有效应用情境教学法提升学生的科学思维

卢艳修　彭朝阳

【摘 要】“思维起于直接经验的情境。”在实际教学中，创设情境是培养学生科学思维的有效途径。本文以“圆周运动”的教学为例，以培养学生的科学思维为目标设计教学任务，有效应用情境教学法，通过创设相应的情境完成教学任务，从而提升学生的核心素养。

【关键词】情景教学法;教学任务;科学思维;圆周运动

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）28-0244-04

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《标准》）指出：在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设;应用情境教学法，对培养学生的物理学科核心素养具有重要作用;情境有助于学生理解物理概念、探究物理规律，有助于学生解决具体问题[1]。因此，在教学中应用情境教学法是培养学生学科核心素养的重要方法之一。

1   情境教学法、科学思维概述

苏联著名教育家、心理学家赞可夫曾说：“教学法一旦触及学生的情绪和意志领域，触及学生的精神需要，这种教学法就能发挥高度有效的作用。”[2]所谓情境教学法，是指在教学中，教师有目的地引入或创设具有一定情绪色彩，以形象为主体的生动、具体的场景，以引发学生的热情体验，帮助学生理解教学内容，并很好地发展学生的科学思维，其核心在于激发学生的情感[3]。

基于文献资料的查阅，情境教学的设计形式中最常见的有：生活情境、媒体情境、活动情境、实验情境、问题情境、故事情境、人文情境等[4-5]。有效的创设情境，是情境教学中最为重要的问题。但在以往的教学中，情境教学法的使用具有明显的缺点，如下面这个实际案例：有位教师在“力的分解”的教学中，先选用巧移大橱的生活情境导入新课，但在随后的教学中，教师按部就班地讲解了相关知识点，学生默默地听讲和记笔记……[6]。该案例中存在的缺点：①新课导入后的教学弃情境而不顾;②“巧移大橱”情境倾向考查学生对“力的分解”的运用，更适合用在巩固教学中;③该情境的创设没有精确依据教学任务，脱离了培养目标。这些均导致情境与课堂教学相分离，没有达到情境教学法的预期效果。因此，结合《标准》中的实施建议，情境教学法的使用应遵循以下原则：①情境的创设应依据教学任务;②情境的创设要贯穿整个课堂教学。

科学思维是核心素养的核心，是一个抽象概念，科学思维的培养通常是一个隐性过程，因此科学思维是培养学生学科核心素养的重点和难点。杜威曾提出：“思维起于直接经验的情境。”由此，情境教学法是培养学生科学思维的有效方法。教师应根据教学内容，以科学思维的培养为目标设计教学任务，创设相应的情境，完成教学任务，从而培养学生的科学思维。

2   教学任务的设计

在传统的物理概念教学中，经常有这种情况：教师在长篇大论的叙述概念的定义，从文字到文字，从抽象到抽象，不仅使学生丧失了好奇心和求知欲，而且增加了学生对物理概念理解的难度。而情境的创设有利于概念教学，创设情境可以使学生获得丰富的感性认识，从感性到理性，从形象到抽象，更利于学生对物理概念的内化，能帮助学生突破重难点，同时培养学生的科学思维。

“圆周运动”是一节比较典型的物理概念教学课。《标准》对“圆周运动”的要求是：会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动。“圆周运动”的教学重点是对描述匀速圆周运动快慢的物理量的理解，难点是推导线速度、角速度的关系。本文以“圆周运动”为例，结合《标准》中物理学科核心素养的水平划分，根据各教学环节的教学任务设计了科学思维要素的教学任务，如表1。

3   教学过程

3.1  环节一：导入圆周运动

教学任务：知道圆周运动，列举生活中常见的圆周运动。

生活情境：通過生活中学生最常见的交通工具自行车引入圆周运动，把自行车的后轮架起，转动脚踏板。

问题：①请同学们观察大、小齿轮和前、后轮的运动轨迹有什么共同的特点。②列举生活中圆周运动的实例。

设计意图：通过生活情境导入新课，激发学生好奇心和求知欲，激发学生内在的学习动机，同时使学生获得对圆周运动的感性认识，这有利于学生对圆周运动概念的理解和内化。学生通过归纳共性，锻炼抽象、分析、综合的思维能力;通过列举实例，启发建模思想。

