培育科學(xué)思維的問題情境課堂的構(gòu)建——以人教版必修1“牛頓第一定律”教學(xué)為例

李 威

（江陰市祝塘中學(xué)，江蘇 江陰 214415）

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心元素，是學(xué)生發(fā)展的重要關(guān)鍵能力，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.在學(xué)習(xí)過程中，科學(xué)思維不會(huì)自然發(fā)生的，它需要由初始問題引發(fā)，由關(guān)聯(lián)性問題維持，問題解決、思維發(fā)展是終點(diǎn).《中國高考評價(jià)體系》指出，問題情境是高考評價(jià)的載體，具體來說就是創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題背景即以問題為中心構(gòu)成的活動(dòng)場域，考生在情境中進(jìn)行解決問題.值此新高考新課標(biāo)新教材落地實(shí)施之際，高中物理課堂教學(xué)需要與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行相應(yīng)的變革.筆者認(rèn)為培育科學(xué)思維的問題情境課堂教學(xué)是培育高中學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑，是實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、考”有機(jī)銜接的重要方法.

1 培育科學(xué)思維的問題情境課堂設(shè)計(jì)

培育科學(xué)思維的問題情境教學(xué)就是從教學(xué)的需要出發(fā)，將知識問題化，問題情境化，創(chuàng)設(shè)系列遞進(jìn)、關(guān)聯(lián)的問題情境，以引起學(xué)生積極的態(tài)度、行為體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生勤思、會(huì)思、善思，在解決問題的過程中，自主建構(gòu)知識，發(fā)展科學(xué)思維的一種教學(xué)方法.培育科學(xué)思維的問題情境課堂的建構(gòu)，以創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索情境、生活實(shí)踐情境為路徑，以多樣化方式為著力點(diǎn)，激發(fā)認(rèn)知沖突，促成質(zhì)疑創(chuàng)新；創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，引領(lǐng)科學(xué)推理；明確思維取向，體驗(yàn)抽象概括；融合現(xiàn)代科技，推動(dòng)思維可視；優(yōu)化教材實(shí)驗(yàn)，嘗試模型建構(gòu)；拓展教材實(shí)驗(yàn)，誘發(fā)科學(xué)論證.

2 培育科學(xué)思維的問題情境課堂的實(shí)踐

新課標(biāo)（2017年版）指出，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建立過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.本文以“牛頓第一定律”為例，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐.

2.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索情境，自主構(gòu)建物理規(guī)律

《中國高考評價(jià)體系》指出，學(xué)習(xí)探索情境源于真實(shí)的研究過程或?qū)嶋H的探索過程，涵蓋學(xué)習(xí)探索與科學(xué)探究過程中所涉及的問題.人們對于力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系探索的歷史進(jìn)程，就是學(xué)習(xí)探索過程，我們通過創(chuàng)設(shè)問題情境，促成學(xué)生簡約地親身經(jīng)歷這一歷史進(jìn)程，親身體驗(yàn)這一歷史進(jìn)程中遇到的問題，親身嘗試運(yùn)用科學(xué)思維解決問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的培育和發(fā)展.

2.1.1 激發(fā)認(rèn)知沖突，促成質(zhì)疑創(chuàng)新

問題情境1：桌子上放一輛小車，用力推小車、不推它，小車分別處于什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？

問題情境2：（1）水平桌面上鋪上棉布，小車從斜面上滑下；（2）不鋪棉布，小車從斜面同一高度滑下.問題：（1）小車停下來的原因是什么？（2）兩次小車滑行距離的大小有什么不同？（3）兩次小車滑行距離的大小不同的原因是什么？（4）如果沒有摩擦力，小車運(yùn)動(dòng)情況有什么特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律之前，基于生活和已有的知識，形成了大量的經(jīng)驗(yàn)情境，這是構(gòu)建新的物理概念和規(guī)律的基礎(chǔ).問題情境1通過實(shí)驗(yàn)幫學(xué)生建立已有“經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知”，分析概括得出亞里士多德的觀點(diǎn)；問題情境2引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)認(rèn)知存在矛盾，激發(fā)認(rèn)知沖突，學(xué)生先通過觀察、思考，然后基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對之前錯(cuò)誤認(rèn)知提出質(zhì)疑和批判，提出創(chuàng)造性見解，既促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)意識與能力，也發(fā)展了質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維能力.

2.1.2 創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，引領(lǐng)科學(xué)推理

科學(xué)推理是由一個(gè)或幾個(gè)結(jié)論推出另一個(gè)新結(jié)論的思維方式，一般包括歸納推理和演繹推理.學(xué)生只有在問題情境中，進(jìn)行科學(xué)推理的磨煉，才能提升科學(xué)推理能力.本節(jié)內(nèi)容要學(xué)習(xí)伽利略的觀點(diǎn)，更重要的是學(xué)習(xí)他獨(dú)創(chuàng)的“實(shí)驗(yàn)+邏輯推理”的科學(xué)研究方法.筆者利用目前窗簾PVC軌道自制教具（如圖1），制作簡單，取材方便，做了20套，開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，讓所有學(xué)生都能簡約地經(jīng)歷伽利略的研究過程，體驗(yàn)科學(xué)推理的過程.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究過程：小球在左側(cè)斜面同一位置多次釋放（如圖1、2），記錄每次小球到達(dá)右側(cè)斜面的位置（右側(cè)斜面傾角逐漸減小）.

