基于对教材质疑的视角开展高中物理深度教学

马朱林

（江苏省苏州实验中学，江苏 苏州 215011）

新课改以来，学界众多专家发出了“为思维而教”的呼吁，认为要使思维能力培养真正成为教育教学的核心目标和最终追求.批判性思维的培养和质疑能力的提升是一切思维习惯和思维能力培养的前提和基础.明代哲学家陈献章说过：“前辈谓学贵有疑，小疑则小进，大疑则大进.”质疑是培养创新思维的突破口，物理核心素养的形成也必须建立在质疑之上.然而，在实际教学中发现“唯书唯上”却成为不少学生的学习习惯，缺乏思考的盲从削弱了学生自主质疑和思辨的能力，从而对学习新知的兴趣渐淡，更无从谈起主动探究和深度学习.

高中物理教材是实施课程教学的重要载体，有着很好的科学性、严密性、系统性.和初中物理相比，高中物理的概念较为抽象，规律的逻辑性较强，一些生产、生活现象的物理解释与实际的生活体验差距较大，再受到认知水平的局限，学生对教材中呈现的物理概念和规律的阐述质疑.教材中提供的无论是演示实验还是学生实验在方案设计、器材选择、可操作性等方面还有更优化更创新的方案.这些内容可以成为学生批判性研究教材、开展深度学习的重要资源.

1 通过对研究逻辑的质疑，建立严谨的科学方法观

物理学不仅是一门揭示和研究物质结构和运动规律的学科，其在发展过程中所积累、总结出的科学方法对推动科学的发展起了积极的作用，尤其是研究方法的逻辑性.伽利略是物理科学研究方法论的创始者，其创建的研究方法对经典物理学发展起到巨大作用并一直沿用至今.经典物理学研究方法的基本逻辑如图1所示.

图1

高中物理知识基本上属于经典物理学范畴.按照《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中提出的学科核心素养的要求，学生在高中物理学习中除了形成“物理观念”外，更重要的是掌握准确的“科学方法”，并能运用科学方法研究物理学和其他领域的问题.在物理课堂教学中，除了引导学生运用正确的科学方法来探究物理原理、定律外，更要引导学生对教材所呈现的研究逻辑的合理性进行质疑与思考，建立合理的研究逻辑，形成严谨的科学方法观.

人教社2019年版教材中“力的合成与分解”一节在编排上和前一版有所不同.老版教材中主要是从“实验验证”的视角得到平行四边形定则，而2019年版的编写意图是通过实验对平行四边形定则形成“猜想”，再进一步通过实验对猜想进行探究，进而“验证猜想”，即“实验观察—提出猜想—理论探究—实验验证—修正推广”.这是符合科学研究的一般逻辑.如图2所示，教材通过两个互成角度的力F1、F2拉橡皮条和一个单独的力F拉橡皮条，两次实验中橡皮条长度和方向相同，再用力的图示法构造出F1、F2和F之关系，如图2（丁）所示，进而让学生猜想F1、F2合成为F所遵循的规则.学生通过F1、F2和F所构造出的图形很容易就可以猜想到平行四边形，但是这只是猜想，按照科学研究的逻辑，猜想过后需要通过理论和实验对猜想进行验证.教材中用了一句“通过多次的实验探究我们会发现，……”对“实验检验”这一环节简述之.编者简述是由于“实验检验”和“实验猜想”方案几乎相同，无须赘述.然而，这会让学生对教材所呈现的科学研究的逻辑性质疑.这样的质疑恰恰是开展深度学习最好的资源.

图2 探究二力合成规律实验示意图

教学片段：

师：同学们，刚才通过实验，大家对将两个分力F1、F2合成为一个力F的“运算”规则提出了猜想，即平行四边形定则.但是，这只是通过这一个实验提出的猜想，并没有得到验证，不一定具有普适性，所以，需要通过理论和实验的验证才能说明猜想的正确性.当然，教材中有一句话“通过多次的实验探究我们会发现，……”对猜想作了肯定.

生1：一句话太敷衍了.

师：平行四边形定则作为另一种运算规则在没有得到确切验证时，我们难以欣然接纳.既然教材中的一句话难以说服你们，就请你们拿出验证的方法说服自己.

（学生讨论）

生2：我可以继续从实验的角度验证平行四边形定则的正确性.

生2：实验的整个操作过程和刚才基本一样，只是在数据处理上不同.

（生2走上讲台，在黑板上板演，如图3所示）

图3

生2：以F1、F2为邻边作平行四边形，作该四边形的对角线，记作F′，按照比例标度量出F′的大小，F′就是F1、F2的合力，也就是这个实验的计算值.将F′与真实值F作比较，我们看到计算值F′和真实值F的大小近似相等，方向近似一致.这就验证了平行四边形定则的正确性.