3.2  环节二：描述圆周运动的物理量

3.2.1  圆周运动的物理量

教学任务：引入描述圆周运动的物理量。

活动情境：在自行车的大小齿轮边缘的最高点和后轮边缘的最高点做标记，如图1，将自行车后轮架起，转动脚踏板。

问题：①哪个标记点的运动更快一些？②同学们能说出判断运动快慢的依据吗？

学生观察到：相同时间内，小齿轮上的标记点比后轮上的标记点运动的弧长小，大齿轮上的标记点比小齿轮上的标记点转动的角度小，如图2。绝大多数的学生都会想到，可以用相同时间内质点运动的弧长和转动的角度来描述圆周运动的快慢。

设计意图：真实情境具有直观性、生动性的特点，易于学生观察。教师引导学生分析观察到的现象，得到相同时间内转动的弧长和角度可用来描述圆周运动的快慢，培养学生的科学推理能力，同时也培养学生科学论证的意识，学生能使用简单和直接的证据表达自己的观点[7]。

3.2.2  线速度的概念、圆周运动的瞬时速度

教学任务：①应用比值定义法得出线速度的概念。②应用极限法分析推理圆周运动的瞬时速度。

问题情境：①（播放视频）一条平直的高速公路上有两辆行驶的汽车，我们怎么描述这两辆车运动的快慢呢？又是怎么定义的呢？②能否用同样的方法定义圆周运动的线速度？（可以同时演示自行车转动后轮的情境，或者展示挂钟）③（播放光电门测瞬时速度的视频）小车在导轨上运动，怎样测小车的瞬时速度？能否用同样的方法推导圆周运动瞬时速度？

设计意图：通过问题情境，应用问题链的形式引出比值定义法和极限法。比值定义法和极限法均是学科方法，是包含抽象、分析、综合的思维方法，也是科学思维显性化的具体方法，以问题链的形式创设情境旨在深化学生的科学思维。物理学中类似比值定义法、极限法的学科方法还有控制变量方法、理想实验方法等。《标准》对这些方法都提出了具体要求，在教学中，教师应多采取这些学科方法，以有效提升学生的学科核心素养。

3.2.3  角速度的定义式、概念和单位

教学任务：①类比线速度的定义推导出角速度的定义式及概念。②运用数学知识推导角速度的单位。

问题情境①：转动自行车脚踏板，观察大、小齿轮上的标记点转动的角度，类比线速度的定义方法，思考如何定义角速度的大小？

学生通过对大、小齿轮上标记点的运动，知道并理解根据相同时间内，质点转动的角度大小可以用来比较角速度的大小。再类比线速度的定义方法，得出角速度的定义。

设计意图：通过问题情境，学生先理解角速度的物理意义，再推导出角速度的定义式，这个思维过程与学生根据定义式来理解物理量的物理意义相比更有利于学生对角速度的理解和内化。类比思维是一种具有扩展思维、激发思维深化的直观思维形式，通过类比推理显性化思维过程，提升学生的科学推理能力。

问题情境②：观察秒针的运动，秒针转动的角度与其对应的弧长有什么关系？我们能否用弧长表示角度的大小呢？

学生推导出角度的另一单位是弧度（强调是国际单位），根据角速度的定义式得到角速度的单位是弧度每秒。

设计意图：通过创设问题情境，创设科学论证的情境，增强学生的科学论证意识。

3.2.4  匀速圆周运动的快慢及相关物理量的关系

教学任务：①理解周期和转速也可用来描述匀速圆周运动的快慢。②理解周期、转速与角速度的关系。

故事情境：从前，鸟先生家里有一个已经用了很久的钟表。有一天，秒针伙同分针一起找到时针，对他说：“时针兄弟啊，你的工作好清闲啊，每天只需要慢悠悠地转两圈就好了，而我俩每天要转上千圈、上万圈呢！我们能不能互调一下，让我们也享受一下。”

问题：在这个故事里，秒针、分针兄弟俩是如何描述他们工作的快慢呢？

绝大多数学生有两个答案。第一个答案是：时针转一圈的时间比分针、秒针的多。第二个答案是：一天内，时针转的圈数比分针、秒针转的圈数少。学生的两个答案都是正确的，因为第一个答案是从周期的角度解答的，第二个答案是从转速的角度解答的。

设计意图：通过创设故事情境，同时引入周期和转速的概念以及周期和转速的关系。引导学生对于同一故事情境从不同角度解答，锻炼学生从不同角度思考物理问题的能力，进而培养学生的创新意识。

