借助“問題鏈”探究教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

摘 要：知識(shí)可以傳授，但思維只能啟發(fā)、培養(yǎng).如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，是目前物理教學(xué)中的關(guān)注點(diǎn).在萬有引力定律建立的過程中，牛頓從看到“蘋果落地”這一現(xiàn)象，經(jīng)過一系列充滿想象力的推理過程，將地球?qū)υ虑虻囊ο蛱祗w和地面物體進(jìn)行推廣，提出萬有引力定律，這一過程蘊(yùn)含著豐富的史實(shí)、方法、思維素材，本文就是在此基礎(chǔ)上，談一談如何用問題鏈的形式，引導(dǎo)學(xué)生重走科學(xué)之路，建構(gòu)其推導(dǎo)過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

關(guān)鍵詞：問題鏈;萬有引力定律;科學(xué)思維

中圖分類號(hào)：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-0333（2021）23-0084-02

收稿日期：2021-05-15

作者簡介：張磊（1978.2-），男，上海人，本科，從事中學(xué)物理教學(xué)研究.

高中物理的核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度構(gòu)成.其中，基于問題的“質(zhì)疑創(chuàng)新”的課堂教學(xué)，對(duì)于幫助學(xué)生形成以問題為載體、在解決問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，無疑起著重要作用.這也就需要教師在問題設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生由淺入深地進(jìn)行思考、探究，從而提升學(xué)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(jìn)行總結(jié)與反思，懇請(qǐng)各位同行指正.

一、教材分析

本節(jié)課是滬科版基礎(chǔ)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(jì)算，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該避免這方面問題.另外，在滬科版教材中，有關(guān)萬有引力與天體運(yùn)動(dòng)間的定量關(guān)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(shè)定在知識(shí)與技能層面的教學(xué)目標(biāo)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(nèi)容及表述.也正因?yàn)槿绱耍袝r(shí)教師在進(jìn)行本節(jié)課教學(xué)時(shí)會(huì)操之過急：既然現(xiàn)階段無法與其最重要的應(yīng)用——天體運(yùn)動(dòng)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(shí)間放在對(duì)于公式的應(yīng)用方面.實(shí)際上，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程蘊(yùn)含著富有創(chuàng)造而又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，如能將“萬有引力定律”從問題的提出、猜想、演繹、推理、結(jié)論的得出等這些內(nèi)容生動(dòng)的展現(xiàn)在學(xué)生面前，將是發(fā)展學(xué)生思維能力難得的好材料.

二、學(xué)情分析

從學(xué)生已有知識(shí)儲(chǔ)備來講，他們對(duì)這節(jié)課的內(nèi)容最耳熟能詳?shù)木褪顷P(guān)于牛頓的蘋果落地的故事，但對(duì)科學(xué)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(xué)思想的了解不夠系統(tǒng)和準(zhǔn)確.因而我在教學(xué)過程中，主要是立足于借助教學(xué)問題的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生重走前輩科學(xué)家探究之路的基礎(chǔ)上，著重于對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

三、問題設(shè)計(jì)

考慮本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)既不在于公式的推導(dǎo)與應(yīng)用過程;也不在于實(shí)驗(yàn)探究或驗(yàn)證，所以我采用的是問題鏈探究式教學(xué)模式，在逐層深入的問題探究中破解概念建立的難點(diǎn).借助這一方式，一方面可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主思維體驗(yàn);另一方面幫助學(xué)生建構(gòu)新的認(rèn)知知識(shí)結(jié)構(gòu).

1.問題一——當(dāng)我們?cè)谡勌O果落地時(shí)，我們?cè)谡勈裁矗?/p>

師：“當(dāng)我們談到萬有引力定律的時(shí)候，大家首先會(huì)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(gè)問題一提出，教室里陷入了短暫的沉默.事實(shí)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(gè)復(fù)雜的思維運(yùn)動(dòng)和科學(xué)研究的過程.看到蘋果落地現(xiàn)象，只是一個(gè)起因，要得出最終結(jié)論關(guān)鍵在于能夠從現(xiàn)象引出問題并進(jìn)行推理.在地球上，物體受重力落到地面這樣的一個(gè)事實(shí)，對(duì)大多數(shù)人來說只是一個(gè)常識(shí).而對(duì)牛頓來講，則構(gòu)成了他思考萬有引力問題的起點(diǎn)——這個(gè)故事的價(jià)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(gè)假設(shè)，如果這棵蘋果樹能長到100米，蘋果脫離樹枝后還會(huì)落地嗎？”

生：“因?yàn)樘O果受到地球重力的作用，所以還是會(huì)落地.”