圖1

圖2

問題情境3：（1）小球在左側(cè)斜面同一位置多次釋放，小球在右側(cè)斜面能否回到釋放位置的高度？（2）小球在左側(cè)斜面同一位置多次釋放，當(dāng)右側(cè)斜面傾角減小時(shí)，小球在右側(cè)斜面上運(yùn)動(dòng)的距離和高度如何變化？

如果私募股權(quán)投資公司對于創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目有興趣，認(rèn)為創(chuàng)業(yè)者有資格獲得投資，接下來就是投資條件協(xié)商談判。在這個(gè)過程中，初創(chuàng)公司往往處于被動(dòng)地位。在盡職調(diào)查結(jié)束后，投資公司就會(huì)提出相關(guān)的報(bào)價(jià)與條件。在雙方達(dá)成一致后，就可以簽署協(xié)議。

問題情境4：如果沒有摩擦，（1）上述兩種情景如何？（2）如果此時(shí)右側(cè)斜面傾角減為0，小球運(yùn)動(dòng)有什么特點(diǎn)？（3）你看到了嗎？

設(shè)計(jì)意圖：在探究實(shí)驗(yàn)過程中，如果完全放手讓學(xué)生自己去探究，就容易導(dǎo)致探究方向偏離或探究面太廣，進(jìn)而偏離或淡化探究主題，使課堂教學(xué)效率偏低.我們在分組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)問題情境，適當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)的開放程度，通過問題導(dǎo)航學(xué)生活動(dòng)的目標(biāo)指向性；通過問題情境促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；通過問題情境引領(lǐng)科學(xué)推理的過程.問題情境1基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，問題情境2基于理想實(shí)驗(yàn)，“真實(shí)”與“理想”的對比產(chǎn)生了新問題，促成科學(xué)推理的介入.“你看到了嗎”再次提醒學(xué)生結(jié)論是理想的，現(xiàn)實(shí)看不到、摸不著，想得到結(jié)論必須給出科學(xué)合理、符合邏輯的解釋，這就促成“理想實(shí)驗(yàn)+邏輯推理”研究方法的自然誕生，學(xué)生通過積極合作、小組討論最終形成科學(xué)的解釋“小球是要追尋初始釋放位置的高度而一直運(yùn)動(dòng)下去的”，學(xué)生經(jīng)過科學(xué)推理過程的磨煉，科學(xué)推理已經(jīng)從“知識的結(jié)論”內(nèi)化為學(xué)生的“科學(xué)思維能力”.

2.1.3 明確思維取向，體驗(yàn)抽象概括

思維取向是科學(xué)思維的基本立場、基本范式要求和價(jià)值觀.科學(xué)思維取向含有豐富的育人內(nèi)涵，它既承載了“以實(shí)證為判斷尺度、以邏輯做辯論武器、以懷疑作為審視出發(fā)點(diǎn)”的科學(xué)精神，又承載了實(shí)事求是、客觀公正的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

問題情境5：笛卡爾、牛頓對力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系做了怎樣的表述？在研究力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的歷史進(jìn)程中，我們?nèi)绾握J(rèn)識和評價(jià)亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓的貢獻(xiàn)？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生帶著問題情境5的問題閱讀課本，解決問題，既體驗(yàn)牛頓天才式的抽象概括能力，又理解“牛頓是如何站在巨人的肩膀上的”；通過對比4位偉人對“探索力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的貢獻(xiàn)，作出客觀公正的評價(jià)，幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)思維取向.

2.1.4 融合現(xiàn)代科技，推動(dòng)思維可視

問題情境6：（1）牛頓第一定律能否用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證？（2）物體什么時(shí)候可以看做不受力，舉例說明.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生認(rèn)識和理解牛頓第一定律所描述的物體不受外力的狀態(tài)是理想化狀態(tài)，是不能用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的；可以用合力為零的狀態(tài)代替不受外力的狀態(tài)，并舉例說明，主要著眼于物理研究方法“等效替代法”的應(yīng)用，同時(shí)也為用氣墊導(dǎo)軌近似演示牛頓第一定律做好鋪墊.用氣墊導(dǎo)軌、位移傳感器（如圖3）近似演示牛頓第一定律得到“位移-時(shí)間”圖像（如圖4）所示，不僅源于科學(xué)推理的理想狀態(tài)下物理的運(yùn)動(dòng)變得可視，而且使學(xué)生感受科學(xué)思維的強(qiáng)大魅力.

