創(chuàng)設(shè)真實情境 培養(yǎng)科學(xué)思維

蔡 鉗 陳繼紅 曹衛(wèi)東 周 攀 陳信余

（1.華南師范大學(xué)附屬中學(xué)，廣東 廣州 510000；2.廣州教育研究院，廣東 廣州 510062；3.廣州大學(xué)附屬中學(xué)，廣東 廣州 510006；4.廣州執(zhí)信中學(xué)，廣東 廣州 510062）

情境，是教學(xué)的重要載體.物理學(xué)科的教學(xué)離不開情境.情境，也是普通高中物理課程改革中出現(xiàn)頻率極高的一個詞，不管是教學(xué)，還是考試，情境化是一個重要的方向.《普通高中物理課程標準（2017年）》（2020年修訂）在各章節(jié)的教學(xué)建議中均提出要創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué)，這體現(xiàn)了基于情境展開教學(xué)活動的重要性.

要培養(yǎng)科學(xué)思維，需要創(chuàng)設(shè)什么樣的真實情境？要如何基于真實情境展開師生活動？科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.那么，情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)根據(jù)課程目標的需求，有意識地指向這些要素的培養(yǎng).

下面，通過理論歸納與實例展示落實科學(xué)思維素養(yǎng)目標的做法.

1 重視模型建構(gòu)過程的師生活動

模型建構(gòu)能力是應(yīng)用物理學(xué)知識解決問題的重要能力，要解決實際問題，首先必須能夠從物理學(xué)的視角認識問題，進而將實際問題轉(zhuǎn)化為物理模型，然后調(diào)用物理規(guī)律解決問題.模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，最重要的是要突破從現(xiàn)象到物理模型的思維距離（圖1）.

圖1

《思維的模式》一書將人類接觸現(xiàn)象的過程描述為：“重要性（指人類對事物最突出的印象）”—“表達”—“理解”3個步驟.具體到物理模型的建構(gòu)，可以將這一思維過程拓展為“印象”—“描述”—“理解”—“抽象概括”—“形成模型”5個步驟.也就是說，從現(xiàn)象到物理模型，應(yīng)該給予學(xué)生最突出的感官印象、充分的描述和表達的機會、理解的時間和空間、抽象概括的過程以及構(gòu)建物理模型的結(jié)果.這樣將能夠順利突破上文所說的思維的距離.

下面，以“圓周運動”的一個教學(xué)實例展示這個思維過程.

圖2

案例1.如圖2，帶車牌自動識別系統(tǒng)的直桿道閘，離地面高為1m的細直桿可繞O在豎直面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動.汽車從自動識別線AB處到達直桿處的時間為3.3s，自動識別系統(tǒng)的反應(yīng)時間為0.3s；汽車可看成高1.6 m的長方體，其左側(cè)面底邊在a a′直線上，且O到汽車左側(cè)面的距離為0.6m，要使汽車安全通過道閘，直桿轉(zhuǎn)動的角速度至少多大？

下面通過表1展示教學(xué)活動的過程.

上述教學(xué)活動中，基于學(xué)生對物理模型建構(gòu)的各個不同的思維階段，給予學(xué)生相應(yīng)的啟發(fā).整個教學(xué)過程圍繞這樣一個思路：汽車不碰到桿的直觀感受——汽車不碰到桿的物理條件——用物理模型建構(gòu)一個汽車不碰到桿的圖形——應(yīng)用已有的物理模型解決問題.在每一個階段，教師應(yīng)給予學(xué)生充分的思維空間和時間，力求最大程度的讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型的建構(gòu)過程.

值得注意的是，上述的教學(xué)過程雖然側(cè)重了模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，但也涉及了分析（對汽車高度、距離以及角度大小的分析）、推理（推出桿轉(zhuǎn)動的時間、桿恰好越過汽車等結(jié)論）等思維過程.一個教學(xué)事件的發(fā)生，必然涉及學(xué)生各方面的素養(yǎng)，只是教師根據(jù)不同的素養(yǎng)目標的預(yù)設(shè)，開展側(cè)重點不同的教學(xué)活動，從而較好地落實目標.

