陳運(yùn)保 劉 青

(河南師范大學(xué)物理學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

1 問題的提出

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，科學(xué)思維的培養(yǎng)是科學(xué)教育的核心，[1]也是科學(xué)教育改革的難點(diǎn)問題.許多研究都指出，科學(xué)思維的教學(xué)要求教師注重給學(xué)生創(chuàng)設(shè)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)情境，[2]因?yàn)楹玫那榫澈蛦栴}可以調(diào)動(dòng)、啟發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)教學(xué)的有效性.[3]

不過，由于思維活動(dòng)的類型多樣性、過程內(nèi)隱性等復(fù)雜特征，在教學(xué)實(shí)踐中如何有效引導(dǎo)和展示學(xué)生的思維過程，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)思維的歷程、方法，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的思維能力仍然是不易把握的.

為此，本文提出以物理情境為探究的載體，以思維類型明確化、思維過程顯性化為手段有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的顯性化教學(xué)策略.下面以高一物理“曲線運(yùn)動(dòng)”為例予以說明.

2 教材分析

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)對(duì)“曲線運(yùn)動(dòng)”部分的要求是：通過實(shí)驗(yàn)，了解曲線運(yùn)動(dòng)，知道物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件.[4]本文使用的教材選自人教版高中物理必修2第5章第1節(jié)，本教材的呈現(xiàn)方式是： ① 在第一節(jié)開始之前的序言中通過文字?jǐn)⑹龆鄠€(gè)曲線運(yùn)動(dòng)的案例介紹什么是曲線運(yùn)動(dòng)； ② 通過觀察和演示實(shí)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)中切線的概念說明曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向； ③ 通過演示實(shí)驗(yàn)和案例分析介紹物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件.[5]

3 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

學(xué)生此前只學(xué)習(xí)了直線運(yùn)動(dòng)，本節(jié)課是直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為了使曲線運(yùn)動(dòng)更加貼合學(xué)生的思維水平并能夠激勵(lì)學(xué)生深度思維，本文在理解課標(biāo)要求和教材編寫思想的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

(1) 優(yōu)化情境創(chuàng)設(shè).選擇學(xué)生熟悉的真實(shí)生活實(shí)例“擋泥板的設(shè)計(jì)”作為主情境，結(jié)合其他生活實(shí)例和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來創(chuàng)設(shè)豐富的物理情境作為學(xué)生探究學(xué)習(xí)的載體.

(2) 顯性化思維過程.圍繞擋泥板的設(shè)計(jì)問題，以合乎邏輯的問題鏈將教學(xué)內(nèi)容自然而然串起來展開教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析問題、解決問題、建構(gòu)新知；在思維與探究的過程中，明確讓學(xué)生經(jīng)歷對(duì)比分析、類比推理、猜想驗(yàn)證等具體思維活動(dòng)過程，并明確總結(jié)講解這些思維特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)思維教學(xué)的顯性化，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.

圖1 擋泥板的設(shè)計(jì)

(3) 明確把科學(xué)思維作為教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì).本節(jié)課深入挖掘教學(xué)過程中蘊(yùn)含的科學(xué)思維教學(xué)的價(jià)值，明確設(shè)定為教學(xué)目標(biāo)、使其可以測(cè)量和評(píng)價(jià)，引領(lǐng)整個(gè)教學(xué)過程.

3.1 以生活情境作為探究載體

生活情境：下雨天，當(dāng)自行車速度較快時(shí)，車輪上的泥水會(huì)被甩出去，飛濺到人身上(如圖1所示).為了防止這種危險(xiǎn)，很多自行車上加裝了擋泥板.

學(xué)生熟悉而且有可能親自經(jīng)歷過，但不知道如何分析這一生活問題，通過此情境易于引起學(xué)生對(duì)生活問題的關(guān)注和思考.

3.2 以問題鏈引導(dǎo)學(xué)生深度思維、把科學(xué)思維顯性化

教學(xué)思路：以上述擋泥板問題作為主情境并貫穿始終.首先確定研究對(duì)象為泥水，進(jìn)而根據(jù)泥水的運(yùn)動(dòng)過程，分解為兩個(gè)階段3個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、思維、探究，逐一引出問題、解答問題，經(jīng)歷深度思維的過程、建構(gòu)知識(shí)體系.整體教學(xué)思路如圖2所示.

圖2 教學(xué)思路

3.3 明確設(shè)計(jì)科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生經(jīng)歷對(duì)比分析、類比推理、猜想驗(yàn)證等過程解決情境問題，建構(gòu)知識(shí)體系發(fā)展其科學(xué)思維能力.根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)中核心素養(yǎng)水平劃分，[6]本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)制定學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)目標(biāo)如表1所示.

