指向科學思維的高中物理教學設計
——以“曲線運動”為例

陳運保 劉 青

(河南師范大學物理學院，河南 新鄉 453007)

1 問題的提出

科學思維是物理學科核心素養的重要內容，科學思維的培養是科學教育的核心，[1]也是科學教育改革的難點問題.許多研究都指出，科學思維的教學要求教師注重給學生創設富有挑戰性的任務情境，[2]因為好的情境和問題可以調動、啟發學生思維，促進教學的有效性.[3]

不過，由于思維活動的類型多樣性、過程內隱性等復雜特征，在教學實踐中如何有效引導和展示學生的思維過程，幫助學生清晰地認識思維的歷程、方法，從而有效培養學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學生科學思維能力的顯性化教學策略.下面以高一物理“曲線運動”為例予以說明.

2 教材分析

高中物理課程標準(2017版)對“曲線運動”部分的要求是：通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件.[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，本教材的呈現方式是： ① 在第一節開始之前的序言中通過文字敘述多個曲線運動的案例介紹什么是曲線運動； ② 通過觀察和演示實驗以及數學中切線的概念說明曲線運動的速度方向； ③ 通過演示實驗和案例分析介紹物體做曲線運動的條件.[5]

3 教學設計思路

學生此前只學習了直線運動，本節課是直線運動和曲線運動的轉折點，為了使曲線運動更加貼合學生的思維水平并能夠激勵學生深度思維，本文在理解課標要求和教材編寫思想的基礎上做了優化設計，主要體現在以下幾個方面.

(1) 優化情境創設.選擇學生熟悉的真實生活實例“擋泥板的設計”作為主情境，結合其他生活實例和實驗現象來創設豐富的物理情境作為學生探究學習的載體.

(2) 顯性化思維過程.圍繞擋泥板的設計問題，以合乎邏輯的問題鏈將教學內容自然而然串起來展開教學，引導學生逐步分析問題、解決問題、建構新知；在思維與探究的過程中，明確讓學生經歷對比分析、類比推理、猜想驗證等具體思維活動過程，并明確總結講解這些思維特點，實現思維教學的顯性化，從而有效培養學生的思維能力.

圖1 擋泥板的設計

(3) 明確把科學思維作為教學目標進行設計.本節課深入挖掘教學過程中蘊含的科學思維教學的價值，明確設定為教學目標、使其可以測量和評價，引領整個教學過程.

3.1 以生活情境作為探究載體

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

學生熟悉而且有可能親自經歷過，但不知道如何分析這一生活問題，通過此情境易于引起學生對生活問題的關注和思考.

3.2 以問題鏈引導學生深度思維、把科學思維顯性化

教學思路：以上述擋泥板問題作為主情境并貫穿始終.首先確定研究對象為泥水，進而根據泥水的運動過程，分解為兩個階段3個問題，引導學生進行觀察、思維、探究，逐一引出問題、解答問題，經歷深度思維的過程、建構知識體系.整體教學思路如圖2所示.

圖2 教學思路

3.3 明確設計科學思維的教學目標

學生經歷對比分析、類比推理、猜想驗證等過程解決情境問題，建構知識體系發展其科學思維能力.根據新課程標準中核心素養水平劃分，[6]本節教學設計依據課程標準制定學生科學思維的教學目標如表1所示.

表1 科學思維教學目標

4 具體的教學過程

整個教學過程分為3個環節進行.

4.1 環節1：曲線運動的概念

情境問題1：粘在車輪上的泥水在做什么運動？能否用直線運動表示泥水的運動形式？

教學過程.

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，如果從運動軌跡這個標準來把運動進行分類，可以分為哪兩類呢？

生：直線運動和曲線運動.

師：粘在車輪上的泥水做的運動是什么情況？

生：曲線運動.

師：你還能舉出哪些曲線運動的實例嗎？

生：(學生可以根據生活經驗列舉各種各樣的曲線運動實例，如汽車轉彎、斜向上投出的籃球，等).

