科学思维视角下的物理情境化教学策略*

彭宪流

(英德市教师发展中心 广东 清远 513000)

余耿华

(广东省教育研究院 广东 广州 510035)

李池华

(英德市第一中学 广东 清远 513000)

陈信余

(广州市教育研究院 广东 广州 510030)

许桂清

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510631)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》教学建议的第二条指出:在教学设计和教学实施中要重视情境的创设;创设情境进行教学,对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用[1].《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》提出要积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学.课堂是落实学科核心素养的主阵地,而发展学生的科学思维能力是重要的教学目标.

科学思维是指基于事实和证据,本着严谨务实的态度,运用归纳概括、演绎推理、模型建构、批判思维和创造思维等方法认识世界,解决物理问题的思维习惯与能力[2].主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素,物理学习中的科学思维包括分析、综合、抽象、概括、判断、演绎、归纳、类比、推理等.培养学生的科学思维能力是物理课堂教学设计的核心目标,无论是情境的创设、实验的展示,还是探究的构思,都离不开提升学生科学思维能力这根主轴[2].科学思维的教学应优化教学方式和学习方法,给学生创设富有挑战性的教学情境和问题,引导学生经历物理概念的建构过程和物理规律的形成过程,激发学生的积极思维,优化学生的思维方式方法,循序渐进地培养学生的科学思维能力.

本文提出以物理情境为探究载体,以情境问题为任务驱动,显化思维过程发展学生科学思维能力的情境化教学策略.

1 展现生活情境 建构物理模型

建构模型是科学研究的核心活动,是一种重要的科学思维方式,与科学知识的建立有密不可分的关系.高中阶段的模型建构思维表现在能够分析模型所涉及的各个要素及其结构,使用模型解释物理现象和过程,阐明物理概念和原理,在真实的情境中具有构建模型的意识和能力等[3],教师应帮助学生在学习物理的过程中发展自己的模型,并使其与科学模型一致,从而加深对科学本质的理解.

【例1】“质点”模型的建构教学.

教学环节一：模型建构.

教师活动:

(1)创设问题情境(观看视频):港珠澳大桥因其超大的建筑规模、空前的施工难度和顶尖的建造技术而闻名世界,大桥总长55 km,设计速度100 km/h,如图1所示.一辆货车通过港珠澳大桥至少要多长时间?

图1 港珠澳大桥视频片段图

(2)假如忽略货车的长度,货车通过港珠澳大桥的时间又是多少?

(3)比较两次计算出来的时间.

(4)引入质点概念.

学生活动:

(1)观察图片,描述现象,用运动示意图表征货车通过大桥的过程,运用学过的运动学知识计算运动时间,解释需要知道的物理量.估算相关物理量,应用物理公式进行计算,得出结果约为0.55 h.

(2)应用物理公式进行计算,得出的结果为

0.55 h.

(3)自觉比较,经历解决真实问题,体验引入质点概念的意义.

(4)了解质点的含义.

设计意图：建构初始模型,学生通过问题情境,自主建构货车运动过程模型,学生通过两次计算发现物体的大小对所研究问题的影响,经历质点模型的建构过程,体验引入质点概念的意义.

教学环节二：模型检验.

教师活动:假如是计算货车通过桥上两个相距30 m标识牌的时间呢?

学生活动:应用并检验初始模型.用所建构的初始模型计算结果,比较是否忽略物体大小的结果差异.尝试根据计算结果修正初始模型.

设计意图：修正初始模型,当学生比较是否忽略物体大小的结果差异时,产生认知冲突,进一步领悟质点的含义.

教学环节三：模型分析.

教师活动:是否体积小的物体可以看作质点?体积大的物体就不可以看作质点?为什么?

学生活动:总结完善模型,思考、小组交流讨论,形成统一意见,物体能否被看作质点,要根据问题的具体情况而定.

设计意图：知道将物体抽象为质点的条件,体会建构物理模型的思维方式.

教学环节四：模型应用.

教师活动:情境问题,如图2所示.

图2 运动的物体

请判断下列物体能否看作质点.

(1)研究发球技术时的乒乓球,如图2(a);

(2)研究爬行轨迹时的瓢虫,如图2(b);

(3)研究对接过程中的神舟飞船与空间站,如图2(c);

(4)评判动作时的花样滑冰运动员,如图2(d).

学生活动:应用物理模型,根据所研究的问题,判断能否把物体看作质点.并自觉运用反证法论证自己的判断.

设计意图：应用和拓展物理模型,能将特定实际情境中的物体抽象成质点,认识物理模型在探索自然规律中的作用.

教学环节五：模型内涵.

教师活动:在质点的建构过程中,运用了怎样的思想方法?