表1 科學(xué)思維教學(xué)目標(biāo)

4 具體的教學(xué)過程

整個(gè)教學(xué)過程分為3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行.

4.1 環(huán)節(jié)1：曲線運(yùn)動(dòng)的概念

情境問題1：粘在車輪上的泥水在做什么運(yùn)動(dòng)？能否用直線運(yùn)動(dòng)表示泥水的運(yùn)動(dòng)形式？

教學(xué)過程.

師：粘在自行車上的泥水繞著車軸軸心走過的軌跡是什么？

生：是圓.

師：圓是曲線還是直線？

生：曲線.

師：那么，如果從運(yùn)動(dòng)軌跡這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來把運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類，可以分為哪兩類呢？

生：直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng).

師：粘在車輪上的泥水做的運(yùn)動(dòng)是什么情況？

生：曲線運(yùn)動(dòng).

師：你還能舉出哪些曲線運(yùn)動(dòng)的實(shí)例嗎？

生：(學(xué)生可以根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)列舉各種各樣的曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)例，如汽車轉(zhuǎn)彎、斜向上投出的籃球，等).

師：這些運(yùn)動(dòng)的共同特點(diǎn)是什么呢？

生：運(yùn)動(dòng)軌跡是曲線.

師：那么應(yīng)該如何給曲線運(yùn)動(dòng)下定義呢？

生：運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線的運(yùn)動(dòng)叫曲線運(yùn)動(dòng).

教師小結(jié)：這里我們根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)把運(yùn)動(dòng)分為兩類，并且對(duì)多種曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)例進(jìn)行分析，尋找共性特征，建立了曲線運(yùn)動(dòng)的概念.這里體現(xiàn)了分類、歸納的思維方法.

設(shè)計(jì)意圖： 科學(xué)推理是對(duì)科學(xué)理論進(jìn)行歸納和演繹的過程，[7]在本教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)比直線運(yùn)動(dòng)來辨析理解曲線運(yùn)動(dòng)；通過多種生活案例對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行歸納，得出曲線運(yùn)動(dòng)的概念，經(jīng)歷建構(gòu)物理概念的過程，發(fā)展其科學(xué)推理的思維能力.

4.2 環(huán)節(jié)2：曲線運(yùn)動(dòng)的速度

情境問題2：車子的速度快時(shí)，繞車軸做曲線運(yùn)動(dòng)的泥水在甩出去的瞬間是沿著什么方向的？即泥水甩出去時(shí)的速度方向是什么？

教學(xué)過程.

(1) 觀察現(xiàn)象，形成猜想.

師：自行車速度快時(shí)泥水會(huì)被甩出去，泥水被甩出去時(shí)沿什么方向？請(qǐng)同學(xué)們帶著這個(gè)問題去觀看砂輪磨掉的熾熱微粒、運(yùn)動(dòng)員手中的鏈球分別沿什么方向飛出去(教師播放視頻).

學(xué)生觀看視頻并總結(jié)：微粒沿砂輪的切線方向飛出，鏈球離開手時(shí)沿切線方向飛出.

師：類比這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，可以推理得出泥水是沿車輪什么方向甩出去的？

生：沿車輪的切線方向.

師：總結(jié)以上物體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，同學(xué)們可以進(jìn)一步作出一個(gè)怎樣的假設(shè)？

生：做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向是沿曲線在該點(diǎn)的切線方向.

(2) 學(xué)生實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想.

師：同學(xué)們歸納得出的假設(shè)究竟對(duì)不對(duì)呢？請(qǐng)同學(xué)們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.(教師向同學(xué)們介紹自制實(shí)驗(yàn)器材：閉合開關(guān)后，小馬達(dá)帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)，將墨水滴在旋轉(zhuǎn)的圓盤上，觀察墨水甩出來的方向)

生：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)觀察墨水滴在旋轉(zhuǎn)圓盤上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如圖3所示，可以明顯看到墨跡是沿著切線方向飛出的)，驗(yàn)證曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向.

圖3 曲線運(yùn)動(dòng)速度方向?qū)嶒?yàn)

(3)師生理論分析.

師：實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以通過我們已有的理論知識(shí)去解釋.首先請(qǐng)大家思考，圖4中的OB(實(shí)線)是曲線的什么線？

生：割線.

