施葉軍

摘 要：本文以《帶電粒子的加速》為例，探討了“問題式”課堂教學(xué)中如何以問題為主線，教師充分調(diào)動學(xué)生，通過問題的啟動，問題的悟動，問題的解答，實現(xiàn)學(xué)生由自發(fā)到自覺的飛躍，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，從而提高了學(xué)生的建構(gòu)模型的基本能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)認證能力，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，最終提升學(xué)生基于學(xué)科的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)思維；問題式課堂

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）12-0099-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.12.060

一、培養(yǎng)科學(xué)思維，提升核心素養(yǎng)

近兩年關(guān)于核心素養(yǎng)尤其是學(xué)科核心素養(yǎng)的討論開始升溫，因為核心素養(yǎng)的最終體現(xiàn)就是學(xué)生在社會生活中有效地運用學(xué)科知識與能力，而這其中又以能力為核心。愛因斯坦說過，“教育就是將學(xué)校所學(xué)的忘光之后剩下來的東西”。高中物理教學(xué)中，科學(xué)思維是一項重要能力，而學(xué)生在社會中所需要的諸多能力當(dāng)中，科學(xué)思維又無處不在，因此，科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是映射物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵。

我們所說的科學(xué)思維是指：基于客觀經(jīng)驗與客觀事實，用物理學(xué)原理與規(guī)律研究事物的本質(zhì)，從而對物體間相互關(guān)系進行再認識的過程，也是對物理模型的抽象與概括，是一種對物理思維方法的內(nèi)化能力，是質(zhì)疑能力和創(chuàng)新能力的外在表現(xiàn)能力，它包括：模型的建構(gòu)、科學(xué)的論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新等。在我們的物理課堂中，如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維呢？構(gòu)建“問題式”課堂是一條重要的途徑。

二、“問題式”課堂的基石

基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)下的物理教學(xué)要求我們的課堂能培養(yǎng)學(xué)生在今后的工作或者生活中解決未知問題的能力。這就要求我們的教學(xué)中創(chuàng)設(shè)的情境要真實，問題要具有一定的復(fù)雜性，在課堂上要引導(dǎo)學(xué)生剖析情境，建立模型，運用物理規(guī)律或者方法合理解決物理問題，提高分析解決實際問題的能力。

“問題式”課堂的教學(xué)設(shè)計的理念是以教師設(shè)計一系列問題為主線，在教學(xué)過程中積分調(diào)動學(xué)生，圍繞問題展開教學(xué)活動。這種教學(xué)模式能夠充分體現(xiàn)教學(xué)活動中教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。在課堂中師生圍繞“問題”展開“啟動—悟動—解答”的過程。

問題啟動——教師依據(jù)教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點，通過設(shè)置連環(huán)系列的問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決一系列問題的過程中，樹立學(xué)生的問題意識。

問題悟動——通過教師引導(dǎo)，學(xué)生自主對提出和解決物理問題的思維和方法進行理性的歸納和總結(jié)，提高原認知水平。

自動解答——由學(xué)生自動提出問題，自主解決問題，實現(xiàn)由自發(fā)到自覺的飛躍。

三、“問題式”課堂的構(gòu)建

在課堂教學(xué)中，學(xué)生從事的學(xué)習(xí)活動往往與其掌握的科學(xué)規(guī)律相互影響，其科學(xué)方法是建立在問題學(xué)習(xí)情境之中，活動過程也就是問題的提出和問題的解決過程。在“問題式”課堂中，學(xué)生不僅要掌握科學(xué)的方法論，還需要掌握這些科學(xué)結(jié)論獲得的途徑和過程，因此我們所提倡的“問題式”課堂的建構(gòu)可以從按以下步驟進行。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)沖突

物理問題情境的呈現(xiàn)其實質(zhì)上是為了引起學(xué)生思維上的認知沖突，從而使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題或提出問題。對于解決問題的學(xué)生來說，教師設(shè)計的問題情境只是我們用來引發(fā)認知沖突的條件；對于教師來說，物理問題情境是引發(fā)學(xué)生認知沖突的一種有效教學(xué)手段。

