科學(xué)思維導(dǎo)向下的課堂情境的設(shè)計研究

許光輝

摘要：以自由落體運動為例，以科學(xué)思維的模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新四大要素為導(dǎo)向，闡述了的課堂情境的設(shè)計策略。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;情境;自由落體運動以

核心素養(yǎng)是現(xiàn)階段新課程綜合改革的首要目標(biāo)，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的第二要點，是指學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識、規(guī)律和方法后生成認(rèn)知事物的思維品質(zhì)，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)后逐步形成的關(guān)鍵能力，是實現(xiàn)學(xué)生今后走上社會后可持續(xù)發(fā)展必不可少的條件。因此，高中物理的教學(xué)應(yīng)注重知識的生成過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中促進(jìn)認(rèn)知的發(fā)展，應(yīng)注重物理科學(xué)方法的教育，使學(xué)生在潛移默化中習(xí)得良好的思維品格。

一、科學(xué)思維對課堂情境的依賴關(guān)系

科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新四大要素，顯然，這些能力不可能來自于空想和頭腦風(fēng)暴，也不是依靠純理論的分析而習(xí)得的，而是源于實踐，是基于事實與證據(jù)的方法與思想的升華。

情境創(chuàng)設(shè)能讓現(xiàn)實重現(xiàn)于課堂，學(xué)生置身于鮮活的場景，在真實的問題情境中激活隱藏于大腦深處的思維因子，從而充分調(diào)動自己對世界已有的元認(rèn)知。“學(xué)始于思，思源于疑”，學(xué)生在批判地學(xué)習(xí)新知識的同時，提升了學(xué)科素養(yǎng)，因此，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。（摘自《課程標(biāo)準(zhǔn)》）

二、“自由落體運動”教學(xué)中的實踐

自由落體運動是勻變速直線運動的特例，屬于運動模型范疇，運用科學(xué)思維框架下課堂情境與任務(wù)設(shè)計可實現(xiàn)課堂教學(xué)的優(yōu)化。

1、 模型構(gòu)建

該階段設(shè)置三個教學(xué)任務(wù)：探究空氣阻力對落體運動的影響;探究相同空氣阻力影響下的落體運動規(guī)律;建立自由落體運動模型。以生活場景、演示實驗、物理史料作為課堂情境，通過改變條件的方法逐步從情境中抽象出自由落體運動模型。

情境1：課堂伊始，播放短視頻： “樹葉飄落”和“石塊墜落”;教師演示：一張紙（與硬幣一樣大小）和一個硬幣從同一高度靜止開始同時下落;教師講述：亞里士多德從生活現(xiàn)象中總結(jié)出了重物比輕物下落得更快的結(jié)論。進(jìn)而提出問題：為什么重物會比輕物下落得快呢？

通過受力分析，發(fā)現(xiàn)輕物之所以下落得慢，是因為空氣阻力對輕物的影響更大。

情境2：追問：如果輕的物體下落中受的空氣阻力影響也很小，是否會與重的物體下落得一樣快呢？下面我們通過親手做實驗來看看其運動的快慢。學(xué)生們把事前準(zhǔn)備好小紙片疊放在同樣大小的硬幣上面，用手舉高后靜止開始釋放，硬幣和紙片同時落到地面，剎時，教室里出現(xiàn)了驚呼聲，部分學(xué)生好奇的重復(fù)著實驗。

實驗中由于紙片“躲”在硬幣后面，所以空氣阻力由二者共同“承擔(dān)”，可見，如果空氣阻力對落體的影響一樣大，重物與輕物會下落得一樣快。

情境3：再追問：如果空氣阻力小到可以忽略，那么重物與輕物下落的快慢又會是怎樣的呢？教師介紹牛頓管并演示橡膠塊與羽毛同時下落的實驗。師生從實驗中總結(jié)出自由落體概念：物體只在重力作用下從靜止開始的落體運動叫自由落體運動。實際上，即使是牛頓管，也存在很小的空氣阻力，所以 “只有重力作用”這一條件只能無限趨近而無法實現(xiàn)，自由落體運動是一種理想化的運動模型。

2、 科學(xué)推理

伽利略關(guān)于落體運動的邏輯推理與歸謬法可以說是物理學(xué)史上科學(xué)推理的經(jīng)典，經(jīng)歷這一推理過程可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與批判精神。

情境4：亞里士多德關(guān)于重物比輕物下落得快的論斷一直被世人奉為經(jīng)典，直到二千多年后被用伽利略用邏輯推理推翻，現(xiàn)在讓我們也來當(dāng)一回伽利略，重溫其推理過程，挑戰(zhàn)亞里士多德的權(quán)威：假定一個大銅球下落的速度為8，一個小銅球從同樣高度下落的速度為4，當(dāng)把二個球捆在起時，請大家分析落地時的大球速度和整體的速度，你會得出怎樣矛盾的結(jié)果呢？

