基于物理问题解决的学生质疑能力培养

【摘要】文章以高中生在力学、电学学习中提出的几个物理问题为背景，鼓励引导学生在实验操作中发现问题，创设实验情境，创新实验设计，充分借助DIS实验，经历生疑、论疑、证疑、释疑的物理问题解决过程，例谈在高中物理教学中对质疑能力培养的探索。提出注重学生自主实践，激发物理问题解决中质疑能力培养的源动力；创新物理实验情境，提供物理问题解决中质疑能力培养的主阵地；借助经典物理学中问题解决实例，创建物理问题解决中质疑能力培养的模范场，为教学提供参考，以落实学科核心素养。

【关键词】物理教学；问题解决；质疑能力；培养

【中图分类号】G633.7【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2024）22—0111—04

创新是科技发展的源动力，创新型人才是科技创新发展的推动力[1]，而创新型人才具有善于质疑发现问题、惯用理性思维等主要行为表现[2]。数学家丘成桐也指出：“创新的基础在质疑问难。”[3]所以，在中学阶段培养学生质疑能力的重要性不言而喻。

一、质疑与问题解决的含义

质疑是指个体在求知欲驱使下，带着问题意识看待事物，敢于独立思考、敢于批判、敢于挑战权威、敢于发表见解、敢于追求真理的一种思维习惯。质疑是创新型人才必不可少的品质，是创造性思维的方法和手段，是探索的起点和创新的前提[4]。

问题解决是一系列有目的指向性的认知操作过程，其过程一般包括发现问题、分析问题、提出假设、检验假设、修正假设5个基本步骤[5]。问题解决实质上是对与自身知识经验不匹配现象的调和，问题解决过程可以认为是“生疑”“论疑”“证疑”“释疑”的心理和行为历程。可以看出，问题解决无不展现质疑背后的逻辑推动，它们之间的关系可以用图1表示。问题解决促进质疑能力发展，质疑能力又反作用于问题解决，催生新问题产生。

二、例谈基于物理问题解决的学生质疑能力培养

（一）轻绳模型中的弹力突变问题

问题背景：如图2所示，用长为L的轻绳将质量为m的小球悬挂于固定的O点，先将小球拉到一定高度A点，使轻绳与水平方向的夹角θ=30°，再由静止释放小球，当小球运动到B点时，轻绳瞬间绷直，此后小球在竖直平面内做圆周运动，已知重力加速度为g，求：小球摆到最低点C时绳所受的拉力。

生疑：轻绳绷直后，小球沿绳方向的分速度为零，轻绳绷直瞬间，为什么不考虑小球重力？

论疑1：绳子绷直瞬间沿着绳子方向的弹力发生突变，远远大于小球的重力，故忽略小球重力。

证疑1：创设实验情境，应用DIS实验力传感器测量具体情境中绳子拉力的大小，判断重力是否远远小于拉力。

学生对于什么时候忽略重力，什么时候不能忽略重力的问题经常一头雾水。在解决该问题时，通过实验探究引导学生建立理想轻绳模型，发展学生的科学思维。

实验器材：力传感器、数据采集器和安装配套软件的电脑、尼龙绳、铁架台、小球和量角器。

实验一：将采样频率设置为5KHZ，并对力传感器进行调零。将拴有尼龙绳的小球悬挂于固定在铁架台上的力传感器下端，测量绳子拉力F（悬点到球心的距离为80cm，小球重力为0.07N）。

1.实验操作：使尼龙绳恰好伸直，且与竖直方向夹角为30°，由静止释放小球，得实验数据如图3所示。

2.数据分析：绳子刚绷直时，拉力F=4.05N，重力沿绳子方向的分力为mgsin60°=0.0606N，两者之比为66.8。

3.实验结论：根据数学知识分析知，若要忽略重力沿绳子方向的冲量，至少需要满足：绳子的张力为重力沿绳子方向分力的100倍。本实验中，两者之比小于100倍，可见重力沿绳子方向的分力不能忽略。