（二）提供事實，思維加工

根據(jù)物理情境提供的事實，教師要引導(dǎo)學(xué)生有目的地選擇與收集與之問題有相關(guān)聯(lián)的事實，而學(xué)生要積極思考，在獲取已有的物理事實基礎(chǔ)上通過自主的思維加工，從而進一步獲得對問題本質(zhì)的認識。思維加工的過程也就是學(xué)生對已有認知結(jié)構(gòu)，即每個學(xué)生個體內(nèi)在己有的物理知識體系，如已經(jīng)掌握的概念與規(guī)律，方法與技巧等進行重新內(nèi)化的過程。如果提出的問題有一定難度，一定的新意，則學(xué)生將會發(fā)現(xiàn)原有的認知結(jié)構(gòu)不能完全同化當(dāng)下新的問題時，就會重新思考與組織自己已有的若干概念與規(guī)律，方法與技巧，找到解決當(dāng)前物理問題新的規(guī)律與方法。

（三）積極引導(dǎo)，探索方法

學(xué)生通過自主分析，多次探索解決物理問題的方法，而教師以引導(dǎo)者的身份加強科學(xué)方法與思維方法的指導(dǎo)，以合作者的身份與學(xué)生一起對物理的問題為主線，以物理情境進行深加工，與學(xué)生一起探求解決物理問題的方法，從而促進學(xué)生思維的深度發(fā)展，讓學(xué)生從感性認知上升為理性認知。

（四）歸納結(jié)論，解決問題

解決問題后，師生歸納結(jié)論，總結(jié)解決問題過程中的科學(xué)方法與科學(xué)思維，使學(xué)生對物理規(guī)律與物理認知做更進一步的升華，從而使一個個的物理問題得到真正的解決，同時也促進學(xué)生思維的真正提升，促進物理核心素養(yǎng)的落地生根。

（五）運用結(jié)論，螺旋上升

實踐是檢驗問題的唯一標準。若提出的實際物理問題通過科學(xué)結(jié)論能解決，說明科學(xué)結(jié)論的正確，我們可以進一步的強化剛才得出的科學(xué)結(jié)論，從而認定問題已經(jīng)解決；如果不能解決物理新問題，那么我們要引導(dǎo)學(xué)生重新思考物理問題，現(xiàn)次主啟動問題，尋找物理事實，探索科學(xué)的解決之道……教學(xué)過程中，一個物理問題是否被真正解決，上面的幾步我們往往需要多次的循環(huán)與反復(fù)，才能使學(xué)生的認知得到螺旋上升，而每一次的問題解決，都會使學(xué)生的認知比以前更全面，更徹底。