圖3

圖4

2.2 創(chuàng)設(shè)生活實(shí)踐情境，物理規(guī)律遷移應(yīng)用

《中國高考評價(jià)體系》指出，生活實(shí)踐情境與日常生活以及生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)，考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解釋生活中的現(xiàn)象、解決生產(chǎn)實(shí)踐中的問題的能力.學(xué)生在自主學(xué)習(xí)牛頓第一定律后，運(yùn)用它解決生產(chǎn)生活中的問題，既可以加深理解，又可以培育科學(xué)思維能力.

2.2.1 優(yōu)化教材實(shí)驗(yàn)，嘗試模型建構(gòu)

演示實(shí)驗(yàn)1：如圖5所示.

圖5

演示實(shí)驗(yàn)2：拿出兩個(gè)外表近似相同的雞蛋，一個(gè)生雞蛋，一個(gè)熟雞蛋，先讓學(xué)生思考如何判斷，然后分別旋轉(zhuǎn)兩個(gè)雞蛋，按住并立刻松開，再讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象判斷哪一個(gè)是熟雞蛋.

演示實(shí)驗(yàn)3：在氣墊導(dǎo)軌的滑塊上自制一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，將小球下按使彈簧壓縮，在裝置上安裝一個(gè)觸發(fā)延時(shí)開關(guān)，滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運(yùn)行2 s后，開關(guān)打開，小球被彈簧彈出，上升、下落后，準(zhǔn)確無誤地落到彈出時(shí)的位置（如圖6）.

圖6

設(shè)計(jì)意圖：3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)涵蓋固態(tài)靜止的物體、液態(tài)運(yùn)動(dòng)的物體、動(dòng)態(tài)過程中的物體.一方面情境從簡單到復(fù)雜，不斷增加模型建構(gòu)的難度，另一方面從不同情景、狀態(tài)等角度建構(gòu)“慣性”模型，并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出解釋，為歸納概括出“一切物體都有慣性”奠定基礎(chǔ).為了增強(qiáng)趣味性，“以境生情”激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、積極合作，演示實(shí)驗(yàn)2在實(shí)驗(yàn)情境的基礎(chǔ)上，采取游戲化操作，學(xué)生做出哪個(gè)是熟雞蛋的判斷后，讓學(xué)生自己把雞蛋砸開看看，如果學(xué)生砸開的是生雞蛋，則鼓勵(lì)他勇于實(shí)踐的精神，“以情潤境”鼓勵(lì)他積極思考，做出正確解釋，并把熟雞蛋作為獎(jiǎng)品獎(jiǎng)勵(lì)給他；如果學(xué)生砸開的是熟雞蛋，則表揚(yáng)他猜想正確，引導(dǎo)他做出正確的解釋并把熟雞蛋作為獎(jiǎng)品讓他當(dāng)場吃掉.

2.2.2 融合科學(xué)探究，觸發(fā)科學(xué)論證

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)元素之間沒有嚴(yán)格的界限，將它們一個(gè)或幾個(gè)有機(jī)融合起來，可以實(shí)現(xiàn)“共生相長”.在探究物體慣性與質(zhì)量關(guān)系的教學(xué)環(huán)節(jié)，融合科學(xué)探究，觸發(fā)科學(xué)論證.

實(shí)驗(yàn)器材：小車、彈簧、直尺等.

探究過程：（1）觀察視頻（大貨車和小客車同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)剎車的情境）；（2）猜想“物體慣性大小與什么因素有關(guān)”；（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；（4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（5）得出結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：對于“慣性大小的決定因素”的探究，絕大多數(shù)教師選擇演示實(shí)驗(yàn)，幾乎沒有教師選擇學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，而學(xué)生的科學(xué)論證能力需在真實(shí)的科學(xué)探究中才能更有效地得到錘煉和提升.因此，筆者運(yùn)用生活中常見器材對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展創(chuàng)新，為學(xué)生提供科學(xué)探究的機(jī)會(huì)，學(xué)生設(shè)計(jì)方案如圖7、8，增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識（基于證據(jù)的猜想，基于數(shù)據(jù)分析的結(jié)論等），培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證能力.

圖7

圖8

3 教學(xué)反思

德國學(xué)者第斯多惠認(rèn)為，“教育藝術(shù)的本質(zhì)不在于傳授本領(lǐng)，而在于對學(xué)生思維能力的喚醒與自信心的鼓勵(lì)”.就培育科學(xué)思維的高中物理問題情境課堂而言，培養(yǎng)和發(fā)展科學(xué)思維是目標(biāo)，在物理情境中分析、解決問題是主體，激勵(lì)評價(jià)、有效問題情境是保障.以此為“綱”，以問題情境為路徑，以多樣化方式為著力點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)需要，靈活變通實(shí)施，培育科學(xué)思維的高中物理問題情境課堂就能有效建構(gòu).