2 重視科學(xué)推理的思維過程

科學(xué)推理是科學(xué)思維的重要體現(xiàn)，是科學(xué)思維的“顯性動作”.推理，包括是從一般到特殊的演繹推理、從特殊到一般的歸納推理、從類似的現(xiàn)象進行遷移的類比推理.下面通過教學(xué)實例探討基于真實情境進行推理的教學(xué)活動.

在探究重力做功是否跟路徑有關(guān)的問題中，在教師的引導(dǎo)下，某實驗小組對重力做功與路徑無關(guān)產(chǎn)生質(zhì)疑，想從真實實驗情境中證實這個結(jié)果，于是設(shè)計了下面幾組真實實驗情境進行探究.

該小組通過表2中的3個不同情境的實驗，發(fā)現(xiàn)v1與v2幾乎相等，v3略小一點，但誤差范圍內(nèi)v1、v2、v3可以視為相等.

表2

教師引導(dǎo)學(xué)生進行推理：情境1中小球沿著圓弧路徑運動、情境2中小球沿著豎直路徑運動、情境3中小球沿著光滑斜面運動，從小球到達斜面底端的速度相等這個事實，同學(xué)的結(jié)論是什么？

學(xué)生：小球沿著3個不同的路徑到達光電門處，但路徑的高度差一樣，小球到達底端的速率也一樣.這說明這3種情況重力對小球做功的大小相等.

教師：那么，我們是否可以將這個結(jié)論進行這樣的拓展：如果小球沿著其他路徑運動，只要高度差一樣，重力做的功相等.從理論上是否能夠論證這一結(jié)論？

師生交流：如圖3，小球沿著不規(guī)則的曲線軌道下滑，下滑的豎直高度為H，重力對小球做功多大？

圖3

根據(jù)功的定義：力與沿著力方向的位移的乘積，可以輕松得到重力做功為m gH，這與前面的3個實驗的結(jié)果一致.

可以進一步探討：如圖4，將曲線軌道分為無數(shù)段無限小的軌道，每段軌道可以近似為直線軌道.第一段軌道長ΔL1，其與豎直方向夾角為θ1，根據(jù)功的定義，重力做功為mgΔL1cosθ1=mgΔH1，從而可得小球從軌道頂端下滑豎直高度為H的過程中，重力對小球做的功為W=mg（ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+…）=mgH.

圖4

上述教學(xué)過程，通過3個真實的情境獲得3個特定的結(jié)果，在通過結(jié)果的比較演繹推理得到重力做功與路徑?jīng)]有關(guān)系的初步結(jié)論.這是在足夠多的“感性材料”的基礎(chǔ)上，運用推理的思維方式獲得的初步結(jié)論.接著，質(zhì)疑結(jié)論的普遍性：通過這3個情境得出的結(jié)論是否能夠得出一個普遍成立的規(guī)律？于是，教師運用功的定義和公式結(jié)合數(shù)學(xué)方法進行多角度的分析，最終得到一個令學(xué)生信服的結(jié)論：重力做功與路徑無關(guān)，等于重力與高度差的乘積.

教師進而向?qū)W生提出一個更普遍的問題：是否與重力性質(zhì)類似的力做功，其大小都與路徑無關(guān)？

這一過程，讓學(xué)生經(jīng)歷了一個結(jié)論形成的完整的思維過程：從感性材料出發(fā)，一步步演繹、推理，結(jié)合定量分析，最終歸納得出結(jié)論，這對培養(yǎng)科學(xué)推理能力、落實科學(xué)思維素養(yǎng)目標的培養(yǎng)是有效的.

同樣的，上述教學(xué)不僅僅局限在科學(xué)推理這一要素，其中也涉及了質(zhì)疑、論證等方面思維的啟發(fā)和培養(yǎng).也就是說，任何教學(xué)過程對學(xué)生思維發(fā)展的影響都不是孤立的，而是全面的，只是教師在教學(xué)過程中側(cè)重點不同而促使教學(xué)目標指向不同.

