借助“問題鏈”探究教學 培養(yǎng)學生的科學思維——以滬科版《萬有引力定律》一課為例

張 磊

(上海市新中高級中學 200436)

高中物理的核心素養(yǎng)是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個維度構成.其中，基于問題的“質疑創(chuàng)新”的課堂教學，對于幫助學生形成以問題為載體、在解決問題的過程中培養(yǎng)學生科學思維能力，無疑起著重要作用.這也就需要教師在問題設計上多下功夫，提出富有具有啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的問題，引導學生由淺入深地進行思考、探究，從而提升學生的物理核心素養(yǎng).以下我就自己在《萬有引力定律》一節(jié)中的嘗試進行總結與反思，懇請各位同行指正.

一、教材分析

本節(jié)課是滬科版基礎性教材第十三章《宇宙》的第一節(jié)，與人教版教材不同,本節(jié)課由于沒有牽涉到向心力的計算，因此在教學過程中應該避免這方面問題.另外，在滬科版教材中,有關萬有引力與天體運動間的定量關系也是放入拓展性教材的，因此也不宜涉及.所以本節(jié)課設定在知識與技能層面的教學目標主要是在于萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程以及萬有引力定律的內容及表述.也正因為如此，有時教師在進行本節(jié)課教學時會操之過急：既然現(xiàn)階段無法與其最重要的應用——天體運動相聯(lián)系，那就干脆在很快的引出萬有引力定律后，將大部分時間放在對于公式的應用方面.實際上，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程蘊含著富有創(chuàng)造而又嚴謹?shù)目茖W思維，如能將“萬有引力定律”從問題的提出、猜想、演繹、推理、結論的得出等這些內容生動的展現(xiàn)在學生面前，將是發(fā)展學生思維能力難得的好材料.

二、學情分析

從學生已有知識儲備來講，他們對這節(jié)課的內容最耳熟能詳?shù)木褪顷P于牛頓的蘋果落地的故事，但對科學家的事例、研究方法、牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的過程和科學思想的了解不夠系統(tǒng)和準確.因而我在教學過程中，主要是立足于借助教學問題的設計，引導學生重走前輩科學家探究之路的基礎上，著重于對學生科學思維的培養(yǎng).

三、問題設計

考慮本節(jié)課的教學重點既不在于公式的推導與應用過程；也不在于實驗探究或驗證，所以我采用的是問題鏈探究式教學模式,在逐層深入的問題探究中破解概念建立的難點.借助這一方式，一方面可以調動學生的自主思維體驗；另一方面幫助學生建構新的認知知識結構.

1.問題一——當我們在談蘋果落地時，我們在談什么？

師：“當我們談到萬有引力定律的時候，大家首先會想到什么呢？”

生：“蘋果落地”.

師(追問)：“大家有沒有想過，為什么是牛頓而不是別人發(fā)現(xiàn)萬有引力定律呢?”

這個問題一提出，教室里陷入了短暫的沉默.事實上，從牛頓的“蘋果落地”到萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，這是一個復雜的思維運動和科學研究的過程.看到蘋果落地現(xiàn)象，只是一個起因，要得出最終結論關鍵在于能夠從現(xiàn)象引出問題并進行推理.在地球上，物體受重力落到地面這樣的一個事實，對大多數(shù)人來說只是一個常識.而對牛頓來講，則構成了他思考萬有引力問題的起點——這個故事的價值正是緣自于此.

2.問題二——如果蘋果樹長“高”了…… ？

師：“正常情況下蘋果樹一般也就幾米高，我們不妨做個假設，如果這棵蘋果樹能長到100米，蘋果脫離樹枝后還會落地嗎?”

生：“因為蘋果受到地球重力的作用，所以還是會落地.”

師：“那咱們的膽子再大一點兒，假設這棵蘋果樹能長到1000米，蘋果還會落地嗎?”

生：“還是會的.”(1000米，離我們似乎太遙遠，學生的回答有些猶豫，但答案還是肯定的，有些學生已經(jīng)開始思考為什么我會這么問了).

師：“那如果這棵蘋果樹要是長到和月亮一樣高，蘋果是否還會落地?”