论疑2：绳子绷直时拉力与重力沿绳子方向的分力之比未达到预期数值，可能与绳子的材料有关，小球速度突变时，绳子的形变量不够小。

实验二：将实验一中尼龙绳换为0.285mm规格的渔线，重复操作，实验数据如图4。

1.数据分析：渔线绷直时，渔线最大拉力F= 4.19N，重力沿渔线方向的分力为mgsin60°= 0.0606N，两者之比为69.1。

2.实验结论：渔线绷直时的拉力与重力沿渔线方向的分力之比仍未达到100倍，但是在接近100倍。

释疑：渔线比尼龙绳形变量小，推理可得，对于理想轻绳，小球速度突变时，绳上拉力远大于小球重力沿绳子方向的分力，可以忽略重力。

评述：创设实验情境，用力传感器引导学生设计实验方案，鼓励学生自主探究，进而使学生体验建构理想轻绳模型的过程，并体会“抓住主要因素，忽略次要因素”的物理思想。教学中要充分发掘动手操作在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题。动手操作能给学生的质疑提供方式，培养学生自信心。学生在实验操作中容易发现更多解决问题的方式，这既是学生思维深层次发展的过程，也是对已有知识进行创新的高阶思维过程。

（二）温度对电阻率的影响

质疑：影响灯丝电阻大小的到底是电压还是热效应？

论疑：若要探究影响灯丝电阻大小的到底是电压还是热效应，可以控制灯丝的温度不变，测量不同电压下的灯丝电阻，以确定电压对灯丝电阻的影响。

证疑：实验器材：电流传感器、电压传感器、数据采集器和安装配套软件的电脑、小灯泡（3.8V、0.3A）、定值电阻（10Ω、5Ω）、学生电源、开关、滑动变阻器、导线若干。

实验：将小灯泡的玻璃外壳敲掉，浸泡在常温水中，利用水的比热容大，灯丝温度变化不大，来控制灯丝的温度不变，利用传感器测量小灯泡灯丝常温电阻的I-U图象。

1.学生操作：按照图5电路图连接电路，将灯丝浸泡在常温水中，记录不同电压下的电流值，绘制灯丝电阻的I-U图象如图6所示。

评述：通过以上实验的创新，深化电阻的认识，理解伏安特性曲线的意义，进一步理解欧姆定律。教学中充分利用学生的理解误区，精心设计优质问题串，创设实验情境，创新实验设计，打破学生的常规思维，让他们在实践中分析问题。通过学生的验证、完善等方式，引发思维矛盾，让他们在严谨分析中理清思路，探究解决问题的方案，并能在实践中提出有价值的新问题，培养学生的质疑思维，形成严谨求实的科学态度，促进学生全面发展。

三、总结

一是注重学生自主实践，激发物理问题解决中质疑能力培养的源动力。质疑能力不是空想发问，而是基于预解决的物理问题，根据自身经验知识和已习得的专业知识技能，经过思考后，就某一点产生的疑惑，因此，质疑体现出单点性、精确性、深刻性，故质疑能力的培养不是随意确定主题，仅泛泛提出几个问题而已。动手实践是产生质疑最直接、最简洁、最有效的源动力，鼓励学生自主实践，在实践中应用已获得的知识、技能、思想方法发现新问题，产生有效质疑。

二是创设物理实验情境，提供物理问题解决中质疑能力培养的主阵地。科学严谨、可重复、稳定的科学实验是物理问题解决的最有效途径。在教学中，抓住学生理解误区，创设物理实验情境，为学生提供宽松的实验环境和条件，鼓励学生进行实验探究，解决学生疑问，提升学生实验探究能力；充分利用学生质疑，创新DIS等实验，让学生在物理实验中体会物理问题解决的基本范式，通过实验解决旧问题，在实验中发现新问题，培养学生质疑能力，发展物理学科核心素养。

三是借助经典物理学中问题解决实例，创建物理问题解决中质疑能力培养的模范场。在物理学发展的长河中，经典问题的提出与其被创造性地解决比比皆是，例如伽利略对前人关于落体运动认识的质疑，及他对落体运动的研究，不仅仅揭示了落体运动规律，更是提供了通过物理问题解决体现质疑的基本范式。在教学中，向学生展示物理问题解决中质疑细节，让学生体会前人的做法，为日后相对独立地解决物理问题提供范本，为质疑能力的发展奠定经验基础。

参考文献

[1]张晶，陈雨凡.教育、科技、人才一体化视域下培养创新型时代新人[J].教育评论，2023（02）：07-13.

[2]任飏，陈安.论创新型人才及其行为特征[J].教育研究，2017（01）：149-153.

[3]丘成桐.创新的基础在质疑问难[J].中国教育学刊，2021（04）：07.

[4]袁维新.学生质疑精神的缺失与重建——基于教材和教法的视角[J].中国教育学刊，2012（10）：67-70.

[5]李红伟.基于问题解决的科学思维培养教学策略思考[J].物理教师，2023（05）：09-15.

[6]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

（本文系2024年度中央高校基本科研业务费教育研究专项“科学思维学习进阶的理论与实践研究”的研究成果，课题立项号：2024JYYB05）

编辑：张昀