創(chuàng)設(shè)問題情境 啟迪學(xué)生思維

惠廣俊

(浙江省杭州第十四中學(xué),浙江 杭州 310006)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》2017版指出:在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)．創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用．物理概念的建立需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境,關(guān)鍵是創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)概念本質(zhì)特征的情境,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維;物理規(guī)律的探究需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問題情境,學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題,對(duì)問題的可能答案作出假設(shè),并根據(jù)問題情境運(yùn)用已有知識(shí)制訂探究計(jì)劃,選擇符合情境要求的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲取客觀、真實(shí)的數(shù)據(jù),通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論;應(yīng)用物理知識(shí)解決具體問題應(yīng)結(jié)合具體的實(shí)際情境,運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的高低,往往取決于學(xué)生將情境與知識(shí)相聯(lián)系的水平．[1]

問題是物理教學(xué)的核心．[2]高效課堂兩個(gè)最深刻的判斷標(biāo)準(zhǔn),一是學(xué)生參與的主動(dòng)性,二是學(xué)生思維的深刻性．有意義的學(xué)習(xí)活動(dòng)總是憑借一定的教學(xué)情境來實(shí)施的,學(xué)生對(duì)知識(shí)的感悟、乃至素養(yǎng)的提升也只有在與情境的互動(dòng)中才能達(dá)成．值得提倡的教學(xué)路徑是:情境→問題→探究→結(jié)論，即以情景引問題,以問題導(dǎo)探究,以探究求新知．

1 創(chuàng)設(shè)聯(lián)系生活的情境,開啟學(xué)生思維

“生活是教學(xué)的源泉,是科學(xué)世界的根基,教學(xué)只有聯(lián)系生活,走進(jìn)生活,才能使人真正體驗(yàn)和理解知識(shí)的內(nèi)在意義和價(jià)值．”[3]實(shí)際生活是學(xué)生學(xué)習(xí)的最好情境,它有助于學(xué)生感悟到物理就在自己身邊,形成從生活中學(xué)習(xí)、從實(shí)踐中學(xué)習(xí)的習(xí)慣,并養(yǎng)成把物理認(rèn)知應(yīng)用于解決生活問題的能力．

例如“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”教學(xué),我們可結(jié)合實(shí)際生活提出一些饒有興趣的問題引發(fā)學(xué)生思考．比如問:杭州到上海的高鐵以300 km/h的速度向前疾駛,你能跑得比它還快嗎?學(xué)生起初會(huì)哄堂大笑,感到不可思議,但通過積極思考,還是會(huì)想到,人只要在奔馳的高鐵上,朝著車行方向哪怕是慢慢地走,不就比高鐵跑得更快了嗎?這樣就很自然地引入同一直線上運(yùn)動(dòng)的合成與分解．

至于互成角度的運(yùn)動(dòng)合成與分解,同樣可借助于生活情境,如問學(xué)生:你在雨天應(yīng)怎樣撐傘才能避免淋濕?開始時(shí),不少學(xué)生會(huì)根據(jù)雨滴向下,人往右行,作出如圖1(a)所示的矢量合成,從而得出雨傘應(yīng)向后撐的結(jié)論．但這顯然與生活實(shí)際相悖,從而迅速激發(fā)了學(xué)生的思維．通過思考與討論,他們找到了問題的結(jié)癥所在:原來圖1(a)的v1與v2分別對(duì)應(yīng)的是雨滴和人,把這樣兩個(gè)不同對(duì)象的速度合成,猶如 “牛頭不對(duì)馬嘴”,自然是錯(cuò)誤的．

圖1

于是,學(xué)生根據(jù)同一性原則,以雨滴為對(duì)象,它相對(duì)于人是有豎直向下和水平向左兩個(gè)分速度v1與v2,可作出如圖1(b)所示的速度合成,從而得出正確的雨天撐傘方案．

生活化趣味經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)象是物理教學(xué)的一個(gè)個(gè)“開關(guān)”,聯(lián)系生活的問題情境可以快速地建立師生共同學(xué)習(xí)的“學(xué)習(xí)場”,貼近學(xué)生思維“最近發(fā)展區(qū)”,幫助學(xué)生快速從生活經(jīng)驗(yàn)建立物理認(rèn)知．

