高中物理課堂中善用情境教學(xué)發(fā)展科學(xué)思維
——以《力的分解》教學(xué)為例

李寧

（福州第十中學(xué)，福建 福州 350000）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》指出，學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)。［1］物理科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是落實(shí)核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。而要發(fā)展和評(píng)估學(xué)生的科學(xué)思維能力則需要在真實(shí)且復(fù)雜的情境進(jìn)行。物理學(xué)科與生活實(shí)際聯(lián)系十分密切，擁有豐富的情境教學(xué)資源。教師若能在物理課堂教學(xué)中善于挖掘并利用情境教學(xué)，則能有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

建構(gòu)主義認(rèn)為，在物理課堂的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生獲得物理知識(shí)，認(rèn)識(shí)和理解物理概念、規(guī)律往往是建立在自身已有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上；并且是在具體的社會(huì)文化背景下，借助教師和同伴的幫助主動(dòng)建構(gòu)的。因此，教師需要根據(jù)高中生的知識(shí)基礎(chǔ)和年齡特征，從生活真實(shí)情境引入，激發(fā)學(xué)生積極的情感投入，喚起學(xué)生思維的能動(dòng)性，幫助學(xué)生主動(dòng)參與問題的提出、模型的構(gòu)建、問題的探究、問題的解決和應(yīng)用，在知識(shí)形成過程中從不同層面發(fā)展科學(xué)思維。

以下選取高一物理《力的分解》教學(xué)案例進(jìn)行展示分析。

一、創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境，激發(fā)認(rèn)知沖突

認(rèn)知結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。讓學(xué)生在真實(shí)的活動(dòng)體驗(yàn)中，產(chǎn)生認(rèn)知上的沖突，打破學(xué)生知識(shí)體系和智能體系的平衡，引起“意外驚詫”的效果。

例如，在《力的分解》新課引入環(huán)節(jié)，課前通過創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境——讓學(xué)生在操場(chǎng)上做一個(gè)實(shí)驗(yàn)（小游戲）：班級(jí)里兩位力氣最大的男生握緊長(zhǎng)繩，像拔河比賽那樣用力對(duì)拉，當(dāng)進(jìn)入僵持階段時(shí)，一位力氣最小女生在中間用兩根手指沿垂直于繩方向輕輕一拉，結(jié)果把兩個(gè)男生都拉了過來。這一活動(dòng)過程同時(shí)用視頻記錄下來，在正式的課堂教學(xué)時(shí)播放。當(dāng)學(xué)生們看到這一真實(shí)的現(xiàn)象時(shí)，全班嘩然。學(xué)生的興趣和好奇心一下子就激發(fā)出來，自然地對(duì)剛才的現(xiàn)象產(chǎn)生質(zhì)疑：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？難道這個(gè)女生的力氣真的會(huì)比那兩個(gè)男生的力大嗎？由此，學(xué)生不僅參與了活動(dòng)，激發(fā)了興趣，也在思維上主動(dòng)地對(duì)新問題展開思考，同時(shí)課堂教學(xué)也能順利過渡到下一個(gè)環(huán)節(jié)。

再如，在本節(jié)新課教學(xué)環(huán)節(jié)，教師針對(duì)課堂開頭引入的實(shí)例進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境——讓學(xué)生張開雙臂分別放在身體兩側(cè)的桌面上，用力將自己撐起（雙腳離地），體會(huì)桌子間的距離、手臂張開的角度與手臂受力感受之間的關(guān)系。當(dāng)學(xué)生有了真實(shí)的體驗(yàn)（手臂張角越大感覺越吃力）后，會(huì)更加主動(dòng)地嘗試用已有的認(rèn)知和物理知識(shí)進(jìn)行思維加工去解決新問題。

學(xué)生通過對(duì)情境體驗(yàn)、質(zhì)疑、觀察和思考等一系列思維活動(dòng)，自主提出問題，不僅有效激發(fā)了科學(xué)思維，同時(shí)為后續(xù)進(jìn)一步分析問題，解決問題做好心理準(zhǔn)備。除了課前引入環(huán)節(jié)，教師在教學(xué)中的不同環(huán)節(jié)都要有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)這種真實(shí)的體驗(yàn)情境，制造這種認(rèn)知矛盾，當(dāng)學(xué)生的認(rèn)知出現(xiàn)沖突后，心理上就表現(xiàn)出一種不和諧的狀態(tài)，就能激發(fā)出一種解決問題的欲望，能達(dá)到最佳的教學(xué)效果。［2］

二、創(chuàng)設(shè)問題情境，激活推理思維

科學(xué)始于觀察，思維源于問題，教師要善于創(chuàng)設(shè)邏輯清晰且符合學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)和心理特征的問題情境，最大限度地引發(fā)學(xué)生積極的思考，從而提高學(xué)生的分析推理能力。