3.2.5  圆周运动

教学任务：知道圆周运动。

生活情境：展示挂钟。

问题：挂钟中时针、分针、秒针的运动都是匀速圆周运动，这种说法对吗？

猜想：绝大多数学生说不对。

论证：指针做圆周运动，速度方向时刻在变，因为速度是矢量，既有大小又有方向，线速度时刻在变，因此，指针的运动不是匀速圆周运动。

由于不知匀速圆周运动的概念，学生的结论错误，但科学论证的方法和过程均正确。教师应先对学生的分析论证进行表扬鼓励，然后引出匀速圆周运动的概念，这里的“匀速”是指速率不变。

设计意图：通过创设生活情境，以纠错的形式，学生能够很好地理解“匀速直线运动”和“匀速圆周运动”中“匀速”的差异，加深对匀速圆周运动的理解;引导学生在判断指针的运动是否为圆周运动时，无意识地经历科学论证的过程，在潜移默化中增强科学论證的意识。

3.3  环节三：线速度与角速度的关系

教学任务：探究线速度和角速度的关系。

生活情境：观察自行车大、小齿轮随链条的运动（若自行车观察不方便，可以播放大、小齿轮随链条运动的视频），思考齿轮边缘一点的线速度和角速度之间可能存在的关系。

猜想：半径相等时，线速度越大，角速度就越大;线速度相等时，半径越小，角速度越大;角速度相等时，半径越大，线速度越大。

论证：对于大齿轮，边缘上的质点的线速度越大，相等时间内转过的角度越大;对于大、小齿轮边缘上的质点，线速度大小相等，相同时间内小齿轮边缘上的质点转动的角度大于大齿轮边缘上质点转动的角度;对于小齿轮和后轮，角速度相等，相同时间内小齿轮边缘上的质点运动的弧长小于后轮边缘上质点运动的弧长。

实证：运用数学知识，推导得出：v=wr。

设计意图：通过生活情境，引导学生探究线速度和角速度的关系，可以减轻学生对新知识的陌生感，在熟悉的情境中加速知识的理解。同时，巧用生活情境使学生经历完整的科学论证过程，培养学生的科学论证能力，进而提升学生的科学思维。

3.4  环节四：运用生活情境化试题，提升学生科学思维

教学任务：在新的情境中解决实际问题。

问题①：汽车后背箱一般都配有可伸缩的液压杆，如图3（a）所示，其示意图如图3（b）所示，可伸缩液压杆上端固定于后盖上A点，下端固定于箱内O′点，B也为后盖上一点，后盖可绕O点的固定铰链转动，在合上后备箱盖的过程中（   ）。

A.A点相对O′点做圆周运动

B.A点与B点任意时刻相对于O点转动的线速度大小相等

C.A点与B点任意时刻相对于O点转动的角速度大小相等

设计意图：此类联系生活实际的情境化试题可以很好地考查学生综合运用物理知识解决实际问题的能力。学生需要对生活情境进行加工，抽象为物理模型，再依据所学知识和思维方法进行综合地分析推理，从而培养模型建构能力和科学推理思维。

问题②：如何设计一个更省力、方便的变速自行车？

设计意图：学生通过生活情境化试题的解答，真实地体会到物理知识在生活中的运用，这可以缩短学生对物理学科的距离感，同时激发学生在学习过程中产生自豪感和成就感。通过开放性试题扩展学生的思维，培养学生的创造能力。

科学思维是核心素养的核心，科学思维的培养是为了培养学生的创造力，只有创新才能解决新的问题，科学才能不断发展。在教学中，情境教学法既是培养学生科学思维的有效途径，也是学生创新思维得到启迪和提升的源泉，教师应重视运用情境教学法，使学生真正体会到物理学于生活、用于生活。

【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（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2][苏]赞可夫著.杜殿坤等，译.教学与发展[M].北京：人民教育出版社，1985.

[3]邱风英.情境教学法的含义及种类[J].知识窗（教师版），

2015（10）.

[4]钭方健.高中物理学科核心素养视域下课堂情境教学[J].物理教学，2019（2）.

[5]杨芳.巧妙创设物理情境，营造美妙物理课堂[J].物理教师，2013（10）.

[6]陈汉军.浅析高中物理情境教学的有效性[J].物理教学，

2010（2）.

[7]卞志荣，焦建生.巧用生活情境原始问题 培养学生科学论证能力[J].物理教师，2020（7）.

【作者简介】

卢艳修（1995～），女，安徽宿州人，云南师范大学物理与电子信息学院2020级硕士研究生。研究方向：物理学科教学。

【通讯作者】

彭朝阳（1971～），男，江西安福人，云南师范大学物理与电子信息学院教授，研究生导师。研究方向：物理课程教学论和天体物理。