生：“還是會的，只要在地球的引力場中，一定落地.”(這時，學生的回答反而又變的堅定了).

在這一過程中，隨著蘋果樹“越長越高”，答案似乎也變的有些飄忽不定，但通過對這一串問題的回答，學生發(fā)現(xiàn)只要抓住問題的本質——蘋果受到地球重力的作用，那它就會落地.

本節(jié)課的第一個思維難點，就是引導學生思考，將“天上的力”與“地上的力”聯(lián)系起來.通過前面問題的鋪墊，到最后一個問題的提出，很自然的引導學生聯(lián)想到其實月亮也會受到地球的引力，同時也引出了后續(xù)問題.

3.問題三——為什么月亮沒落地呢？

師：“既然長到像月亮那么高的蘋果樹上的蘋果還是受到地球的引力，那月亮是否也受到地球的引力呢？(受的)“那月亮為什么卻沒落地呢?”

是呀，為什么月亮沒落地呢？學生自發(fā)的就開始討論起來，通過對比分析，很快也有了結果——蘋果和月亮都會受到地球的引力作用，蘋果之所以落地，是因為蘋果沒有初速度；而月球之所以不落地，是因為月球有速度，它在繞地球轉動.

按照教材安排，在之前《勻速圓周運動》一節(jié)中，僅僅是講到物體做圓周運動的條件是需要向心力，并沒有對此詳細展開，也沒有講到向心力和線速度的關系，所以在思考這一問題時，學生一方面是通過對比蘋果和月亮之間的顯性區(qū)別(有無速度)；另一方面也聯(lián)系了地理方面知識，在已有經(jīng)驗的基礎上進行了合理的外推.

4.問題四——如何讓蘋果也不落地呢？

師：“那既然月亮可以不落地，如果我也不想讓蘋果落地，又該怎么辦呢？”

生：“那就也給蘋果一個初速度.”

講到這里，我用幾個小紙團替代蘋果，在同一高度分別以不同的速度水平扔出.學生通過觀察發(fā)現(xiàn)：給紙團的初速度越大，它在水平方向上通過的距離就越長.由此做出大膽的推測，如果給小紙團足夠大的速度，它通過的水平距離也就會無限遠，那就相當于在繞地球運動，就不會落地了.

而這一想法，正是當年牛頓對于牛頓炮彈的設想.他設想在地球上有一座和月球一樣高的山，在山上架起一門大炮，能夠任意發(fā)射各種速度的炮彈.這樣，牛頓見到的“豎直落地的蘋果”就變成了“具有水平速度的炮彈”.當炮彈的速度較小時，炮彈做平拋運動；而隨著速度增大，炮彈水平方向運動的距離就越來越遠；當炮彈的速度達到一定的值時，炮彈就不再落到地面，而是圍繞地球旋轉.講到這里，當學生發(fā)現(xiàn)自己的想法竟然和牛頓不謀而合，高興之情，溢于言表.

本節(jié)課的第二個思維難點，是如何使月球的環(huán)繞運動與蘋果的豎直落地運動相聯(lián)系？借助“拋紙團”(牛頓炮)這一小實驗做媒介，也很自然的建立了兩者之間的聯(lián)系.

5.問題五——天上的引力和地上的引力一樣嗎？

師：“地球對地球上的蘋果有引力的作用，那對地球上的其他物體是否也有引力呢？地球對遙遠的月亮有引力的作用，那對其他天體也會有引力嗎？如果我們的眼光再放遠一些，地球也在繞著太陽轉，它們之間也有引力嗎？”

四、教學反思

萬有引力定律不是實驗的直接結果，它是通過牛頓大膽的假設與嚴格的求證得出的，這也決定了本節(jié)課的教學模式是以理論規(guī)律探究為主.這種課型往往會流于沉悶或者變成教師的一言堂，而本節(jié)課的設計通過符合學生認知結構的的問題鏈設計，把看似零散的概念、規(guī)律滲透在問題探究的全過程，依托問題鏈探究激發(fā)出學生深層次的思維活動，以符合學生認知結構的問題解決策略不斷強化學生的物理思維方法，從而衍生出完整的知識結構，促進學生科學思維的發(fā)展，收到了較好的效果.