3 重視質(zhì)疑創(chuàng)新的問題情境

質(zhì)疑是科學(xué)發(fā)展的重要動力，提出問題比解決問題更重要已經(jīng)成了一種共識.在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上，思考、尋找解決疑問的方法，最終得到解決問題的策略，就是一種創(chuàng)新.下面，通過一個基于真實情境的習(xí)題的教學(xué)案例，探討培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的一種方式.

案例2.如圖5，單人雙槳賽艇比賽中，運動員用雙槳同步劃水使賽艇沿直線運動.運動員每次動作分為劃水和空中運槳兩個階段.假設(shè)劃水和空中運槳用時均為0.8s，賽艇（含運動員、雙槳）質(zhì)量為70k g，受到的阻力恒定，劃水時雙槳產(chǎn)生動力大小為賽艇所受阻力的2倍.某時刻雙槳剛?cè)胨畷r賽艇的速度大小為4m/s，緊接著運動員完成1次動作，此過程賽艇前進8m.求

圖5

（1）劃水和空中運槳兩階段賽艇的加速度大小之比；

（2）賽艇的最大速度大小和受到的恒定阻力大小.

該題的解答過程比較簡單，題目已經(jīng)將賽艇的運動抽象成這樣的物理模型：劃槳時，賽艇做勻加速直線運動；空中運槳時，賽艇做勻減速直線運動.這利用動力學(xué)規(guī)律不難解答.解完這個問題，筆者覺得這么好的素材情境應(yīng)該發(fā)揮更大的作用，于是向?qū)W生提出這樣一個問題：大家有沒有見過賽艇，賽艇的運動真的是這樣的嗎？我們把運動過程抽象成先勻加速、后勻減速直線運動的過程，這會不會與現(xiàn)實偏離太大？

問題一拋出，頓時鴉雀無聲.顯然，學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于這樣的理想化方式，對于是否合理已經(jīng)沒有思考的習(xí)慣了.當然，有個別學(xué)生說他也有這樣的疑問.

于是，筆者讓學(xué)生課后去查閱資料，下一節(jié)課再來解決問題.

最后，通過查閱資料，有學(xué)生找到對賽艇劃水比較合理的建模方式：賽艇的運動可以抽象成一個勻速直線運動疊加一個簡諧運動，它運動的速度-時間圖像大致如圖6所示.

圖6

于是教師進一步提問：賽艇的真實的速度圖像與該題中運動的v-t圖差異大嗎？

學(xué)生在圖6中作出了題目所建立模型的運動圖像的v-t圖，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)兩個圖像比較接近.教師借機提出這樣的觀點：簡諧運動的圖像中，絕大部分與直線非常接近，基于高中階段的知識限制，把賽艇的簡諧運動簡化為先勻加速后勻減速直線運動的模型，是可以接受的.這樣的結(jié)論，得到多數(shù)學(xué)生的支持，還有少部分質(zhì)疑的學(xué)生，他們會繼續(xù)鉆研、繼續(xù)查閱資料、繼續(xù)發(fā)現(xiàn)問題，這不就是教學(xué)的目的嗎？

圖7

這一教學(xué)過程，不僅能夠讓學(xué)生重新發(fā)現(xiàn)一個物理模型簡化思路，更能夠培養(yǎng)學(xué)生對習(xí)以為常的事實產(chǎn)生質(zhì)疑的習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑之后尋找解決問題的創(chuàng)新的思路和方法.

4 結(jié)論

綜上所述，在創(chuàng)設(shè)真實情境的教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)思維，從創(chuàng)設(shè)情境到基于情境進行教學(xué)，每一個環(huán)節(jié)都不是孤立的，每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)該落在學(xué)生思維的關(guān)鍵點上，在最恰當?shù)臅r候進行啟發(fā)，推動學(xué)生的思維順著預(yù)設(shè)的教學(xué)路徑前進.同樣，對于培養(yǎng)科學(xué)思維的各個要素的教學(xué)策略也不是孤立的，模型建構(gòu)過程需要分析推理，分析推理過程涉及抽象概括，只是選擇的側(cè)重點不同罷了.希望上述的案例，能夠為真實情境的教學(xué)如何培養(yǎng)科學(xué)思維提供思路與啟發(fā).