维能力，开发潜能，提升探究能力.

2.3 模式的操作说明

（1）选择问题.

教师依据教学目标选择问题，创设师生共有的问题情境，使学生产生解决问题的期待，能够使学生做出合理的假设与猜想，并为师生、生生间的有效交流搭建平台.教学中所选择的问题应符合“可行性、有价值、情境化、有意义、道德的，即驱动性问题”.［2］

（2）表征问题.

表征物理问题是在头脑中建构物理情境，可以运用文字、图像、图表、模拟实验等方法简化对问题的思考，让问题研究的对象、状态过程清晰显现出来，让问题明朗化、模型化，理顺物理问题的复杂关系.

（3）提出假设.

学生在表征问题之后，根据生活、知识经验提出假设.提出假设的过程不是盲目的，它应该是学生有推理有逻辑的思维过程，这是有意义解决问题的一个重要条件，也是培养学生创新思维的过程.学生可以通过自主学习或合作学习提出假设.

（4）检验假设.

学生可以利用实验、逻辑推理检验假设.如果假设正确，问题将得以解决，反之，就要进行提出假设→检验假设的反复操作，甚至重新表征问题.

（5）交流评价.

在自我评价、小组交流和教师指导下，学生将自己的活动作为意识对象进行监控与控制并积极调节自己的行为，甚至改建自己的知识结构，这个过程还包括思维水平的发展与科学思维方式的形成.教师对学生的评价要注重学生问题解决的过程，要对学生的参与程度、参与积极性、对集体的贡献进行评价，不把评价仅放在结果上.

2.4 模式的设计原则

（1）主导性与主体性.

教师要坚持学生处于课堂教学的主体地位，从问题的提出、表征、解决都要求学生积极参与，教学策略的选择、实施和运用也必须尊重学生的主体地位，发挥他们的主体作用.另外，充分发挥学习小组的作用，让学生共同承担起责任和任务，建立多边多向的交流和合作共建关系，满足学生自主学习和有差异学习的需要，使每一位学生都能参与到学习过程中来.只有充分发挥学生学习的自主性，教师的主导作用才能真正落实到位.

（2）探究性与有效性.

以问题为主线，激发学生开展探究学习，追求物理学习的有效性.需要注意的是，必须纠正教学中过度追求重复人类发现过程而使学习效率低下甚至严重偏离教学目标的现象，有人认为“数学教学活动中的数学活动过程更多的是含有‘复制’性质的‘再创造’，而不是‘原始’性质的‘创造’”，［3］物理教学亦然.

（3）预设性与生成性.

预设性对教学的实施起定向、导航作用，它可以避免学习活动的形式化和严重偏离目标的现象；如果预设性太强，也会出现教师“牵着”学生走的现象.教学的生成性要求为学生提供可选择的内容以及多层次、多类型的物理活动，以满足学生对不同学习内容和学习过程的需要，展示个体的思维特点及创造力.预设性通常体现在问题解决的目标规范和宏观定向方面，生成性则发生在具体问题的认知解决过程中.

3 模式的操作案例

教学内容：探究加速度与力、质量的关系.

本节课从实验角度为下节研究动力学的核心规律牛顿第二定律作知识铺垫.教学重点是通过控制变量法提供并测量研究对象所受的力和测量研究对象的加速度.难点则是指导学生通过自主学习和小组合作学习，设计实验方案，并讨论方案的可行性.教学设计通过5个活动，以问题为主线，注重知识问题化，问题层次化，让不同层次的学生都有思考与讨论、交流与合作的空间，关注学生对知识形成过程的理解.利用异质分组的学习小组，鼓励学生互学互助，积极进行自我评价和互评，让学生通过交流与合作，经历知识的获取过程.

活动1：回顾知识，提出问题

问题1：关于力和运动的关系，下列几种说法中正确的是

（A）必须有力作用在物体上，物体才运动.

（B）没有力的作用，物体就要逐渐停下来.

（C）必须有力的作用，物体的速度才能改变.

（D）要保持速度不变，必须有力的作用.

问题2：关于物体的惯性，下述说法中正确的是

（A）运动速度大的物体不能很快地停下来，是因为物体速度越大，惯性也越大.

（B）静止的火车起动时，速度变化慢，是因为静止的物体惯性大的缘故.

（C）乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球惯性小.

（D）在宇宙飞船中的物体不存在惯性.

问题3：物体运动状态改变的快慢用什么物理量来描述？

学生：加速度.

问题4：物体运动状态改变快慢与物体的哪些因素有关？

学生：物体的加速度大小与物体的受力和物体的质量有关.

问题5：物体质量一定，作用力越大加速度越大吗？举日常生活中的例子说明你的观点.

问题6：物体受力一定，质量大的物体加速度小吗？举日常生活中的例子说明你的观点.

学生：当物体的质量一定时，作用力大，物体的加速度大.当物体的受力一定时，质量大的物体加速度小.

设计意图：通过问题1、2巩固上节课内容的同时，让学生感受到生活中物体运动的改变与物体的受力和质量有关.

活动2：大胆猜想，设计实验

问题7：猜想加速度的大小与合外力、物体的质量应该有怎样的定性关系？

学生：（1）加速度随合外力的增大而增大，即加速度可能与合外力成正比；（2）加速度随物体质量的增大而减小，即加速度可能与合外力成反比.

问题8：用什么方法研究加速度与力、质量的关系？

学生：控制变量法.质量一定，探究加速度与合力的关系；合力一定，探究加速度与质量或质量倒数的关系.

