基于科學(xué)思維培育的物理情境創(chuàng)設(shè)研究①

李安發(fā)

(廣東省廣州市花都區(qū)秀全街雅正學(xué)校，廣東 廣州 510800)

1 引言

創(chuàng)設(shè)適合學(xué)生形成物理觀念和發(fā)展科學(xué)思維的學(xué)習(xí)情境，給學(xué)生搭建展示物理學(xué)科核心素養(yǎng)的平臺(tái),是課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理教學(xué)的基本要求。創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，就是將物理問(wèn)題融入生活情境，讓學(xué)生深入到情境中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入的思考和探究，在解決問(wèn)題的過(guò)程中建構(gòu)物理知識(shí)，培育科學(xué)思維，提高核心素養(yǎng)。本文旨在探討物理情境在培育學(xué)生科學(xué)思維中的重要作用和策略。

2 物理情境的創(chuàng)設(shè)

2.1 物理情境分類

按照功能不同，可以將物理情境分為問(wèn)題情境、心理情境等類型；根據(jù)來(lái)源不同，可以將物理情境分為生活情境、實(shí)驗(yàn)情境、歷史情境等類型。

生活情境就是來(lái)自生活中的真實(shí)場(chǎng)景，在教學(xué)中可以借助文字、圖片、視頻來(lái)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境。

實(shí)驗(yàn)情境是指以物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作為教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考和探究。實(shí)驗(yàn)情境不能過(guò)于復(fù)雜，要能夠有效地促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展。實(shí)驗(yàn)情境要能夠化復(fù)雜為簡(jiǎn)潔，化旁觀為體驗(yàn)，化抽象為直觀，還要能夠驅(qū)動(dòng)學(xué)生的思維，引發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)意義。

歷史情境是選用物理學(xué)史作為教學(xué)資源的情境，人類文明史所發(fā)生的與物理原理密切相關(guān)的史實(shí)都可以作為歷史情境，物理學(xué)發(fā)展史上的思維碰撞、典型思辨、著名實(shí)驗(yàn)等都可以開(kāi)發(fā)為教學(xué)資源。

2.2 物理情境特點(diǎn)

2.2.1 新奇性

情境所呈現(xiàn)的場(chǎng)景跟學(xué)生已有的認(rèn)知有差別，學(xué)生依靠已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)不能理解或解釋，造成認(rèn)知沖突。這種認(rèn)知沖突能快速激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，有助于教學(xué)的深入開(kāi)展。這就要求教師創(chuàng)設(shè)的情境要新穎，產(chǎn)生的現(xiàn)象要奇特，學(xué)生見(jiàn)了能耳目一新。

2.2.2 問(wèn)題性

合理的教學(xué)情境總能給學(xué)生帶來(lái)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題必然會(huì)帶動(dòng)學(xué)生積極思考。

3 情境創(chuàng)設(shè)在科學(xué)思維培育中的作用

科學(xué)思維的誘發(fā)不是無(wú)本之木，無(wú)源之水，所有思維鏈條都是靠具體的教學(xué)情境驅(qū)動(dòng)的。先呈現(xiàn)一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫?，向?qū)W生提出該情境中需要解決的問(wèn)題，這時(shí)學(xué)生首先要學(xué)會(huì)將情境抽象為物理模型，再利用模型根據(jù)物理規(guī)律去推理，找到解決問(wèn)題的方法。學(xué)生對(duì)觀點(diǎn)和結(jié)論的質(zhì)疑也必須建立在情境的基礎(chǔ)之上，讓學(xué)生通過(guò)分析情境，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，再利用實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維，矯正錯(cuò)誤，得到科學(xué)結(jié)論。

4 創(chuàng)設(shè)情境培育科學(xué)思維的策略

情境在培育科學(xué)思維過(guò)程中有非常重要的作用，創(chuàng)設(shè)合理的情境是培育科學(xué)思維的必經(jīng)之路。下面列舉幾個(gè)教學(xué)案例，探討創(chuàng)設(shè)情境培育科學(xué)思維的策略。