学生活动:抓住主要矛盾,忽略次要矛盾.

设计意图：挖掘内涵,体会研究问题的思维方式和哲学思考.

评析：教学中通过创设真实情境,在教师的引导下基于学习进阶和问题解决,为建模活动设计脚手架,引导学生主动进入建模的学习活动中.学生经历物理建模的过程;理解物理模型的使用条件;认识到物理模型在研究复杂问题中的作用;学会通过建构物理模型来研究解决实际问题.

2 体验生活情境 凸显科学推理

科学推理是由一个或几个已知的判断,推导出一个未知结论的思维过程,是在实验基础上经过概括、抽象、推理得出规律的研究方法[4].高中物理科学推理是一个从具体到抽象,再从抽象到具体的过程,包括归纳推理、演绎推理、类比推理等,科学推理必须严格合乎逻辑,由个别到一般,又由一般到个别的反复过程,达到归纳和演绎的统一,过程中需要通过对现象的分析提出问题、形成假设、形成见解,并在此基础上得出结论.

【例2】“失重和超重”的逻辑推理.

教学环节一：创设体验情境.

教师活动:让学生演示在体重计上蹲下后不动再站起来的实验,如图3所示.

图3 体重计实验

学生活动:学生在蹲下过程中体重计示数先变小,后变大,再变小,最后保持不变;站起过程中示数先变大,后变小,再变大,最后保持不变.

设计意图：实验中当失重和超重现象出现时,会涉及科学思维的质疑创新.

教学环节二：逻辑推理.

教师活动:说明现象.人在体重计上下蹲或起立时,示数会小于或大于静止时的示数.

学生活动:提出质疑.(1)人的错觉吗?(2)人的重力发生变化了吗?

设计意图：基于实验现象和已经掌握的知识事实引导学生进行逻辑推理.

教学环节三：分析逻辑推理.

教师活动:分析事实.(1)物体静止时,物体对水平面压力等于物体的重力;(2)物体运动时,物体的重力没有发生变化.

学生活动:观察现象.物体运动时,对水平面的压力发生了变化.

设计意图：根据以上现象和事实,推出引起压力大小变化的原因是物体的运动速度.

教学环节四：验证逻辑推理.

教师活动:由于下蹲过程很快,现场很难辨别,用手机把实验过程中指针示数的变化录下来,然后用视频播放软件慢速播放.

学生活动:学生发现在体重计上下蹲过程中示数先变小后变大,下蹲过程中人的速度一直向下,为什么既有失重现象,也有超重现象?

设计意图：实验中对产生失重、超重现象原因的分析和提出产生条件时,引导学生进行一系列的逻辑推理,让学生根据实验现象和事实作出符合逻辑关系的判断,培养逻辑思维能力.

教学环节五：逻辑推理.

教师活动:失重状态,人对体重计的压力小于重力,由牛顿第三定律可知,人受到的支持力等于人对体重计的压力,即人受到的支持力小于重力,由牛顿第二定律可知,此时人处于向下加速运动状态.

学生活动:同理可推出当人减速下降时,即到达最低点前一段时间内处于超重状态,所以体重计示数先变小后变大.

设计意图：(1)明确超重失重现象产生的原因是物体速度的变化,与物体的速度方向无关,而是取决于物体的加速度方向;(2)物理现象应该用物理概念和规律进行逻辑推理.

评析：教学中应该让学生正确理解和应用多种科学推理方法,从定性和定量两个方面进行科学推理,找出规律、形成结论、解释自然现象和解决实际问题.教师不仅要关注推理结论,更要重视推理过程,引导学生发现个别事物共同的特点,寻找本质特征,让学生明确研究对象、物理条件、推理方向以及对结果的解释,教学过程中应尽可能实现多种推理方式相结合.

3 探究实验情境 加强科学论证

科学论证是一种依据科学事实或概念、规律,采用一定的推理方法,证明某一观点或结论正确与否的科学思维[4].科学思维中的科学论证应以科学知识为中介,积极面对问题,对所获得的资料进行解释说明,提出自己的论点,反思自己及别人论点的不足并提出反论点,同时能反驳他人的质疑和批判的高级思维能力.

【例3】实验论证“平抛运动”竖直方向做自由落体运动.

教学环节一：创设实验情境.

教师活动:演示平抛运动演示器,让两小球同时做自由落体运动和平抛运动,如图4所示.

图4 平抛运动

学生活动:观察演示实验现象,发现小球同时落地(听落地声音),学生小组讨论.

设计意图：得到初步结论,平抛运动的竖直分运动是自由落体运动.

教学环节二：科学论证并获取证据1.

教师活动:这个实验获取的证据能否严谨证明平抛运动的竖直分运动是自由落体运动?如果不行,怎么办?

