基于实际问题解决的科学思维培养策略——以“向心力的实例分析”为例

林晓琦

（福州高级中学，福建 福州 350007）

科学思维是物理学科核心素养的一个重要组成部分，是物理学的精髓和灵魂。发展学生的科学思维能力是物理学科的重要教学目标之一。能否在物理教学中开展真正意义的科学思维教育，关键在于教师。因为教师是教学活动的设计者、制定者，学生的思维方式与教师的教学理念、教学方法紧密联系，可以通过教学环节潜移默化地影响与培养。这需要教师的高度责任感和强烈的育人意识，以及根据教学内容有机地将科学思维培养目标融入课堂教学的智慧和能力。［1］让学生在经历物理概念的建构过程、物理规律的探究过程，充分体会、感悟其中所蕴含的科学思维；在运用物理知识解决实际问题的过程，灵活运用、内化科学思维。

本文以“向心力的实例分析”为例，探索基于实际问题解决的科学思维核心素养培养的教学策略。实际问题解决的思维流程（如图1 所示）：

图1

一、创设真实情境，引发物理问题

问题是点燃思维的火种。我们的学生经常会“答”，却不善于“问”。而科学思维的教育不仅要重视“会”和“能”，还要重视基于什么想、从哪个角度看问题。［2］能否有意识地从物理学的视角看实际问题、提出物理问题，这是引导学生形成全面、和谐的科学思维的一个关键要素。

在《向心力的实例分析》中，可以利用多种资源，创设与生活、生产、科技紧密联系的圆周运动问题情境，为学生搭建丰富多彩的认知舞台，让学生在解决各种各样的真实问题过程中获得对知识的准确理解，提高解决实际问题的能力，提升物理素养。

［真实情境1］视频展示：赛车在跑道弯道处冲出弯道导致翻车。

设计意图：问题情境越逼真，越能引发学生的体验。让学生假设自己是一名赛车手，亲历比赛冲出弯道时的情景，身临其境的感觉促使学生提出核心问题1：汽车在水平弯道上安全转弯，要满足什么条件？

［真实情境2］图片和视频展示（如图2 所示）：火车在铁轨上运行的情景（图甲）、火车车轮与铁轨的侧视放大图（图乙）、车轮与铁轨的模型（图丙）等。

图2

［设计意图］通过丰富、直观的图片和视频，学生对火车的车轮及铁轨的结构形成清晰的物理表象，提出核心问题2：火车转弯时，是什么力提供向心力呢？

真实情境3：演示实验（如图3 所示）。

图3

对比实验1：将小球轻放在的铁丝轨道凸起位置B 处时，会从铁丝中间下落；给小球一定的速度，却能安全通过位置B。

对比实验2：将小球轻放在铁丝轨道下凹位置A 处时，不会下落；当给小球一定的速度，却从A 处的铁丝中间坠落。

设计意图：对比实验的反差现象对学生的思维有较强的冲击力，从而激起他们探寻现象背后原因的强烈欲望。联系生活中的桥面情况，提出核心问题3：为什么桥面通常是设计成拱形的？

丰富多彩的问题情境，既让学生真切感受到物理源于生活、服务于生活，又充分激起他们的兴趣点、求知欲，引导他们用物理学的眼光看实际问题，用理性的思想提出物理问题。

二、经历科学抽象，建构物理模型

模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型过程，［3］是解决实际问题至关重要的一个环节。很多学生遇到实际问题时无从下手，不知道如何解决，究其原因就是无法准确建构物理模型。对学生模型建构能力的培养要经历由具体到抽象，再由抽象上升为更高层次的具体，不断反复训练、体会和感悟才能达成。

（一）铺设问题台阶，引导有效建模

将所要解决的核心问题分解成若干驱动问题，让学生拾阶而上，以解决问题为线索，体会如何从真实情境中抽象物理模型。

情境1 中汽车实际的运动比较复杂，为了帮助学生顺利建构正确的物理模型，设置驱动问题：汽车在水平路面转弯时，由什么力提供向心力？在问题的驱动下，学生对实际问题情境进行理想化处理，忽略汽车的形状、大小，突出圆周运动主要特征，将汽车的实际运动简化为质点在水平面内的圆周运动模型。

对于核心问题2 设置以下驱动问题：若内外轨道一样高，在火车转弯时，是什么力提供向心力呢？实际弯道处的铁轨是如何设计的？为什么要这样设计？铁路弯道处内外轨的高度差如何确定？当火车提速后，如何对旧的铁路弯道进行改造？

层层递进的问题将知识的形成过程尽可能充分展开，学生解决了问题，建构了知识，提高了建模能力。

（二）精心设计实验，促进准确建模

汽车在水平路面转弯所需的向心力由侧向静摩擦力提供，是本节的难点。这是由于静摩擦力的方向与相对运动趋势方向相反，而“趋势”看不见、摸不着，难以判断和想象。为了让学生“知其然知其所以然”，设置驱动问题：能否把“相对运动趋势”发展为“相对运动”，通过分析“相对运动方向”判断“趋势方向”？如果可以，那么如何显示、记录“相对运动方向”？