3、 科學(xué)論證

在推理、分析等過程中，學(xué)生已經(jīng)對自由落體運動有了充分的定性認(rèn)識，但依然有不少學(xué)生覺得定性推理缺乏說服力，為此，我們需要借助實驗及其數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。

情境5：各小組參照圖1安裝打點計時器，并從獲取的紙帶上求出重物下落時的加速度值，隨后，教師從學(xué)生中挑出二組數(shù)據(jù)利用EXCEL表格的“添加趨勢線”和“顯示公式”功能在大屏上畫出二條幾乎重疊的直線，求出它們的加速度值都約為9.45m/s2，，即不同重物下落的加速度在誤差范圍內(nèi)是相等的，重物與輕物下落得一樣快。

情境6：有學(xué)生對實驗中的數(shù)據(jù)提出質(zhì)疑。

生甲：為什么各實驗小組測得的重力加速度都比9.8m/S2要小，而沒有出現(xiàn)比它大的值？

師：由于紙帶受到摩擦阻力和空氣阻力的作用明顯，重物下落的加速度比實際的重力加速度9.8m/S2要小很多，譬如9.4 m/S2甚至更小，即使有實驗誤差，也不會導(dǎo)致實際測量值超過這個理論值，一旦超過了這個值，基本可以斷定不是誤差引起的，而實驗中出現(xiàn)了錯誤或不當(dāng)。

生乙：G=mg中的g與重力加速度g的數(shù)值都是9.8，它們是同一個量嗎？為什么單位又不一樣呢？

師：這二個g其實是同一個物理量，即重力加速度，單位N/Kg與m/s2也是同一個單位，重力G實質(zhì)是力F，重力加速度g實質(zhì)是加速度a，所以G=mg就是F=ma的特殊形式，而F=ma是第四章中要學(xué)的牛頓運動定律的簡式。

顯然，二位同學(xué)的思維傾向不同，甲同學(xué)從觀察到的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了隱藏的規(guī)律，擦碰出欲求其因而不得的求知火花，思維的發(fā)散性明顯，物理學(xué)史上曾出現(xiàn)過多個源于對數(shù)據(jù)質(zhì)疑的重大發(fā)現(xiàn);乙同學(xué)通過新舊知識的對比發(fā)現(xiàn)了“問題”，這是基于依據(jù)的質(zhì)疑，有思維聚焦的跡象，是發(fā)現(xiàn)物理學(xué)規(guī)律的又一重要途徑。這二位同學(xué)都具有科學(xué)探究問題的潛質(zhì)，體現(xiàn)了良好的科學(xué)思維品質(zhì)。物理課應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，使學(xué)生從敢質(zhì)疑到能質(zhì)疑，最后會質(zhì)疑。

5、創(chuàng)新

情境7：教師通過提出問題激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新。

師：圖1裝置測得的g值的誤差較大，主要來自于摩擦阻力，我們能否設(shè)計出更好的實驗方案來減小實驗誤差？

生丙：用秒表測定重物下落的時間，測出下落的高度，用X= 2算出重力加速度g。

生丁： 手機里有加速度傳感器，讓手機自由落體掉到軟的物體上，可直接讀出加速度值。

生戊：若用二只光電門分別測出重物下落過程中二個位置的速度及二個光電門間的時間，則用a的定義式可測得重力加速度g，誤差應(yīng)該會更小。

對同一問題的不同回答折射出三種創(chuàng)新的境界，其中丁同學(xué)的答案與書本的“做一做”相同，排除引用書本的可能，不得不承認(rèn)這位同學(xué)思維很開闊，且不受課堂教學(xué)的禁錮，能靈活應(yīng)用周邊的工具，是三位同學(xué)中創(chuàng)新度最高的;丙和戊二位同學(xué)按部就班，都變換了測時間的實驗器材，但丙同學(xué)減小了來自摩擦的阻力但卻增加了測量時間的誤差，這是典型的操作理想化錯誤，而戊同學(xué)兼顧了影響實驗誤差的多重因素，雖然創(chuàng)新度不如丁同學(xué)，但卻是最合理的方案。

合理的課堂情境的設(shè)計有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，將情境融入到課堂教學(xué)是新課程改革的需要，也是時代發(fā)展的必然趨勢，其推廣和實施還需要廣大教師的共同努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭蔚青 鄧飛.基于科學(xué)思維的物理情境教學(xué)—以“法拉第電磁感應(yīng)定律”為例.中學(xué)物理教學(xué)參考2021年第3期

[2]周淺 劉艷妮.基于“科學(xué)思維”培養(yǎng)的深度教學(xué)—以“牛頓第一定律”為例.中學(xué)物理教學(xué)參考2021年第2期

[3]林家妍.基于核心素養(yǎng)的科學(xué)論證課堂教學(xué)設(shè)計—以“平面鏡成像”為例.中學(xué)物理教學(xué)參考2021年第9期17E05FE1-08F9-4CCC-8ADA-1A1A410371C9