4.1 模型建構(gòu)，啟動(dòng)思維引擎

教學(xué)情境要蘊(yùn)含將要學(xué)習(xí)的物理原理，在呈現(xiàn)教學(xué)情境后，需要讓學(xué)生將物理情境抽象為物理模型。例如，在學(xué)習(xí)《簡(jiǎn)單機(jī)械》時(shí)，教師給出豎立電線桿的生活情境(圖1)。

任務(wù)1:畫(huà)出圖1對(duì)應(yīng)的物理模型。

圖1

分析：基于豎立電線桿的情境，促使學(xué)生建構(gòu)物理模型——杠桿，感受勞動(dòng)人民的智慧，提高模型建構(gòu)能力。在畫(huà)圖的過(guò)程中要對(duì)力的方向進(jìn)行分析，用竹叉向上推電線桿和用繩子沿著竹桿的方向斜向上拉電線桿可以產(chǎn)生相同的效果，這個(gè)力就是動(dòng)力F1，電線桿所受重力就是阻力F2，電線桿與坑的接觸點(diǎn)就是支點(diǎn)O，電線桿是一根圍繞支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿，于是可以畫(huà)出如圖2所示的模型圖。

圖2

總結(jié)：模型的建構(gòu)為科學(xué)分析做好了鋪墊，為接下來(lái)的科學(xué)推理搭建平臺(tái)，學(xué)生以此打開(kāi)思考的大門，啟動(dòng)思維引擎。

4.2 科學(xué)推理，拓展思維深度

當(dāng)學(xué)生對(duì)物理情境進(jìn)行模型建構(gòu)后，教師應(yīng)當(dāng)借助該模型，提出需要科學(xué)推理才能解決的問(wèn)題，以此培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，推動(dòng)思維向縱深發(fā)展。如圖1所示，需要很多工人配合才能完成豎電線桿這項(xiàng)工作，而且具有一定的危險(xiǎn)性，怎樣使這項(xiàng)工作既安全又省力？

師：如果電線桿倒下來(lái)，怎樣做才能讓工人避開(kāi)電線桿？

生：工人站在高處拉電線桿就可以避免被砸中的危險(xiǎn)。

師：在附近沒(méi)有高地供工人站立，難道要再搭建高臺(tái)嗎？

生：可在旁邊立一根木棒，木棒頂端固定一個(gè)定滑輪，用繩子來(lái)拉電線桿，繩子繞過(guò)定滑輪，通過(guò)定滑輪改變力的方向，工人就可以避免危險(xiǎn)了。

師：這個(gè)想法很好，請(qǐng)大家畫(huà)出模型圖。

學(xué)生畫(huà)出如圖3所示的模型圖。

圖3

師：這個(gè)方法確實(shí)比較安全，但定滑輪不能省力，如何做到既安全又省力？

生：加動(dòng)滑輪，與定滑輪組成滑輪組，就可以既安全又省力，于是學(xué)生又畫(huà)出滑輪組模型(圖4)。

圖4

總結(jié)：通過(guò)問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生思考，步步遞進(jìn)，使學(xué)生的思維螺旋上升，通過(guò)分析推理，學(xué)生將物理原理應(yīng)用于具體問(wèn)題的解決之中，既開(kāi)拓了思維，又獲得了成就感。

4.3 科學(xué)論證，促進(jìn)思維發(fā)展

在學(xué)習(xí)“電阻”之前，筆者先在白紙上用鉛筆畫(huà)了一段電路(圖5)，問(wèn)學(xué)生：如果把電路連接起來(lái)，燈是否發(fā)光？讓學(xué)生用身邊的物品把電路連起來(lái)，有的用塑料尺，有的用橡皮，燈都不亮，有的用鐵夾，燈亮了(圖6)。