關(guān)于力的分解，在最新的高中物理教材中，著重強(qiáng)調(diào)結(jié)合實(shí)際的情境和研究問題的需要開展學(xué)習(xí)。力的分解作只是作為一種分析和解決問題的手段，本身并不承載具體的目標(biāo)和意義。在本節(jié)課教學(xué)中，學(xué)生普遍生存在的困惑是：分力是否真實(shí)存在？為什么要進(jìn)行力的分解？怎樣才能正確地對(duì)一個(gè)力進(jìn)行分解？因此，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)必然要圍繞以上三個(gè)問題展開，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析、推理、總結(jié)，從而激活學(xué)生推理思維。

在成功引入課題后，筆者利用學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的機(jī)會(huì)，通過創(chuàng)設(shè)階梯式的問題情境開展教學(xué)。具體如下：

問題1 若已知女生對(duì)繩子的拉力大小為300N，怎樣才能知道兩個(gè)男生對(duì)繩子拉力大小？

問題2 應(yīng)該選擇“誰”為研究對(duì)象？如何確定這三個(gè)人對(duì)繩子的拉力之間的關(guān)系？

問題3 同學(xué)們已經(jīng)知道兩個(gè)力（分力）可以由一個(gè)力（合力）等效替代（力的合成），反之一個(gè)力是否也可以由另兩個(gè)力等效替代呢？

問題4 力的分解遵循什么法則？何時(shí)需要將一個(gè)力進(jìn)行分解？

問題5 將一個(gè)已知力進(jìn)行分解有幾種方式？具體問題中兩個(gè)分力的方向該如何確定？

問題6 當(dāng)人拉著旅行箱在水平地面上行走時(shí)，地面對(duì)箱子的支持力等于箱子的重力嗎？

問題7 人對(duì)箱子的拉力在豎直方向上產(chǎn)生了什么效果？

問題8 如果拉力的大小和方向已知，怎樣通過計(jì)算能得到箱子所受支持力的大小？

問題9 如果對(duì)人的拉力進(jìn)行分解，怎樣分解才能幫我們解決問題8 呢？

教師通過以上問題，引導(dǎo)學(xué)生推理。先創(chuàng)設(shè)問題1 激發(fā)其對(duì)新知識(shí)的探究欲；通過問題2、3 的思考讓學(xué)生將已具有的“等效替代”思想、力的平衡原理等知識(shí)遷移到新情境中，明確研究對(duì)象和分析方法；學(xué)生由問題3 的推理可解決問題4 從而進(jìn)一步思考問題5再結(jié)合動(dòng)手畫圖，讓學(xué)生體會(huì)到力的分解是一種解決問題的手段，具體如何有效地分解一個(gè)力要根據(jù)實(shí)際情境和需求，順利過渡到實(shí)例分析；最后針對(duì)人拉旅行箱的實(shí)例分析，創(chuàng)設(shè)問題6、7、8、9 引發(fā)學(xué)生深層思考，逐步得出解決問題的方法：即人拉箱子的力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)豎直向上“提”的“效果”（拉力的一個(gè)分力），從而推理得出物體受到的支持力小于自身重力，進(jìn)一步拓展分析，將拉力沿豎直向上和水平向前兩個(gè)方向進(jìn)行分解，依據(jù)力的平衡條件列方程求解便可解決問題。

學(xué)生在一系列問題情境中進(jìn)行邏輯分析推理，鞏固舊知習(xí)得新知，逐步構(gòu)建起更加豐富、全面的知識(shí)體系的同時(shí)，有效地發(fā)展了科學(xué)推理思維。

三、創(chuàng)設(shè)模型情境，形成模型思維

模型建構(gòu)是科學(xué)思維的第一個(gè)要素。學(xué)會(huì)建模，既有助于學(xué)生將復(fù)雜抽象的物理的問題簡(jiǎn)單化、具體化、直觀化，從而理解和掌握物理概念和規(guī)律，也有助于學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展，促進(jìn)核心素養(yǎng)的提升。

“模型思維”是指?jìng)€(gè)體從原始問題情境中抽取出核心要素，將原始問題轉(zhuǎn)化為物理問題，并獲得各個(gè)要素間清晰的建模路徑的能力。它是最能體現(xiàn)物理建模能力不同于其他學(xué)科建模能力獨(dú)有的關(guān)鍵品質(zhì)。［3］

