借助“问题链”探究教学培养学生的科学思维

摘 要：知识可以传授，但思维只能启发、培养.如何培养学生的科学思维，是目前物理教学中的关注点.在万有引力定律建立的过程中，牛顿从看到“苹果落地”这一现象，经过一系列充满想象力的推理过程，将地球对月球的引力向天体和地面物体进行推广，提出万有引力定律，这一过程蕴含着丰富的史實、方法、思维素材，本文就是在此基础上，谈一谈如何用问题链的形式，引导学生重走科学之路，建构其推导过程，发展学生的科学思维.

关键词：问题链;万有引力定律;科学思维

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2021）23-0084-02

收稿日期：2021-05-15

作者简介：张磊（1978.2-），男，上海人，本科，从事中学物理教学研究.

高中物理的核心素养是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度构成.其中，基于问题的“质疑创新”的课堂教学，对于帮助学生形成以问题为载体、在解决问题的过程中培养学生科学思维能力，无疑起着重要作用.这也就需要教师在问题设计上多下功夫，提出富有具有启发性和挑战性的问题，引导学生由浅入深地进行思考、探究，从而提升学生的物理核心素养.以下我就自己在《万有引力定律》一节中的尝试进行总结与反思，恳请各位同行指正.

一、教材分析

本节课是沪科版基础性教材第十三章《宇宙》的第一节，与人教版教材不同，本节课由于没有牵涉到向心力的计算，因此在教学过程中应该避免这方面问题.另外，在沪科版教材中，有关万有引力与天体运动间的定量关系也是放入拓展性教材的，因此也不宜涉及.所以本节课设定在知识与技能层面的教学目标主要是在于万有引力定律的发现过程以及万有引力定律的内容及表述.也正因为如此，有时教师在进行本节课教学时会操之过急：既然现阶段无法与其最重要的应用——天体运动相联系，那就干脆在很快的引出万有引力定律后，将大部分时间放在对于公式的应用方面.实际上，万有引力定律的发现过程蕴含着富有创造而又严谨的科学思维，如能将“万有引力定律”从问题的提出、猜想、演绎、推理、结论的得出等这些内容生动的展现在学生面前，将是发展学生思维能力难得的好材料.

二、学情分析

从学生已有知识储备来讲，他们对这节课的内容最耳熟能详的就是关于牛顿的苹果落地的故事，但对科学家的事例、研究方法、牛顿发现万有引力定律的过程和科学思想的了解不够系统和准确.因而我在教学过程中，主要是立足于借助教学问题的设计，引导学生重走前辈科学家探究之路的基础上，着重于对学生科学思维的培养.

三、问题设计

考虑本节课的教学重点既不在于公式的推导与应用过程;也不在于实验探究或验证，所以我采用的是问题链探究式教学模式，在逐层深入的问题探究中破解概念建立的难点.借助这一方式，一方面可以调动学生的自主思维体验;另一方面帮助学生建构新的认知知识结构.

1.问题一——当我们在谈苹果落地时，我们在谈什么？

师：“当我们谈到万有引力定律的时候，大家首先会想到什么呢？”

生：“苹果落地”.

师（追问）：“大家有没有想过，为什么是牛顿而不是别人发现万有引力定律呢？”

这个问题一提出，教室里陷入了短暂的沉默.事实上，从牛顿的“苹果落地”到万有引力定律的发现，这是一个复杂的思维运动和科学研究的过程.看到苹果落地现象，只是一个起因，要得出最终结论关键在于能够从现象引出问题并进行推理.在地球上，物体受重力落到地面这样的一个事实，对大多数人来说只是一个常识.而对牛顿来讲，则构成了他思考万有引力问题的起点——这个故事的价值正是缘自于此.

2.问题二——如果苹果树长“高”了…… ？

师：“正常情况下苹果树一般也就几米高，我们不妨做个假设，如果这棵苹果树能长到100米，苹果脱离树枝后还会落地吗？”

生：“因为苹果受到地球重力的作用，所以还是会落地.”

师：“那咱们的胆子再大一点儿，假设这棵苹果树能长到1000米，苹果还会落地吗？”

生：“还是会的.”（1000米，离我们似乎太遥远，学生的回答有些犹豫，但答案还是肯定的，有些学生已经开始思考为什么我会这么问了）.

师：“那如果这棵苹果树要是长到和月亮一样高，苹果是否还会落地？”

生：“还是会的，只要在地球的引力场中，一定落地.”（这时，学生的回答反而又变的坚定了）.