在问题的驱动下，学生积极思考、充分讨论，利用转换方法精心设计实验：用一个物块代替汽车，让其底部沾有墨汁，置于水平圆盘上随盘转动（如图4 所示）。当圆盘转动越来越快、快到一定程度时，物块相对圆盘运动，并在盘面上留下一段擦痕（如图5 所示）。观察擦痕径迹发现，物块刚相对圆盘运动留下的一小段擦痕是沿着半径背离圆心的方向，说明未发生相对运动时，物块有沿半径背离圆心运动的趋势！

图4

图5

虽然物块的运动跟汽车的运动有很大不同，但是，采用易于研究、能反映事物本质特征的近似处理，将隐而未现的“趋势”间接“显示”出来，不仅可以有效突破难点，还让学生深刻体会、惊叹转换思维的巧妙之处！相信经历实验过程，转换思维将在学生心中播下种子，为日后研究看不见、摸不着、无法直接观测的事或物，提供了化无形为有形的解决问题思路。

三、科学推理论证，得到物理结果

有了正确的物理模型，即可运用相关物理规律和数学工具，通过定性或定量分析，进行科学推理、论证，得到物理结果。不同形式的运动，分析推理的步骤略有不同。对于圆周运动，可以按照以下步骤：画轨迹→定圆心→受力分析→用规律→得结论。以讨论汽车在水平弯道安全转弯的最大速度为例：

对汽车受力分析如图6 所示，可知F向心=f根据牛顿第二定律解得安全转弯f≤μmg汽车安全转弯的最大速度

图6

设计意图：培养学生以函数思维的眼光审视物理量之间的关系，在函数式中寻找变化趋势和规律，准确理解物理本质，提高科学推理论证能力。

四、解释实际问题，生成新的问题

利用所获得的物理结果解释实际问题，是从物理学视角看问题的具体表现，可以培养学生使用科学证据的意识和能力，运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测，［3］形成学以致用、知行合一的意识。

（一）解释实际问题，生成新问题

明白了汽车在水平路面安全转弯的最大速度受到动摩擦因数、转弯半径大小的制约后，生成新问题：可以采取什么措施，提高汽车安全转弯的最大速度？

为了帮助学生有方向地思考，展示两幅图片（如图7 所示），设置驱动问题：赛车道与公路在弯道处的路面有什么特点？为什么这样设计？

学生根据前置经验，顺利建构汽车在倾斜路面水平转弯的模型（如图8 所示），通过受力分析可知：倾斜的路面可以让支持力的分力提供向心力。顺势追问：汽车转弯时是否受到侧向的静摩擦力作用？若汽车以速度V 转弯时侧向的静摩擦力恰好为零，路面倾角应多大？若速度小于或略大于V，什么力提供向心力？

图7

图8

设计意图：利用物理结果解释实际问题，生成新问题；解决新问题，引发更深层次问题。学生在逐步深入解决问题过程，思维流程得以反复训练，解决问题的能力不断提高，对科学思维的感悟更加深刻。

（二）大胆质疑创新，生成新问题

分析核心问题3 可知，汽车以一定速度通过拱形桥最高点时，对桥面的压力小于自身重力；若增大速度，压力将减小。进一步讨论，若继续增大速度，会不会出现汽车对地面的压力为零？将发生什么现象？若把地球看作巨大的拱形桥（如图9 所示），桥面的半径就是地球的半径，试讨论汽车“飞离”地面的速度。

图9

［设计意图］循序渐进的问题将学习过程变成知识的“再发现”“再创造”的过程，不仅培养学生利用所获得的物理结论、基于论据顺着逻辑大胆质疑和预测的能力，还激发他们的好奇心、想象力，将所学的知识迁移到新情境，解决新问题，［4］获得新知识。

有的学生猜想更加大胆，提出：汽车有无可能做如图10 所示的运动？若可能，应满足什么条件？在教师出示过山车模型后，学生恍然大悟，顿时有了答案。利用对比实验：钢球无法通过轨道最高点［如图11（甲）所示］和顺利通过轨道最高点［如图11（乙）所示］，引发核心问题4：如果你是过山车的设计师，如何保证游客的安全？

［设计意图］出乎意料的创新想法让学生保持着学习的热情和探索的欲望，开放性问题留给他们更多思考的空间。学生作为知识建构的亲历者，再次经历真实问题解决的全过程，思维的严谨性、逻辑性将得以有效培养和提升。

图10

图11

正如德国生物化学家米歇尔（1988 年诺贝尔化学奖获得者）所说：“对我影响最大的是我的物理老师，她教会我如何思考问题，严谨、避免走弯路，使我的思想具有逻辑性。”这正是物理教育的目的。让学生眼中有光——用物理学的眼光看实际问题；心中有理——用科学的思维思考问题，促进学生核心概念、关键能力、核心素养的共同发展，获得幸福的终极能力是物理课堂永恒的追求。