師：這些運動的共同特點是什么呢？

生：運動軌跡是曲線.

師：那么應該如何給曲線運動下定義呢？

生：運動軌跡為曲線的運動叫曲線運動.

教師小結：這里我們根據運動軌跡這個標準把運動分為兩類，并且對多種曲線運動實例進行分析，尋找共性特征，建立了曲線運動的概念.這里體現了分類、歸納的思維方法.

設計意圖： 科學推理是對科學理論進行歸納和演繹的過程，[7]在本教學過程中，學生對比直線運動來辨析理解曲線運動；通過多種生活案例對曲線運動的本質特點進行歸納，得出曲線運動的概念，經歷建構物理概念的過程，發展其科學推理的思維能力.

4.2 環節2：曲線運動的速度

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

教學過程.

(1) 觀察現象，形成猜想.

師：自行車速度快時泥水會被甩出去，泥水被甩出去時沿什么方向？請同學們帶著這個問題去觀看砂輪磨掉的熾熱微粒、運動員手中的鏈球分別沿什么方向飛出去(教師播放視頻).

學生觀看視頻并總結：微粒沿砂輪的切線方向飛出，鏈球離開手時沿切線方向飛出.

師：類比這兩個質點的運動情況，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：總結以上物體的運動特點，同學們可以進一步作出一個怎樣的假設？

生：做曲線運動時，質點在某一點的速度方向是沿曲線在該點的切線方向.

(2) 學生實驗，驗證猜想.

師：同學們歸納得出的假設究竟對不對呢？請同學們通過實驗驗證.(教師向同學們介紹自制實驗器材：閉合開關后，小馬達帶動圓盤旋轉，將墨水滴在旋轉的圓盤上，觀察墨水甩出來的方向)

生：學生分組實驗觀察墨水滴在旋轉圓盤上的實驗現象(如圖3所示，可以明顯看到墨跡是沿著切線方向飛出的)，驗證曲線運動的速度方向.

圖3 曲線運動速度方向實驗

(3)師生理論分析.

師：實驗結論可以通過我們已有的理論知識去解釋.首先請大家思考，圖4中的OB(實線)是曲線的什么線？

生：割線.

師：大家回憶我們之前所學過的內容，想一想O點的瞬時速度可不可以用此時OB之間的平均速度來表示呢？

圖4 OB無限接近時的平均速度代表O點的瞬時速度

生：可以，但是此時的誤差特別大.

師：非常好，如何使誤差變小呢？

生：將B點向O點移動(伴有PPT動畫演示，如圖4所示).

師：非常好，當B點與O點無限接近時，大家會發現，OB的平均速度與O點的瞬時速度有什么關系？

生：O點的瞬時速度可以用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點的瞬時速度方向了.而此時的OB變成了O點的什么線？

生：切線.

師：也就是說，O點的瞬時速度方向是沿著什么方向呢？

生：O點的切線方向.

(4) 交流討論，設計擋泥板.

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象？

設計意圖：通過速度的方向，引導學生思考全面保護人的后背、人的褲腿等各位置，去設計擋泥板.

圖5 泥水甩出時的速度方向以及受重力方向

生：小組討論、畫圖說明自己的設計并說明理由.

最后教師展示學生們的討論結果，即實際的自行車擋泥板結構，如圖6所示.

圖6 自行車的擋泥板設計

(5) 教師小結.

這里我們通過對物理現象的觀察，抓住其中的關鍵特點，形成速度方向的猜想，然后通過實驗驗證、理論分析，有理有據地驗證了我們的猜想，理解了曲線運動的速度特點.在科學研究和生活中，我們應該根據一些線索形成自己的見解，尋找證據論證自己的見解，這體現了科學推理和科學論證的過程.

設計意圖.