下面以《帶電粒子的加速》為例，談?wù)勥@一教學(xué)模式的一般流程與做法。

《帶電粒子的加速》這節(jié)內(nèi)容的中心問題為：電場加速是獲得高能粒子的一種方法。具體地說主要有：直線加速器、回旋加速器、同步加速器。

總問題情境的引出為：“1989年初我國投入運行的第一代高能粒子加速器，它能使正負電子流的能量加速到28億電子伏特，那么它到底怎樣產(chǎn)生的呢”？

解決的方法之一為“直線加速器”。

提供的科學(xué)事實：利用電場可以加速粒子；見（圖一）。

結(jié)論：EK=1/2mV2=qU

問題情境1：用這樣的加速器只能達到幾十萬電子伏特到幾兆電子伏特，能否設(shè)法突破電壓限制，從而讓帶電粒子獲得更大的能量呢？

探索方案1：能不能通過多個加速電場，從而使帶電粒子逐一通過它們而獲得高能量？見圖（二）。

問題情境2：在方案1中能否獲得高能粒子呢？在相鄰兩級加速電場之間還存在著一個反向電場，當(dāng)粒子通過時將會有阻礙作用，如何來消除這減速電場不利的一面呢？

解決方案2：為了解決問題2中的內(nèi)容，采用靜電屏蔽，可用金屬圓筒來代替極板，見圖（三）。

問題情境3：方案2中設(shè)計的方法能使粒子得到加速嗎？事實上第一節(jié)加速，第二節(jié)減速，如何才能使粒子加速呢？

探索方案3：設(shè)想在粒子穿過圓筒時間內(nèi)，能及時地把電源的極性互換。

問題情境4：方案3設(shè)想是正確的，但由于交流電的頻率一般是固定的，怎么樣才能使在一定頻率的電壓作用下，帶電粒子不斷得到加速呢？

探索方案4：采用合理設(shè)計金屬圓筒的長度，隨著粒子速度的增大而相應(yīng)地增加。（至于要滿足怎么樣的長度的具體要求，由于要用到高等數(shù)學(xué)的知識，這里暫不作討論，如果學(xué)生有興趣可以課外自己研究或小組研究）

歸納科學(xué)結(jié)論：

①我們利用電場可以加速帶電粒子；

②我們可以通過多級加速的方法獲得高能量的粒子；

③通過將加速電場以外的區(qū)域進行靜電屏蔽，可以消除指向電場的阻礙影響；

④通過采用交變電源的方法為加速粒子提供它的加速電壓；

⑤電場的交替變化周期與加速粒子的運動周期應(yīng)相同。

運用結(jié)論解題：有一個靶和N個金屬圓筒，它們的長度逐漸增大，將它們沿主軸線排成一串，如圖（三）所示，（圖中僅畫出了六個圓筒，作為示意圖），各個圓筒和靶連接到頻率為f，最大電壓為U的正弦交流電源的兩端，整個裝置放在高真空容器中，圓筒的兩底面中心開有小孔，現(xiàn)有一電量為q、質(zhì)量為m的正離子沿軸線射入圓筒，并將在圓筒間及圓筒與靶間的縫隙處受到電場力的作用而加速（設(shè)圓筒外沒有電場），縫隙的寬度很小，離子穿過縫隙的時間可以不計，已知離子隊第一個圓筒左端的速度為U1，且此時第一、二兩個圓筒間的電勢差為U1-U2=U0，為了使打在靶上的離子獲得最大能量，各個圓筒的長度應(yīng)滿足什么條件？并求出在這種情況下打到靶上的離子的能量？

創(chuàng)設(shè)問題情境5：以上這種加速器叫直線加速器，北京的正負電子對撞機有兩個全長為200米的長管組成，是否可以找到一個既能使帶電粒子實現(xiàn)多級加速，而我們又不用增加設(shè)備長度的方案呢？

探索方案5：如果增加一個外在的磁場使粒子再次重返電場，這樣可實現(xiàn)多次加速，即回旋加速器。其結(jié)構(gòu)這里不作介紹，其原理圖見下圖。

問題情境6：按照上述的方案，不改變加速電場的極性，帶電粒子就不能加速，那么用怎么樣的方法才能使它得到加速呢？

方案解決6：當(dāng)粒子運動半周后，極性改變一次，使粒子的環(huán)繞周期與電場的周期相同。

問題情境7：粒子加速后的速度不斷增大，則交變電流的周期要改變嗎？回旋加速器的兩D型盒之間的窄縫是寬一點好呢？還是窄一點好呢？

運用結(jié)論解題：回旋加速器的核心部分是兩個D型金屬扁盒，它是沿著直徑把一個金屬扁切成兩半，兩個D型波間留有一個窄縫，在中間附近放有粒子源，D型盒裝在真空中，整個裝置放在巨大電磁鐵的兩極之間，磁場方向垂直子D型盒底面，把兩個D型盒分別接在高頻電源的兩極上，如果高頻電源的周期與粒子源發(fā)出的帶電粒子在D型盒內(nèi)沿螺線軌道逐漸趨于金屬盒的邊緣，并用特殊的裝置把它們引出，則下列說法中正確的是：

