指向科学思维的高中物理教学设计——以“曲线运动”为例

陈运保 刘 青

(河南师范大学物理学院，河南 新乡 453007)

1 问题的提出

科学思维是物理学科核心素养的重要内容，科学思维的培养是科学教育的核心，[1]也是科学教育改革的难点问题.许多研究都指出，科学思维的教学要求教师注重给学生创设富有挑战性的任务情境，[2]因为好的情境和问题可以调动、启发学生思维，促进教学的有效性.[3]

不过，由于思维活动的类型多样性、过程内隐性等复杂特征，在教学实践中如何有效引导和展示学生的思维过程，帮助学生清晰地认识思维的历程、方法，从而有效培养学生的思维能力仍然是不易把握的.

为此，本文提出以物理情境为探究的载体，以思维类型明确化、思维过程显性化为手段有效培养学生科学思维能力的显性化教学策略.下面以高一物理“曲线运动”为例予以说明.

2 教材分析

高中物理课程标准(2017版)对“曲线运动”部分的要求是：通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件.[4]本文使用的教材选自人教版高中物理必修2第5章第1节，本教材的呈现方式是： ① 在第一节开始之前的序言中通过文字叙述多个曲线运动的案例介绍什么是曲线运动； ② 通过观察和演示实验以及数学中切线的概念说明曲线运动的速度方向； ③ 通过演示实验和案例分析介绍物体做曲线运动的条件.[5]

3 教学设计思路

学生此前只学习了直线运动，本节课是直线运动和曲线运动的转折点，为了使曲线运动更加贴合学生的思维水平并能够激励学生深度思维，本文在理解课标要求和教材编写思想的基础上做了优化设计，主要体现在以下几个方面.

(1) 优化情境创设.选择学生熟悉的真实生活实例“挡泥板的设计”作为主情境，结合其他生活实例和实验现象来创设丰富的物理情境作为学生探究学习的载体.

(2) 显性化思维过程.围绕挡泥板的设计问题，以合乎逻辑的问题链将教学内容自然而然串起来展开教学，引导学生逐步分析问题、解决问题、建构新知；在思维与探究的过程中，明确让学生经历对比分析、类比推理、猜想验证等具体思维活动过程，并明确总结讲解这些思维特点，实现思维教学的显性化，从而有效培养学生的思维能力.

图1 挡泥板的设计

(3) 明确把科学思维作为教学目标进行设计.本节课深入挖掘教学过程中蕴含的科学思维教学的价值，明确设定为教学目标、使其可以测量和评价，引领整个教学过程.

3.1 以生活情境作为探究载体

生活情境：下雨天，当自行车速度较快时，车轮上的泥水会被甩出去，飞溅到人身上(如图1所示).为了防止这种危险，很多自行车上加装了挡泥板.

学生熟悉而且有可能亲自经历过，但不知道如何分析这一生活问题，通过此情境易于引起学生对生活问题的关注和思考.

3.2 以问题链引导学生深度思维、把科学思维显性化

教学思路：以上述挡泥板问题作为主情境并贯穿始终.首先确定研究对象为泥水，进而根据泥水的运动过程，分解为两个阶段3个问题，引导学生进行观察、思维、探究，逐一引出问题、解答问题，经历深度思维的过程、建构知识体系.整体教学思路如图2所示.

图2 教学思路

3.3 明确设计科学思维的教学目标

学生经历对比分析、类比推理、猜想验证等过程解决情境问题，建构知识体系发展其科学思维能力.根据新课程标准中核心素养水平划分，[6]本节教学设计依据课程标准制定学生科学思维的教学目标如表1所示.

表1 科学思维教学目标

4 具体的教学过程

整个教学过程分为3个环节进行.

4.1 环节1：曲线运动的概念

情境问题1：粘在车轮上的泥水在做什么运动？能否用直线运动表示泥水的运动形式？

教学过程.

师：粘在自行车上的泥水绕着车轴轴心走过的轨迹是什么？

生：是圆.

师：圆是曲线还是直线？

生：曲线.

师：那么，如果从运动轨迹这个标准来把运动进行分类，可以分为哪两类呢？

生：直线运动和曲线运动.

师：粘在车轮上的泥水做的运动是什么情况？

生：曲线运动.

师：你还能举出哪些曲线运动的实例吗？

生：(学生可以根据生活经验列举各种各样的曲线运动实例，如汽车转弯、斜向上投出的篮球，等).