圖5

圖6

有一位同學(xué)用兩只手指將兩段電路連接起來(lái)，燈也亮了(圖7)。這時(shí)有很多同學(xué)都舉手上來(lái)，要用自己的手將電路接通。上來(lái)的同學(xué)越來(lái)越多，這時(shí)筆者說(shuō)大家手拉手，看燈還會(huì)不會(huì)亮。結(jié)果燈還是發(fā)光的，但拉手的人越多，燈越暗，電流表的示數(shù)越小(圖8)。

圖7

圖8

于是筆者讓學(xué)生分析剛才的實(shí)驗(yàn)。

師：將塑料、橡皮連入電路中燈不亮，將金屬、人體連入電路中燈亮，這說(shuō)明什么問(wèn)題？

生：說(shuō)明電阻與材料有關(guān)。

師：拉手的人越多，燈越暗，又說(shuō)明什么問(wèn)題？

生：導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān)，導(dǎo)體的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻越大。

師：我們剛才用了不同的物體把電路接通，有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的方法接通電路？

生：直接用鉛筆畫(huà)線就可以把電路接通！

師：下面我用鉛筆畫(huà)線將電路接通，看燈發(fā)不發(fā)光。

于是筆者畫(huà)了一條線將電路連接起來(lái)(圖9)。

圖9

師：燈亮了嗎？

生：沒(méi)亮。

師：怎么辦？

生：你繼續(xù)畫(huà)線，多畫(huà)些線，畫(huà)粗一點(diǎn)。

于是筆者繼續(xù)畫(huà)線，線越畫(huà)越粗，燈居然奇跡般地亮起來(lái)了，而且線條越粗，燈越亮，電流表的示數(shù)越大(圖10)。

圖10

師：這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

生：說(shuō)明電阻與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，導(dǎo)體的橫截面積越大，導(dǎo)體的電阻越小。

師：很好。通過(guò)剛才的體驗(yàn)，我們已經(jīng)得出了影響電阻大小因素的初步結(jié)論，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證我們的結(jié)論？

于是，同學(xué)們開(kāi)始討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

總結(jié)：通過(guò)新奇的實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，并得出初步的結(jié)論，然后再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，使學(xué)生思維更活躍，有效促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展。

4.4 質(zhì)疑創(chuàng)新，引領(lǐng)思維升華

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前，在生活中已經(jīng)積累了一些物理前概念，真正接觸物理后，其中的很多前概念會(huì)與科學(xué)認(rèn)識(shí)產(chǎn)生矛盾，這就需要引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑，轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。例如，在生活中人們把泡沫塑料塊丟在水里，它會(huì)漂浮在水面，把石塊放入水中，石塊會(huì)沉入水底。泡沫給人的印象是輕，石塊給人的印象是重，于是人們?cè)跐撘庾R(shí)里會(huì)得出以下結(jié)論：輕的東西浸入水中后會(huì)上浮，重的東西浸入水中后會(huì)下沉，漂浮的物體所受浮力大于沉底物體所受的浮力。

引導(dǎo)學(xué)生分析：如果從大石塊中砸下一小塊，再扔入水中，這個(gè)小石塊會(huì)沉下去，還是會(huì)浮上來(lái)？學(xué)生試了一下，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量很小的石塊丟入水中也會(huì)下沉。這就說(shuō)明“輕的物體會(huì)浮在水面”這個(gè)結(jié)論有問(wèn)題。然后再讓學(xué)生逐一分析其他結(jié)論是否正確，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。在探究的過(guò)程中，學(xué)生需要用稱重法測(cè)浮力，要學(xué)會(huì)根據(jù)浮力與重力的大小關(guān)系來(lái)研究浮沉問(wèn)題，最終得出結(jié)論：影響物體浮沉的關(guān)鍵因素是物體密度與水密度之間的大小關(guān)系。

在教學(xué)中，教師基于真實(shí)生活情境，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并引導(dǎo)學(xué)生探究問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，學(xué)會(huì)用科學(xué)的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究，提高批判性思維能力。

5 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)不是一朝一夕可以達(dá)到的，必須滲透到平時(shí)的教學(xué)中，教師要利用物理情境為學(xué)生的思維發(fā)展搭建平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)生思維能力的全面提升。