师：很好.但是，这两个实验有什么区别？

生3：第一个实验是根据实验提出猜想，第二个实验是对猜想的验证，两个实验看似相似，但是处理方法不同，研究逻辑也不一样.

生4：老师，我还可以从理论上证明平行四边形定则的正确性.

（学生议论纷纷）

生4：力和位移有相同的特点，既有大小又有方向，所以在运算规则上也应该是相同的.在学习位移时，当物体从A运动到B再到C，这两段运动的总位移就是从A到C，位移AB＋位移BC＝位移AC，它们之间是三角形关系（如图4所示），将位移BC平移至AD并连接BC、DC，则组成平行四边形.也就是说对位移AB和位移BC运用平行四边形定则进行合成，即可得到位移AC（如图5所示）.

图4

图5

2 通过对演示实验的质疑，提升实验创新的能力

实验是物理学的灵魂.通过实验能够引发认知冲突、提振探究欲望和提升实验能力，所以，实验教学是高中物理课堂的核心.教材中呈现的演示实验虽然在设计原理的科学性、教学功能的启发性、实验现象的趣味性等方面做了精心的设计，然而，随着技术的发展，有些实验在设计、器材、操作、数据收集等方面有着更优化更创新的方案.笔者以此为契机，在不作任何指导的情况下先让学生按照教材上的要求做实验，让学生在实验操作的过程中去发现问题与困难，进而质疑.疑则思，思则变.笔者再顺势引导学生对实验方案、操作难度、数据稳定进行优化，同时，还要鼓励学生自主创新，研究设计不同于教材的实验方案，自制实验仪器进行实验，从而实现真正意义上的科学探究和深度学习.

教学片段：

师：请同学们按照教材中提供的实验方案进行实验.

（学生按照图6所示开展分组实验，虽经多次实验，但是效果不理想）

图6

生1：老师，教材中提供的实验方案有问题.

（大多数学生对生1的质疑很惊讶，但有部分学生点头赞同）

师：有什么问题？

生1：我用手拉弹簧秤，难以保证木块做匀速运动，弹簧秤的示数一直在发生变化.

（大部分学生点头同意生1的回答）

师：很好.那有什么改进方法吗？

（学生讨论）

生2：我有一个方案.实验时不用手拉弹簧秤，我用一个小型电动机，用一根细线一端固定在弹簧秤上，一端固定在电动机的转轴上，电动机匀速转动时牵引木块做匀速运动，弹簧秤读数应该可以稳定.

生3：我觉得生2的方案也有问题.由于弹簧秤有重力，所以弹簧秤和细线肯定不在同一个方向，这样测量误差太大.

师：生2解决了木块匀速运动的问题，那你有什么更好的测量手段？

生3：用力传感器.将力传感器固定在木块上，细线的一端固定在传感器上，可以从传感器上直接读出拉力大小.

（全体学生鼓掌！）

师：方案很完美！希望同学们课后去做一做这个实验.

师：可是，很遗憾，我现在能提供的实验仪器只有木块、木板、弹簧秤、砝码，大家再讨论讨论有没有什么好办法.

（学生讨论）

生4：可以做.让木块静止不动，拉动木板.根据滑动摩擦力的定义可知，只要木块和木板之间发生相对滑动，木块就受到滑动摩擦力.根据二力平衡原理，弹簧秤的拉力大小与滑动摩擦力大小相等，这样弹簧秤示数就是滑动摩擦力大小.

3 通过对概念表述的质疑，强化对物理观念的理解

只有加强对物理概念的理解才能建构科学的、系统的物理观念.物理观念的形成是培养学科核心素养的基石.考虑到不同学段学生的认知水平和能力要求，编者在编写教材时对有些物理概念的表述会限定在某个学段的知识范围内，如初高中教材中对速度的定义就不一样.初中教材中定义的速度实际上是平均速率，因为矢量观的建立对初中生是不作要求的.由于前后表述的差别较大，这会让学生对现有概念与前概念产生认知冲突，从而对教材的表述质疑.有质疑才会有深入的探究，有深入探究就会有学习拓展.在教学时，抓住学生的认知冲突，积极引导学生通过主动查阅文献、请教教师、同伴讨论等方式开展深度学习，进而建构科学、准确的物理观念，强化对观念的深刻理解.

人教社2019年版教材必修1第3章第4节“力的合成与分解”中对矢量和标量的定义为：既有大小又有方向，相加时遵从平行四边形定则的物理量叫作矢量.只有大小，没有方向，相加时遵从算术法则的物理量叫作标量.除了力和位移以外，速度、加速度都是矢量.在我们学过的物理量中，质量、路程、功、电流等都是标量.