在本節(jié)課中，筆者分別利用典型的原始問題創(chuàng)設(shè)模型情境，如：

情境一人斜向上拉行李箱

情境二人在上坡時(shí)感覺特別吃力

情境三力氣最小的女生可以輕松將兩個(gè)力氣最大男生拉動(dòng)（課堂開始引入的實(shí)例）

接著，讓學(xué)生經(jīng)歷將復(fù)雜情境簡(jiǎn)化成物理模型的過程（即畫出模型示意圖），這一步在解決實(shí)際問題和培養(yǎng)學(xué)生模型思維中都至關(guān)重要。

模型一將箱子簡(jiǎn)化成小木塊（進(jìn)一步抽象可看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)），用一段有向線段代替人對(duì)箱子的拉力，具體簡(jiǎn)化如圖1。

模型二將人簡(jiǎn)化成小木塊（進(jìn)一步抽象可看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)），用一個(gè)直角三角形斜面代替斜坡，用一段有向線段表示人所受的重力，具體簡(jiǎn)化如圖2。

模型構(gòu)建完成后便可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步按照問題的需求來進(jìn)行力的分解操作如圖3 和圖4。

當(dāng)學(xué)生初步掌握力的分解方法后，筆者再次引導(dǎo)學(xué)生將課堂開始引入的實(shí)際問題簡(jiǎn)化為物理模型，創(chuàng)設(shè)模型情境如下：

模型三首先畫出三個(gè)力的示意圖（如圖5），其中F2、F3（F2=F3）表示兩個(gè)男生拉力，F(xiàn)1表示女生拉力；其次，把F1作為平行四邊形對(duì)角線，畫出多組平行四邊形（如圖6），其兩條鄰邊的長(zhǎng)度表示兩個(gè)分力大小；通過F1的分解示意圖，便可直觀地反映出兩個(gè)分力的大小與兩力之間的夾角的關(guān)系，從而揭示了現(xiàn)象背后的本質(zhì)：將一個(gè)已知力F1分解成等大的兩個(gè)分力F2、F3時(shí)，兩分力的大小會(huì)隨著它們之間的夾角增大而增大。最后，解釋實(shí)際問題：由于兩男生對(duì)繩子的拉力間夾角很大（接近180°）所以女生僅需對(duì)繩子沿著特定方向施加一個(gè)很小的力就能在繩子上產(chǎn)生兩個(gè)沿著繩子方向很大的分力，足以和男生的拉力相抗衡。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

學(xué)通過生對(duì)以上真實(shí)實(shí)例進(jìn)行理論探究，經(jīng)歷以下過程：

圖7

在經(jīng)歷模型構(gòu)建過程中，學(xué)生不僅對(duì)力的分解的內(nèi)涵以及科學(xué)方法有了一定的認(rèn)知，還能形成模型思維，提升自身的模型構(gòu)建能力。

四、創(chuàng)設(shè)生活情境，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

高中新課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念之一是注重物理與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)以及科技發(fā)展之間的聯(lián)系。因此，在高中物理課堂教學(xué)中，教師若能引導(dǎo)學(xué)生將物理知識(shí)回歸應(yīng)用到生活實(shí)際，不僅能升華學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，還能有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的形成。

教師可以依據(jù)新聞、教材等資料挖掘符合教學(xué)內(nèi)容的生活情境，提出新的問題，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)具體生活實(shí)例進(jìn)行深入思考討論，如在本節(jié)課結(jié)尾時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析以下幾個(gè)實(shí)例：

實(shí)例1.人在做引體向上時(shí)，兩個(gè)手臂間的張角越小越好。

實(shí)例2.高架橋的引橋都很長(zhǎng)。

實(shí)例3.刀、斧要很鋒利才能劈開東西。

實(shí)例4.古代的橋都是拱形的。

實(shí)例5.纜車的索道繩子不能繃得太緊。

教師通過引導(dǎo)學(xué)生探討分析不同情形、不同條件下物理知識(shí)的應(yīng)用情況，在一個(gè)個(gè)生活實(shí)例的分析和真實(shí)問題解決中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和知識(shí)遷移能力。

杜威認(rèn)為“思維活動(dòng)就是從疑難的情境到確定的情境”［4］。可見，科學(xué)思維是在復(fù)雜多樣的物理情境中開啟，同時(shí)是在具體的情境中得以發(fā)揮作用來解決實(shí)際問題。

實(shí)踐證明，在高中物理課堂上，教師通過合理創(chuàng)設(shè)豐富多樣的真實(shí)物理情境，能多維度的發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，具體表現(xiàn)在：對(duì)客觀事物的認(rèn)知方式；建構(gòu)物理模型的抽象概括能力；綜合分析、推理論證等科學(xué)方法在解決實(shí)際問題的運(yùn)用；找出規(guī)律、形成結(jié)論的科學(xué)推理能力；以及敢于利用已有物理概念解釋自然，解決實(shí)際問題的創(chuàng)新思維能力。