A、隨著粒子速度的增大，它運行半周所需的時間將增大；

B、粒子所能達到的最大速度與高頻電源的電壓大小成正比；

C、粒子所能達到的最大速度與D型盒的半徑成正比；

D、要使粒子每次通過窄縫時，都能得到加速，高頻電源的周期應(yīng)越來越小 。

問題情境8：由于Ek=（BqR）2/2m，那么能否采用增大D型盒半徑，增強磁場，而使粒子能量提高呢？原來是不能的，因為當(dāng)粒子有能量達到20Mev時粒子的速度已接近光速，按照相對論原理，粒子的質(zhì)量將明顯增加，破壞了加速器同步條件。

解決方案8：為了獲得更高的能量，尋找新途徑。例如，同步加速器，其主要的原理是：變化的磁場產(chǎn)生電場，使放入其中的帶電粒子得到加速，由于它產(chǎn)生的是環(huán)型電場，使帶電粒子永遠加速，故叫同步加速器，其能量可高達10000億電子伏特能量以上。對于同步加速器的有關(guān)問題有興趣的學(xué)生可以在課外找一些相關(guān)資料，自己去探索。

四、“問題式”課堂實施的思考

（一）探索“問題式”課堂，意在促進教學(xué)改革

“教學(xué)有法、教無定法，貴在得法”?！敖虒W(xué)有法”更多針對的是教師的教學(xué)原則與教學(xué)方法；“教無定法”是指由于學(xué)生的特點與學(xué)科特點以及具體知識不同而采取的不同教學(xué)；“貴在得法”因教施教，是指教學(xué)的具體技巧。建立物理“問題式”課堂，其目的就是為了打破接受性教學(xué)與發(fā)現(xiàn)性教學(xué)的界限，實現(xiàn)兩種教學(xué)方法上互為補充與融合。在有限的課堂時間內(nèi)，通過教師營造“問題式”課堂，將學(xué)生的自主探究帶進課堂，通過引導(dǎo)與歸納提升學(xué)生的思維能力，提升學(xué)生解決實際問題的能力，真正在課堂教學(xué)中改變教師教育教學(xué)觀念，促進教學(xué)改革。

（二）探索“問題式”課堂，意在培養(yǎng)科學(xué)思維

“問題式”課堂，十分注重物理方法的教學(xué)，注重物理方法的滲透，注重物理方法教學(xué)的階段性與層次性。在物理問題的解決過程中，學(xué)生會通過觀察法掌握物理事實，通過推理法與類比法找到物理規(guī)律的相似性，通過數(shù)學(xué)與等效法解決物理結(jié)論，通過假想法與模型法實現(xiàn)對實際問題進行有效建模。物理知識教學(xué)僅僅是一個載體，教師更要思考學(xué)生畢業(yè)后，進入社會，面對紛繁復(fù)雜的社會，如何讓學(xué)生受益，因此在探索“問題式”課堂，意在培養(yǎng)科學(xué)思維，它是我們物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，也是我們教育工作者追求的高層次教育目標，達到“教是為了不教”的境界。

（三）探索“問題式”課堂，意在培養(yǎng)創(chuàng)新能力

“問題式”課堂其教學(xué)流程為創(chuàng)設(shè)問題情境，提供科學(xué)事實，探索解決方法，歸納科學(xué)結(jié)論，運用結(jié)論解題等環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的過程。

學(xué)生在解決問題的過程中，通過一個一個問題的解決，從而實現(xiàn)對現(xiàn)有認知結(jié)構(gòu)和認識方式的改造和超越，這就是一種創(chuàng)新思維。如果教師在平時的課堂教學(xué)中不斷引導(dǎo)學(xué)生進行“問題式”學(xué)習(xí)，不斷豐富與發(fā)展學(xué)生自身的“學(xué)力”與研究能力，由量變到質(zhì)變，他們將來才可能形成類科學(xué)家的研究能力。在課堂中培養(yǎng)學(xué)生的“問題意識”與“解決問題”的能力，提升科學(xué)思維能力，也是教師培養(yǎng)創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。

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