学生活动:小组讨论,交流;提出可以多次改变实验装置的离地高度,重复实验.

教师活动:把平抛运动演示器离地高度改为1 m,1.5 m,…,重复实验.

学生活动:观察实验现象,发现小球还是同时落地.

设计意图：以更严谨的方式进行实验,得到实验证据.

教学环节三：科学论证并获取证据2.

教师活动:实验证据1能否严谨证明平抛运动的竖直分运动是自由落体运动?

学生活动:讨论、交流,有学生提出质疑.

教师活动:展示两个小球同时开始分别做自由落体运动和平抛运动的频闪照片,如图5所示.

图5 频闪照片

学生活动:从照片可以看出两个小球在同一时刻的高度始终相同.

设计意图：进一步质疑反驳,并积极思考更严谨的方法获取证据.

教学环节四：科学论证并获取证据3.

教师活动:该照片显示的证据能否严谨证明上述主张?

学生活动:讨论、交流,有些学生经过深度思考认为不能严谨证明.

教师活动:如何更严谨地证明?

学生活动:增大频闪频率,两小球总是在同一高度.

设计意图：进一步质疑反驳,并积极思考更严谨的方法获取证据,运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测.

评析：教学中应关注学生科学证据的意识和能力的发展,鼓励学生在课堂上开展论证活动,培养学生运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测.引导学生对论证的观点进行质疑和反驳、对提出的主张进行论证,明晰自己的推理依据并采用多种方式和途径收集事实依据.

4 梳理实验情境 发展质疑创新

质疑创新是科学思维的重要组成部分,其内涵是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正,进而提出创造性见解的能力和品格[1].心理学研究表明,创造性思维具有5种主要思维形式:发散思维、聚合思维、联想思维、直觉思维和批判性思维,质疑是创新的基础,创新是一种意识,其核心是科学创造力[5].从物理学习和活动的角度来看,高中生的科学创造力主要表现在观察与实验、物理知识的学习、物理问题的提出、物理问题的解决、物理创造活动等方面.

【例4】感应电流产生条件的质疑创新.

教学环节一：逻辑推理实验1.

教师活动:改变闭合电路内的磁感应强度,能否产生感应电流?实验装置示意图如图6所示.

图6 电磁感应实验1

学生活动:观察实验现象.灵敏电流计指针偏转,电路产生了感应电流.思考产生感应电流的原因.

设计意图：获得结论,产生感应电流的条件是磁感应强度B发生变化.

教学环节二：逻辑推理实验2.

教师活动:改变匀强磁场内闭合电路面积,能否产生感应电流?实验装置示意图如图7所示[1].

图7 电磁感应实验2

学生活动:观察实验现象.灵敏电流计指针偏转,回路产生了感应电流.思考产生感应电流的原因.

设计意图：获得结论,产生感应电流的条件是闭合电路面积S发生变化.

教学环节三：质疑分析.

教师活动:提出质疑.单独改变B或S,闭合电路都会产生感应电流.如果同时改变B和S,电路是否一定产生感应电流?

学生活动:思考、小组讨论.

设计意图：(1)质疑产生感应电流两个条件之间的相互关系;(2)推理:如果B、S都改变,但保持Φ不变,若不产生感应电流,就说明产生感应电流的条件是Φ的改变.

教学环节四：创新验证.

教师活动:创新实验,感应电流产生条件演示仪,如图8所示[1].

图8 感应电流产生条件演示仪示意图

学生活动:观察实验现象.在线圈运动过程中,穿过线圈的磁感应强度在减小,线圈面积在增大,灵敏电流计指针没有发生偏转!但在线圈套入和拿出的时候,灵敏电流计指针有明显变化.

得出结论：B、S的变化不是产生感应电流的本质条件,垂直穿过闭合电路的B与S的乘积即磁通量的变化才是产生感应电流的本质条件.

设计意图：创新实验设计,验证质疑,对结果进行解释.

评析：教学中应该让学生在课堂上经历发现、质疑、猜想、分析、设计等行为,鼓励学生大胆地提出自己的想法.教师还可以创设一些与所学知识相联系的具体实践探究项目,让学生课内外完成,不断增强学生的质疑创新意识,培养创造能力.

5 结束语

思维培养是科学教学的根本,教学中要培养学生良好的思维习惯和思维能力,提升思维品质,使学生掌握思维正确的方式和方法,才能造就有创新能力的学生.教师应灵活创设物理情境,让学生将情境问题简化抽象建构模型,应用物理知识进行分析推理来寻找证据,鼓励学生不断质疑,培养学生的批判性思维,引导学生创造性地解决问题,促进学生科学思维水平的不断发展.