师：这些运动的共同特点是什么呢？

生：运动轨迹是曲线.

师：那么应该如何给曲线运动下定义呢？

生：运动轨迹为曲线的运动叫曲线运动.

教师小结：这里我们根据运动轨迹这个标准把运动分为两类，并且对多种曲线运动实例进行分析，寻找共性特征，建立了曲线运动的概念.这里体现了分类、归纳的思维方法.

设计意图： 科学推理是对科学理论进行归纳和演绎的过程，[7]在本教学过程中，学生对比直线运动来辨析理解曲线运动；通过多种生活案例对曲线运动的本质特点进行归纳，得出曲线运动的概念，经历建构物理概念的过程，发展其科学推理的思维能力.

4.2 环节2：曲线运动的速度

情境问题2：车子的速度快时，绕车轴做曲线运动的泥水在甩出去的瞬间是沿着什么方向的？即泥水甩出去时的速度方向是什么？

教学过程.

(1) 观察现象，形成猜想.

师：自行车速度快时泥水会被甩出去，泥水被甩出去时沿什么方向？请同学们带着这个问题去观看砂轮磨掉的炽热微粒、运动员手中的链球分别沿什么方向飞出去(教师播放视频).

学生观看视频并总结：微粒沿砂轮的切线方向飞出，链球离开手时沿切线方向飞出.

师：类比这两个质点的运动情况，可以推理得出泥水是沿车轮什么方向甩出去的？

生：沿车轮的切线方向.

师：总结以上物体的运动特点，同学们可以进一步作出一个怎样的假设？

生：做曲线运动时，质点在某一点的速度方向是沿曲线在该点的切线方向.

(2) 学生实验，验证猜想.

师：同学们归纳得出的假设究竟对不对呢？请同学们通过实验验证.(教师向同学们介绍自制实验器材：闭合开关后，小马达带动圆盘旋转，将墨水滴在旋转的圆盘上，观察墨水甩出来的方向)

生：学生分组实验观察墨水滴在旋转圆盘上的实验现象(如图3所示，可以明显看到墨迹是沿着切线方向飞出的)，验证曲线运动的速度方向.

图3 曲线运动速度方向实验

(3)师生理论分析.

师：实验结论可以通过我们已有的理论知识去解释.首先请大家思考，图4中的OB(实线)是曲线的什么线？

生：割线.

师：大家回忆我们之前所学过的内容，想一想O点的瞬时速度可不可以用此时OB之间的平均速度来表示呢？

图4 OB无限接近时的平均速度代表O点的瞬时速度

生：可以，但是此时的误差特别大.

师：非常好，如何使误差变小呢？

生：将B点向O点移动(伴有PPT动画演示，如图4所示).

师：非常好，当B点与O点无限接近时，大家会发现，OB的平均速度与O点的瞬时速度有什么关系？

生：O点的瞬时速度可以用OB的平均速度表示了.

师：那么，OB的平均速度方向就可以表示O点的瞬时速度方向了.而此时的OB变成了O点的什么线？

生：切线.

师：也就是说，O点的瞬时速度方向是沿着什么方向呢？

生：O点的切线方向.

(4) 交流讨论，设计挡泥板.

师：泥水是沿车轮的切线方向甩出去的(如图5所示)，那么，请大家讨论以下问题：① 车轮上什么位置的泥水可能溅到人身上？② 在车轮的什么位置加上挡泥板去防止这种现象？

设计意图：通过速度的方向，引导学生思考全面保护人的后背、人的裤腿等各位置，去设计挡泥板.

图5 泥水甩出时的速度方向以及受重力方向

生：小组讨论、画图说明自己的设计并说明理由.

最后教师展示学生们的讨论结果，即实际的自行车挡泥板结构，如图6所示.

图6 自行车的挡泥板设计

(5) 教师小结.

这里我们通过对物理现象的观察，抓住其中的关键特点，形成速度方向的猜想，然后通过实验验证、理论分析，有理有据地验证了我们的猜想，理解了曲线运动的速度特点.在科学研究和生活中，我们应该根据一些线索形成自己的见解，寻找证据论证自己的见解，这体现了科学推理和科学论证的过程.

设计意图.