问题9：有什么方法可以直观地验证你的猜想？

学生：图像法.

设计意图：让学生在活动1的基础上，能够正确地表征问题并提出加速度与力、质量的定性关系的假设.

问题10：请自主设计实验.

（1）实验目的：探究加速度与力、质量的关系.

（2）实验准备：

①研究对象是什么？如何测量研究对象的质量？对应的实验器材有哪些？

②如何测量研究对象的加速度？对应的实验器材有哪些？

③如何提供并测量研究对象所受的力？对应的实验器材有哪些？

（3）实验步骤：

①m一定，探究a、F的关系.

（4）实验的注意事项.

（5）实验数据的记录与处理.

设计意图：让学生独立设计实验方案来验证假设，培养学生分析问题、解决问题的能力.

活动3：小组交流，验证假设

问题11：组内合作学习，形成可行的实验方案.

设计意图：让学生将自己设计的实验方案带到小组内进行讨论，可以通过逻辑推理来间接检验实验方案中对质量、加速度、合力这3个物理量的测量情境的假设，形成较为成熟的、可行的实验方案.

问题12：组间交流评价，分析方案的可行性.

设计意图：请各小组派出发言人，到黑板上展示活动方案.其他小组的学生进行可行性分析和辩论，并且对可行的实验方案进行注意事项的讨论.

问题13：完善实验方案，利用实验检验假设.

设计意图：让学生根据交流评价的反馈信息，反思、调整和完善实验方案，并进行实验，作出图像，检验假设.

活动4：教师演示，激发兴趣

（1）教师介绍DIS L ab装置组成和实验原理.

（3）演示实验：

① 小车质量一定时，探究加速度与拉力的关系.演示结果的a－F图像如图2所示.

图2

图3

设计意图：教师利用DIS L ab进行演示实验，可以把实验结果通过图像呈现出来，能够快速、直观地进一步地检验学生的假设.新颖的演示实验，将极大地激发学生的学习热情.

活动5：总结方法，自我评价

问题14：根据本节课的过程以及伽利略的科学方法，你能总结出科学探究的一般过程吗？

学生：观察现象→提出问题→讨论问题→提出假设→逻辑论证→实验检验→解决问题.

问题15：科学探究过程需要我们以一种什么态度面对？

学生：实事求是、百折不挠的科学态度.

设计意图：让学生在问题解决过程中经历了成功与失误、体验与反思.同时，教师根据学生的课堂表现，评选出优秀学习小组.

本节课利用了“高中物理‘问题解决’课堂教学模式”进行课堂教学，5个活动的设计旨在让学生体会控制变量法是研究物理规律的重要方法，经历一次完整的探究过程，激发学生的求知欲和创新精神，培养学生的合作意识与问题解决能力，培养学生相互学习、交流、共同提高的学习态度.

本实验要解决的主要问题是怎样测量加速度和怎样提供并测量研究对象所受的合力.下面列举出笔者教学中，经过组间交流评价后可行的该两个问题的解决方案：

（1）测量加速度的方案.

① 利用打点计时器打出的纸带计算加速度.

② 研究初速度为0的匀加速直线运动，相同时间运动的加速度比等于位移比，即用比较法研究加速度.这种方案用到了教材中的参考案例的方法.

③利用光电门传感器测小车上面的挡光板通过的时间，从而得到挡光板通过光电门的瞬间速度，利用速度公式或速度－位移公式计算加速度.这是学生根据教材第1章的“实验：用打点计时器测速度”一节中的“科学漫步：气垫导轨和数字计时器”的启发而得出的.

④ 利用频闪照相测量加速度.

（2）提供并测量合力的方案.

① 利用两个小车进行实验，类似于教材中的参考案例.

② 装置如图4所示，研究对象为小车.在平衡摩擦力、砝码和砝码盘的总质量远小于小车质量的前提下，小车受到的合力约等于砝码和砝码盘的总重力.

③将图4中的长木板换成气垫导轨，研究对象也改成了滑块.由于滑块与导轨间的摩擦很小，则无需平衡摩擦力了，在砝码和砝码盘总质量远小于滑块质量的前提下，滑块受到的合力约等于砝码和砝码盘的重力.

④ 将图4中的研究对象改为小车、砝码和砝码盘这个系统.平衡摩擦力后，该系统受到的合力就等于砝码和砝码盘的重力.

图4

⑤装置如图5所示，研究对象为小车.调节长木板的倾角，给小车一个初速度，使小车能沿长木板向下做匀速运动.取下细绳和砝码盘，小车不挂砝码盘做匀加速运动时所受的合力等于砝码和砝码盘的总重力.

图5

4 结束语

斯腾伯格等认为，在问题解决过程中包含4种元认知过程，它们是（1）确认并界定问题，（2）形成对问题的心理表征，（3）计划解决问题的进程，（4）对你所知的操作过程作出评价.［4］这与高中物理“问题解决”课堂教学模式的五个阶段相吻合，该教学模式的应用可以为学生新旧经验间的同化和顺应提供理想的平台，帮助学生加深和扩展学科知识，培养学生的创造性思维，提高学生解决问题的能力.

1 辛自强.问题解决与知识建构.北京：教育科学出版社，2005.

2 王磊等译.中小学科学教学：基于项目的方法与策略.北京：高等教育出版社，2004.

3 潘小明.数学课堂教学活动性初探.课堂·教材·教法，2008（11）.

4 宋其争，沃建中，林崇德.高中生物理问题解决中自我监控能力的结构.心理发展与教育，2002（2）.