師：“那咱們的膽子再大一點(diǎn)兒，假設(shè)這棵蘋果樹能長到1000米，蘋果還會(huì)落地嗎？”

生：“還是會(huì)的.”（1000米，離我們似乎太遙遠(yuǎn)，學(xué)生的回答有些猶豫，但答案還是肯定的，有些學(xué)生已經(jīng)開始思考為什么我會(huì)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(huì)落地？”

生：“還是會(huì)的，只要在地球的引力場中，一定落地.”（這時(shí)，學(xué)生的回答反而又變的堅(jiān)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(duì)這一串問題的回答，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只要抓住問題的本質(zhì)——蘋果受到地球重力的作用，那它就會(huì)落地.

本節(jié)課的第一個(gè)思維難點(diǎn)，就是引導(dǎo)學(xué)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(gè)問題的提出，很自然的引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到其實(shí)月亮也會(huì)受到地球的引力，同時(shí)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(xué)生自發(fā)的就開始討論起來，通過對(duì)比分析，很快也有了結(jié)果——蘋果和月亮都會(huì)受到地球的引力作用，蘋果之所以落地，是因?yàn)樘O果沒有初速度;而月球之所以不落地，是因?yàn)樵虑蛴兴俣龋诶@地球轉(zhuǎn)動(dòng).

按照教材安排，在之前《勻速圓周運(yùn)動(dòng)》一節(jié)中，僅僅是講到物體做圓周運(yùn)動(dòng)的條件是需要向心力，并沒有對(duì)此詳細(xì)展開，也沒有講到向心力和線速度的關(guān)系，所以在思考這一問題時(shí)，學(xué)生一方面是通過對(duì)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(shí)，在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)初速度.”

講到這里，我用幾個(gè)小紙團(tuán)替代蘋果，在同一高度分別以不同的速度水平扔出.學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)：給紙團(tuán)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(tuán)足夠大的速度，它通過的水平距離也就會(huì)無限遠(yuǎn)，那就相當(dāng)于在繞地球運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)落地了.

而這一想法，正是當(dāng)年牛頓對(duì)于牛頓炮彈的設(shè)想.他設(shè)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(dāng)炮彈的速度較小時(shí)，炮彈做平拋運(yùn)動(dòng);而隨著速度增大，炮彈水平方向運(yùn)動(dòng)的距離就越來越遠(yuǎn);當(dāng)炮彈的速度達(dá)到一定的值時(shí)，炮彈就不再落到地面，而是圍繞地球旋轉(zhuǎn).講到這里，當(dāng)學(xué)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(gè)思維難點(diǎn)，是如何使月球的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)與蘋果的豎直落地運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系？借助“拋紙團(tuán)”（牛頓炮）這一小實(shí)驗(yàn)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?qū)Φ厍蛏系奶O果有引力的作用，那對(duì)地球上的其他物體是否也有引力呢？地球?qū)b遠(yuǎn)的月亮有引力的作用，那對(duì)其他天體也會(huì)有引力嗎？如果我們的眼光再放遠(yuǎn)一些，地球也在繞著太陽轉(zhuǎn)，它們之間也有引力嗎？”

通過這些問題的提出，引導(dǎo)學(xué)生像牛頓一樣思考，由此推導(dǎo)得出：所有有質(zhì)量的物體之間都存在相互的引力.也正是在上述推理基礎(chǔ)上，牛頓借助其非凡的天分，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，總結(jié)出萬有引力定律 ：自然界中任何兩個(gè)物體都會(huì)相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的二次方成反比，即 F=G·M1M2R2.講到這里，也可以不失時(shí)機(jī)的介紹在萬有引力定律建立的過程中，開普勒、笛卡爾、伽利略、胡克等偉大科學(xué)家的觀點(diǎn)，也讓學(xué)生更深刻的體會(huì)到牛頓“我是站在巨人肩膀上”這句話的意味 .

四、教學(xué)反思

萬有引力定律不是實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果，它是通過牛頓大膽的假設(shè)與嚴(yán)格的求證得出的，這也決定了本節(jié)課的教學(xué)模式是以理論規(guī)律探究為主.這種課型往往會(huì)流于沉悶或者變成教師的一言堂，而本節(jié)課的設(shè)計(jì)通過符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的的問題鏈設(shè)計(jì)，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(xué)生深層次的思維活動(dòng)，以符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的問題解決策略不斷強(qiáng)化學(xué)生的物理思維方法，從而衍生出完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，收到了較好的效果.

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[責(zé)任編輯：李 璟]