科學論證是依據科學觀點提出自己的主張，并指出證據、理由來支持自己的主張的過程，主要包括主張、證據、理由等要素.[8]本教學過程中，教師將案例和情境相結合，帶領學生經歷問題—假設—證據—闡釋—交流的科學探究過程.學生經歷對案例的分析，進行類比歸納、抽象概括進而提出猜想的過程，發展其科學推理的能力；設置學生實驗，學生通過實驗證據驗證其假設，并通過理論知識對證據進行支持，發展其科學論證的能力；學生利用所學知識解決情境問題，解釋生活現象，使其形成將情境與知識相關聯的意識和能力.

4.3 環節3：物體做曲線運動的條件

情境問題3：甩出去的泥水做什么運動？為什么？

教學過程.

(1) 教師問題引領，學生形成猜想.

師：忽略空氣阻力，泥水甩出去后，受到什么力？

生：只受重力(學生畫圖，如圖5所示，標出重力G的方向).

師：請同學們仔細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系？根據牛頓第二定律，其加速度方向和速度方向有何關系？泥水將做什么運動？

師：例如圖5中的B點和F點的泥水將會如何運動呢？它們的運動軌跡如何？

生：B點和F點的加速度方向和速度方向在同一條直線上，物體將做直線運動.

生：(學生結合生活經驗可以回答)B點的泥水將向下運動；F點的泥水先向上運動再下落.它們的運動軌跡都會是直線.

師：如果二者方向不在同一直線上，物體會做什么運動呢？例如圖5中的H、O、A點.

生：曲線運動(此時學生會對比直線運動提出猜想，但無證據，后續教師安排學生通過模擬模型去實驗驗證此猜想).

(2) 學生實驗驗證猜想.

師：下面請同學們利用桌面上的小球和磁鐵去模擬不同位置泥水的運動和受力情況，進行實驗觀察.

生：學生觀察現象，建構模擬式物理模型，如表2所示.

表2 曲線運動的條件學生實驗

師：通過實驗結果的對比分析我們得到，速度與合外力的方向在同一條直線上時，物體做什么運動？

生：直線運動.

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

生：合外力的方向.

師：做什么運動？

生：曲線運動.

師：非常好，相信大家能夠總結出車輪不同位置甩出的泥水分別做什么運動了，其實這也是我們生活中熟悉的各種不同的拋體運動，是我們后續會學習到的內容.

(3) 應用知識解決問題.

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，泥水會繞著車輪做曲線運動呢？

生：車子速度小時，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動.

(4) 教師小結.

這里我們學習了物體做曲線運動的條件，然后運用這個物理知識分析車輪上的泥水為什么能夠做曲線運動、泥水被甩出去之后為什么做曲線運動.在這個研究的過程中，我們經歷了對現象的觀察、提出猜想、實驗操作、分析數據和推理、得出結論，回答了我們的疑問、驗證了我們的猜想、論證了我們的結論，可以看出這是一個嚴密的思維和探究過程，希望大家能夠養成這樣的思維習慣.

設計意圖： 此環節學生經歷了“情境化—去情境化—再情境化”的完整過程，使其科學思維能力得到發展.[9]學生通過分析“情境化”問題，對比物體做直線運動的條件這一知識，同中求變提出猜想的過程，發展其科學推理的能力；建構模型是一種重要的科學思維方法，模型分為模擬式物理模型和理想化物理模型，[10]學生經歷“去情境化”思考，建構模擬式物理模型的過程，利用模擬式物理模型進行實驗驗證，概括抽象得出結論，體會抓住事物的本質去模擬探究問題的過程，進而發展其構建模型的能力；學生思考泥水在不同位置甩出后做的運動形式不同，對不同位置甩出的泥水做相同的運動形式提出質疑，并經歷“再情境化”，將實驗驗證的結論回歸情境去解釋未被甩出去的泥水的過程，發展其質疑創新的能力.

5 結語

情境和問題的有效性，是保證教學質量和激發學生思維的重要因素.[11]在物理教學中，我們應創設有趣、有用、有挑戰性的問題情境，吸引學生的關注、激發學生的思維，發揮學生學習的主動性、社會性和情境性，踐行“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念；同時，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學生經歷深度思維的歷程，從而學會思維，有效培養學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維能力.