師：大家回憶我們之前所學(xué)過的內(nèi)容，想一想O點(diǎn)的瞬時(shí)速度可不可以用此時(shí)OB之間的平均速度來表示呢？

圖4 OB無(wú)限接近時(shí)的平均速度代表O點(diǎn)的瞬時(shí)速度

生：可以，但是此時(shí)的誤差特別大.

師：非常好，如何使誤差變小呢？

生：將B點(diǎn)向O點(diǎn)移動(dòng)(伴有PPT動(dòng)畫演示，如圖4所示).

師：非常好，當(dāng)B點(diǎn)與O點(diǎn)無(wú)限接近時(shí)，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，OB的平均速度與O點(diǎn)的瞬時(shí)速度有什么關(guān)系？

生：O點(diǎn)的瞬時(shí)速度可以用OB的平均速度表示了.

師：那么，OB的平均速度方向就可以表示O點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向了.而此時(shí)的OB變成了O點(diǎn)的什么線？

生：切線.

師：也就是說，O點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向是沿著什么方向呢？

生：O點(diǎn)的切線方向.

(4) 交流討論，設(shè)計(jì)擋泥板.

師：泥水是沿車輪的切線方向甩出去的(如圖5所示)，那么，請(qǐng)大家討論以下問題：① 車輪上什么位置的泥水可能濺到人身上？② 在車輪的什么位置加上擋泥板去防止這種現(xiàn)象？

設(shè)計(jì)意圖：通過速度的方向，引導(dǎo)學(xué)生思考全面保護(hù)人的后背、人的褲腿等各位置，去設(shè)計(jì)擋泥板.

圖5 泥水甩出時(shí)的速度方向以及受重力方向

生：小組討論、畫圖說明自己的設(shè)計(jì)并說明理由.

最后教師展示學(xué)生們的討論結(jié)果，即實(shí)際的自行車擋泥板結(jié)構(gòu)，如圖6所示.

圖6 自行車的擋泥板設(shè)計(jì)

(5) 教師小結(jié).

這里我們通過對(duì)物理現(xiàn)象的觀察，抓住其中的關(guān)鍵特點(diǎn)，形成速度方向的猜想，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、理論分析，有理有據(jù)地驗(yàn)證了我們的猜想，理解了曲線運(yùn)動(dòng)的速度特點(diǎn).在科學(xué)研究和生活中，我們應(yīng)該根據(jù)一些線索形成自己的見解，尋找證據(jù)論證自己的見解，這體現(xiàn)了科學(xué)推理和科學(xué)論證的過程.

設(shè)計(jì)意圖.

科學(xué)論證是依據(jù)科學(xué)觀點(diǎn)提出自己的主張，并指出證據(jù)、理由來支持自己的主張的過程，主要包括主張、證據(jù)、理由等要素.[8]本教學(xué)過程中，教師將案例和情境相結(jié)合，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷問題—假設(shè)—證據(jù)—闡釋—交流的科學(xué)探究過程.學(xué)生經(jīng)歷對(duì)案例的分析，進(jìn)行類比歸納、抽象概括進(jìn)而提出猜想的過程，發(fā)展其科學(xué)推理的能力；設(shè)置學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證其假設(shè)，并通過理論知識(shí)對(duì)證據(jù)進(jìn)行支持，發(fā)展其科學(xué)論證的能力；學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決情境問題，解釋生活現(xiàn)象，使其形成將情境與知識(shí)相關(guān)聯(lián)的意識(shí)和能力.

4.3 環(huán)節(jié)3：物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件

情境問題3：甩出去的泥水做什么運(yùn)動(dòng)？為什么？

教學(xué)過程.

(1) 教師問題引領(lǐng)，學(xué)生形成猜想.

師：忽略空氣阻力，泥水甩出去后，受到什么力？

生：只受重力(學(xué)生畫圖，如圖5所示，標(biāo)出重力G的方向).

師：請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察在車輪不同位置甩出去的泥水的速度方向與合外力方向有何關(guān)系？根據(jù)牛頓第二定律，其加速度方向和速度方向有何關(guān)系？泥水將做什么運(yùn)動(dòng)？

師：例如圖5中的B點(diǎn)和F點(diǎn)的泥水將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢？它們的運(yùn)動(dòng)軌跡如何？

生：B點(diǎn)和F點(diǎn)的加速度方向和速度方向在同一條直線上，物體將做直線運(yùn)動(dòng).

生：(學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)可以回答)B點(diǎn)的泥水將向下運(yùn)動(dòng)；F點(diǎn)的泥水先向上運(yùn)動(dòng)再下落.它們的運(yùn)動(dòng)軌跡都會(huì)是直線.