在对矢量和标量的定义进行学习时，学生对教材文本的定义是没有异议的，学生对标量的运算定则和特征有了较为深刻的理解.然而，学生对教材中将“电流”定义为标量会质疑.在初中物理学习中，电流被定义为既有大小又有方向的物理量，高中教材也从微观的角度对电流方向作了规定，即正电荷定向移动的方向为电流方向.当学生带着困惑向笔者请教时，笔者没有向学生作出任何解释，而是引导学生自主查阅相关文献资料，如查阅论文、普通物理教材等并展开讨论学习.学生通过自主查阅、研究讨论，不仅对矢量和标量的定义、特征、应用等有了更深刻的理解，还拓展性地学习了其他物理知识和方法，领悟到物理学的深度与广度，激发了学生探知物理学奥秘的欲望.同时，让学生深刻体会到通过教师教来获得知识是阶段性的，只是众多获取知识的途径之一，自主学习才是主要的、终身的也是最有效的学习方式.授人以鱼不如授人以渔；授人以渔，不如授人以欲.

4 通过对解法多样的质疑，培养发散性思维

物理的学习除了对物理观念的形成需要深刻理解外，还要学会运用相关的物理观念和方法解决问题，以达到“学以致用”的育人目标.教材中对应用的呈现方式主要是例题和习题，但是解法比较单一，鲜见一题多解.在教学过程中，可以引导学生对教材中的解法进行质疑，除了对解答的合理性的质疑，更重要的是对解法数量的质疑，引导学生从多角度、多路径去思考解决策略与方法.由于教材中的例题和习题对学生能力的要求比较基础，为了让深度学习能真正发生，在教学过程中还可以引导学生在原有基础上对例题和习题进行改编，形成新的问题并鼓励学生“一题多解”.在改题中培养学生的思维的严谨度和全面性，在“一题多解”中促进学生发散性思维的培养，提升学生深度思考的能力.

以人教社2019年版必修2第5章第2节“运动的合成与分解”练习与应用中习题5为例.

例题.汽艇以18 km／h的速度沿垂直于河岸的方向匀速向对岸行驶，河宽500 m.设想河水不流动，汽艇驶到对岸需要多长时间？如果河水流速是3.6 km／h，汽艇驶到对岸需要多长时间？汽艇在对岸何处靠岸？

教学片段：

生1：老师，我觉得不应该只有一种方法，应该还有其他方法.

师：你说说.

生1：由于垂直河岸方向和平行河岸方向都是匀速直线运动，所以合运动也是匀速直线运动.我们可以通过几何关系找到汽艇的实际位移和实际航行速度就可以得到时间，这是用了合成的观念.

生2：还可以通过几何关系找到沿河岸方向的分位移，用沿河岸方向的分位移除以河水流速得到运动时间，这用了分解的观念.

师：很好，有3种方法两种观念解决渡河问题.那请同学们思考一下，你能否根据题中的条件重新设置情境，求解其他物理问题？

（学生讨论）

生3：条件不变，求汽艇渡河的最短位移以及汽艇船身与河岸之间的夹角.

师：请同学们都记下生3重新提出的问题.

生4：条件不变，汽艇船身与河岸上游之间夹角为30°，求汽艇的实际航行速度以及到达对岸的位置.

师：很好.下面我们一起先来讨论生3提出的问题.同学们先思考一下，解决这个问题可以从哪几个角度去分析？

生5：最短位移已定，就是河宽.分析汽艇船身与河岸之间的夹角依然可以从两个角度去分析，也就是从合成的角度和分解的角度，所以有两种方法.设静水中的速度v，水流流速u，汽艇实际航行速度为V，合成法如图7（a）所示，分解法如图7（b）所示.

图7

（生5边讲边画）

师：好！下面请同学们用两种方法处理.

……

5 结语

新课程理念的落脚点在课堂教学，课堂教学的关键点在师生、生生思维的碰撞与观念的创生，而思维的碰撞与观念的创生的源泉在于质疑.对教材的质疑并非狭义的“怀疑教材、否定教材”，而是对教材中原有观点多角度、多维度、多层面进行再思考，让学生思维发散，深入思考，提高品质.学生通过质疑来产生新的问题进而实现知识与方法的拓展延伸，达到“点—线—面”的效果，让学习产生“链式反应”.深度思维与广度知识的有机融合，让深度学习真正发生.通过对教材的质疑来培养学生追求真理的科学态度和对真理孜孜以求的科学精神，不唯书、不唯上、只唯实.所以，引导学生合理质疑是践行新课程理念，培养学生物理核心素养的有效途径之一.