科学论证是依据科学观点提出自己的主张，并指出证据、理由来支持自己的主张的过程，主要包括主张、证据、理由等要素.[8]本教学过程中，教师将案例和情境相结合，带领学生经历问题—假设—证据—阐释—交流的科学探究过程.学生经历对案例的分析，进行类比归纳、抽象概括进而提出猜想的过程，发展其科学推理的能力；设置学生实验，学生通过实验证据验证其假设，并通过理论知识对证据进行支持，发展其科学论证的能力；学生利用所学知识解决情境问题，解释生活现象，使其形成将情境与知识相关联的意识和能力.

4.3 环节3：物体做曲线运动的条件

情境问题3：甩出去的泥水做什么运动？为什么？

教学过程.

(1) 教师问题引领，学生形成猜想.

师：忽略空气阻力，泥水甩出去后，受到什么力？

生：只受重力(学生画图，如图5所示，标出重力G的方向).

师：请同学们仔细观察在车轮不同位置甩出去的泥水的速度方向与合外力方向有何关系？根据牛顿第二定律，其加速度方向和速度方向有何关系？泥水将做什么运动？

师：例如图5中的B点和F点的泥水将会如何运动呢？它们的运动轨迹如何？

生：B点和F点的加速度方向和速度方向在同一条直线上，物体将做直线运动.

生：(学生结合生活经验可以回答)B点的泥水将向下运动；F点的泥水先向上运动再下落.它们的运动轨迹都会是直线.

师：如果二者方向不在同一直线上，物体会做什么运动呢？例如图5中的H、O、A点.

生：曲线运动(此时学生会对比直线运动提出猜想，但无证据，后续教师安排学生通过模拟模型去实验验证此猜想).

(2) 学生实验验证猜想.

师：下面请同学们利用桌面上的小球和磁铁去模拟不同位置泥水的运动和受力情况，进行实验观察.

生：学生观察现象，建构模拟式物理模型，如表2所示.

表2 曲线运动的条件学生实验

师：通过实验结果的对比分析我们得到，速度与合外力的方向在同一条直线上时，物体做什么运动？

生：直线运动.

师：那么当合外力方向与速度方向不在同一条直线上时，小球会改变速度方向，偏向什么方向？

生：合外力的方向.

师：做什么运动？

生：曲线运动.

师：非常好，相信大家能够总结出车轮不同位置甩出的泥水分别做什么运动了，其实这也是我们生活中熟悉的各种不同的抛体运动，是我们后续会学习到的内容.

(3) 应用知识解决问题.

师：既然车轮上泥水的速度方向都是沿着切向方向的，为什么车子速度小时，泥水会绕着车轮做曲线运动呢？

生：车子速度小时，泥水粘在车轮上的力可以迫使泥水改变沿切线的速度方向而随车轮做曲线运动.

(4) 教师小结.

这里我们学习了物体做曲线运动的条件，然后运用这个物理知识分析车轮上的泥水为什么能够做曲线运动、泥水被甩出去之后为什么做曲线运动.在这个研究的过程中，我们经历了对现象的观察、提出猜想、实验操作、分析数据和推理、得出结论，回答了我们的疑问、验证了我们的猜想、论证了我们的结论，可以看出这是一个严密的思维和探究过程，希望大家能够养成这样的思维习惯.

设计意图： 此环节学生经历了“情境化—去情境化—再情境化”的完整过程，使其科学思维能力得到发展.[9]学生通过分析“情境化”问题，对比物体做直线运动的条件这一知识，同中求变提出猜想的过程，发展其科学推理的能力；建构模型是一种重要的科学思维方法，模型分为模拟式物理模型和理想化物理模型，[10]学生经历“去情境化”思考，建构模拟式物理模型的过程，利用模拟式物理模型进行实验验证，概括抽象得出结论，体会抓住事物的本质去模拟探究问题的过程，进而发展其构建模型的能力；学生思考泥水在不同位置甩出后做的运动形式不同，对不同位置甩出的泥水做相同的运动形式提出质疑，并经历“再情境化”，将实验验证的结论回归情境去解释未被甩出去的泥水的过程，发展其质疑创新的能力.

5 结语

情境和问题的有效性，是保证教学质量和激发学生思维的重要因素.[11]在物理教学中，我们应创设有趣、有用、有挑战性的问题情境，吸引学生的关注、激发学生的思维，发挥学生学习的主动性、社会性和情境性，践行“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念；同时，我们还可以通过思维类型明确化、思维过程显性化的手段引导学生经历深度思维的历程，从而学会思维，有效培养学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维能力.