師：如果二者方向不在同一直線上，物體會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢？例如圖5中的H、O、A點(diǎn).

生：曲線運(yùn)動(dòng)(此時(shí)學(xué)生會(huì)對(duì)比直線運(yùn)動(dòng)提出猜想，但無(wú)證據(jù)，后續(xù)教師安排學(xué)生通過模擬模型去實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此猜想).

(2) 學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想.

師：下面請(qǐng)同學(xué)們利用桌面上的小球和磁鐵去模擬不同位置泥水的運(yùn)動(dòng)和受力情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察.

生：學(xué)生觀察現(xiàn)象，建構(gòu)模擬式物理模型，如表2所示.

表2 曲線運(yùn)動(dòng)的條件學(xué)生實(shí)驗(yàn)

師：通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析我們得到，速度與合外力的方向在同一條直線上時(shí)，物體做什么運(yùn)動(dòng)？

生：直線運(yùn)動(dòng).

師：那么當(dāng)合外力方向與速度方向不在同一條直線上時(shí)，小球會(huì)改變速度方向，偏向什么方向？

生：合外力的方向.

師：做什么運(yùn)動(dòng)？

生：曲線運(yùn)動(dòng).

師：非常好，相信大家能夠總結(jié)出車輪不同位置甩出的泥水分別做什么運(yùn)動(dòng)了，其實(shí)這也是我們生活中熟悉的各種不同的拋體運(yùn)動(dòng)，是我們后續(xù)會(huì)學(xué)習(xí)到的內(nèi)容.

(3) 應(yīng)用知識(shí)解決問題.

師：既然車輪上泥水的速度方向都是沿著切向方向的，為什么車子速度小時(shí)，泥水會(huì)繞著車輪做曲線運(yùn)動(dòng)呢？

生：車子速度小時(shí)，泥水粘在車輪上的力可以迫使泥水改變沿切線的速度方向而隨車輪做曲線運(yùn)動(dòng).

(4) 教師小結(jié).

這里我們學(xué)習(xí)了物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件，然后運(yùn)用這個(gè)物理知識(shí)分析車輪上的泥水為什么能夠做曲線運(yùn)動(dòng)、泥水被甩出去之后為什么做曲線運(yùn)動(dòng).在這個(gè)研究的過程中，我們經(jīng)歷了對(duì)現(xiàn)象的觀察、提出猜想、實(shí)驗(yàn)操作、分析數(shù)據(jù)和推理、得出結(jié)論，回答了我們的疑問、驗(yàn)證了我們的猜想、論證了我們的結(jié)論，可以看出這是一個(gè)嚴(yán)密的思維和探究過程，希望大家能夠養(yǎng)成這樣的思維習(xí)慣.

設(shè)計(jì)意圖： 此環(huán)節(jié)學(xué)生經(jīng)歷了“情境化—去情境化—再情境化”的完整過程，使其科學(xué)思維能力得到發(fā)展.[9]學(xué)生通過分析“情境化”問題，對(duì)比物體做直線運(yùn)動(dòng)的條件這一知識(shí)，同中求變提出猜想的過程，發(fā)展其科學(xué)推理的能力；建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法，模型分為模擬式物理模型和理想化物理模型，[10]學(xué)生經(jīng)歷“去情境化”思考，建構(gòu)模擬式物理模型的過程，利用模擬式物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，概括抽象得出結(jié)論，體會(huì)抓住事物的本質(zhì)去模擬探究問題的過程，進(jìn)而發(fā)展其構(gòu)建模型的能力；學(xué)生思考泥水在不同位置甩出后做的運(yùn)動(dòng)形式不同，對(duì)不同位置甩出的泥水做相同的運(yùn)動(dòng)形式提出質(zhì)疑，并經(jīng)歷“再情境化”，將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)論回歸情境去解釋未被甩出去的泥水的過程，發(fā)展其質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.

5 結(jié)語(yǔ)

情境和問題的有效性，是保證教學(xué)質(zhì)量和激發(fā)學(xué)生思維的重要因素.[11]在物理教學(xué)中，我們應(yīng)創(chuàng)設(shè)有趣、有用、有挑戰(zhàn)性的問題情境，吸引學(xué)生的關(guān)注、激發(fā)學(xué)生的思維，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、社會(huì)性和情境性，踐行“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念；同時(shí)，我們還可以通過思維類型明確化、思維過程顯性化的手段引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷深度思維的歷程，從而學(xué)會(huì)思維，有效培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維能力.