在这一过程中，随着苹果树“越长越高”，答案似乎也变的有些飘忽不定，但通过对这一串问题的回答，学生发现只要抓住问题的本质——苹果受到地球重力的作用，那它就会落地.

本节课的第一个思维难点，就是引导学生思考，将“天上的力”与“地上的力”联系起来.通过前面问题的铺垫，到最后一个问题的提出，很自然的引导学生联想到其实月亮也会受到地球的引力，同时也引出了后续问题.

3.问题三——为什么月亮没落地呢？

师：“既然长到像月亮那么高的苹果树上的苹果还是受到地球的引力，那月亮是否也受到地球的引力呢？（受的）“那月亮为什么却没落地呢？”

是呀，为什么月亮没落地呢？学生自发的就开始讨论起来，通过对比分析，很快也有了结果——苹果和月亮都会受到地球的引力作用，苹果之所以落地，是因为苹果没有初速度;而月球之所以不落地，是因为月球有速度，它在绕地球转动.

按照教材安排，在之前《匀速圆周运动》一节中，仅仅是讲到物体做圆周运动的条件是需要向心力，并没有对此详细展开，也没有讲到向心力和线速度的关系，所以在思考这一问题时，学生一方面是通过对比苹果和月亮之间的显性区别（有无速度）;另一方面也联系了地理方面知识，在已有经验的基础上进行了合理的外推.

4.问题四——如何让苹果也不落地呢？

师：“那既然月亮可以不落地，如果我也不想让苹果落地，又该怎么办呢？”

生：“那就也给苹果一个初速度.”

讲到这里，我用几个小纸团替代苹果，在同一高度分别以不同的速度水平扔出.学生通过观察发现：给纸团的初速度越大，它在水平方向上通过的距离就越长.由此做出大胆的推测，如果给小纸团足够大的速度，它通过的水平距离也就会无限远，那就相当于在绕地球运动，就不会落地了.

而这一想法，正是当年牛顿对于牛顿炮弹的设想.他设想在地球上有一座和月球一样高的山，在山上架起一门大炮，能够任意发射各种速度的炮弹.

这样，牛顿见到的“竖直落地的苹果”就变成了“具有水平速度的炮弹”.当炮弹的速度较小时，炮弹做平抛运动;而随着速度增大，炮弹水平方向运动的距离就越来越远;当炮弹的速度达到一定的值时，炮弹就不再落到地面，而是围绕地球旋转.讲到这里，当学生发现自己的想法竟然和牛顿不谋而合，高兴之情，溢于言表.

本节课的第二个思维难点，是如何使月球的环绕运动与苹果的竖直落地运动相联系？借助“抛纸团”（牛顿炮）这一小实验做媒介，也很自然的建立了两者之间的联系.

5.问题五——天上的引力和地上的引力一样吗？

师：“地球对地球上的蘋果有引力的作用，那对地球上的其他物体是否也有引力呢？地球对遥远的月亮有引力的作用，那对其他天体也会有引力吗？如果我们的眼光再放远一些，地球也在绕着太阳转，它们之间也有引力吗？”

通过这些问题的提出，引导学生像牛顿一样思考，由此推导得出：所有有质量的物体之间都存在相互的引力.也正是在上述推理基础上，牛顿借助其非凡的天分，运用数学方法，总结出万有引力定律 ：自然界中任何两个物体都会相互吸引，引力的大小与物体的质量的乘积成正比，与它们之间距离的二次方成反比，即 F=G·M1M2R2.讲到这里，也可以不失时机的介绍在万有引力定律建立的过程中，开普勒、笛卡尔、伽利略、胡克等伟大科学家的观点，也让学生更深刻的体会到牛顿“我是站在巨人肩膀上”这句话的意味 .

四、教学反思

万有引力定律不是实验的直接结果，它是通过牛顿大胆的假设与严格的求证得出的，这也决定了本节课的教学模式是以理论规律探究为主.这种课型往往会流于沉闷或者变成教师的一言堂，而本节课的设计通过符合学生认知结构的的问题链设计，把看似零散的概念、规律渗透在问题探究的全过程，依托问题链探究激发出学生深层次的思维活动，以符合学生认知结构的问题解决策略不断强化学生的物理思维方法，从而衍生出完整的知识结构，促进学生科学思维的发展，收到了较好的效果.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018：3.

[2]上海科技教育出版社，上海世纪出版股份有限公司.普通高中课程标准实验教科书物理2[M].上海：上海科技教育出版社，2007：78-89.

[3]张适.核心素养导向的物理规律课教学设计与实践——以人教版《万有引力定律》教学为例[J].基础教育论坛，2020（06）：16-19.

[责任编辑：李 璟]