2 創(chuàng)設(shè)引發(fā)沖突的情境,激活學(xué)生思維

心理學(xué)上認(rèn)知沖突是指原有的認(rèn)知與新感受到的客體之間的對(duì)立性矛盾．創(chuàng)設(shè)的情境引發(fā)認(rèn)知沖突后,就會(huì)引起學(xué)生產(chǎn)生解決認(rèn)知沖突獲得心理平衡的動(dòng)機(jī),從而有效地激活學(xué)習(xí)動(dòng)因,使得學(xué)生的智力及其情感等方面因素迅速調(diào)動(dòng)起來,投入到新知的學(xué)習(xí)活動(dòng)中去．所以,高明的教師會(huì)充當(dāng)學(xué)生思想助產(chǎn)婆的角色,也會(huì)給學(xué)生“找麻煩”,設(shè)置實(shí)際情境,先 “問迷糊”再“教明白”是一種高明的教法．

引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突一般有兩種方法,一是設(shè)置知識(shí)陷阱,二是營造知識(shí)臺(tái)階．

圖2

例如“靜電平衡”教學(xué),為了驗(yàn)證處于靜電平衡狀態(tài)時(shí)導(dǎo)體的電荷分布規(guī)律,都會(huì)演示法拉第圓筒實(shí)驗(yàn)．如圖2,用拾電球分別與帶電金屬圓筒的內(nèi)、外表面接觸,再經(jīng)過驗(yàn)電器的檢驗(yàn),就可得出靜電平衡時(shí)導(dǎo)體電荷只分布在外部的結(jié)論．至此,一般的實(shí)驗(yàn)演示也就結(jié)束了．

為了使學(xué)生能對(duì)靜電平衡下導(dǎo)體電荷的分布規(guī)律有更深刻的理解,除了上述正面的演示實(shí)驗(yàn)外,我們還可以從反面補(bǔ)充一些實(shí)驗(yàn)．如圖3,導(dǎo)線的一端與拾電球相連,先問學(xué)生,若將導(dǎo)線的另一端與驗(yàn)電器接觸,驗(yàn)電器的箔片會(huì)張開嗎?多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為此時(shí)拾電球在圓筒內(nèi)部并不帶電,因而驗(yàn)電器的箔片也不會(huì)張開,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與之相反．這種反常的現(xiàn)象引起了學(xué)生極大的興趣,經(jīng)過深入思考與討論,最終做出了合理的解釋:原來拾電球雖然在圓筒內(nèi)部,但是與之相連的導(dǎo)線卻有一段處在圓筒的外部,于是就會(huì)有電荷的分布．

圖3

圖4

教師不要至此打住,要繼續(xù)營造沖突情境,如圖4,將帶有金屬長柄的拾電球先與帶電圓筒的內(nèi)壁接觸,取出后再問學(xué)生這時(shí)的拾電球帶電嗎?大家都肯定的回答不帶電,但與驗(yàn)電器接觸后箔片竟然張開.再次的意外使學(xué)生激起了又一波思維的高潮,通過細(xì)致地分析,他們終于找到了原因:由于金屬長柄的一部分露出筒外,相當(dāng)于帶電導(dǎo)體的外部,因此也就帶上了凈電荷．

如此設(shè)置知識(shí)陷阱,學(xué)生數(shù)次上當(dāng)?shù)慕?jīng)歷,使他們吃一塹長一智,不但加深了對(duì)靜電平衡導(dǎo)體電荷分布規(guī)律的理解和把握,還使他們懂得了觀察、分析物理現(xiàn)象不能光看外表形式,更要善于抓住實(shí)質(zhì),有助于學(xué)生的科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)與提高．

圖5

這究竟是為什么呢?學(xué)生陷入了極大的困頓之中,這時(shí)教師不妨提示:物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的,我們不妨做個(gè)實(shí)驗(yàn)來觀察一下吧．就在學(xué)生期待的目光中教師演示了如圖5的實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線以60°的入射角從玻璃射向空氣時(shí),竟然沒有折射光線的存在.這種新異的光學(xué)現(xiàn)象使學(xué)生激起了強(qiáng)烈的求知欲,進(jìn)而就積極地投入到新課題的學(xué)習(xí)之中．

巧妙設(shè)置沖突情境,促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知在不斷沖突中發(fā)展．如果下一個(gè)物理情境設(shè)置得當(dāng),引起學(xué)生對(duì)上一個(gè)任務(wù)結(jié)論的認(rèn)知沖突,不斷形成學(xué)生認(rèn)知沖突的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”,課堂高潮迭起,學(xué)生會(huì)積極地和教師一起參與質(zhì)疑、釋疑、共同進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)的過程,科學(xué)思維和科學(xué)探究能力得到提升．

3 創(chuàng)設(shè)引導(dǎo)探究的情境,深化學(xué)生思維

物理學(xué)家密立根有句名言:“科學(xué)靠兩條腿走路,一是理論,一是實(shí)驗(yàn)．有時(shí)一條腿走在前面,有時(shí)另一條腿走在前面．只有使用兩條腿,才能前進(jìn)”．他形象地說出了物理學(xué)科的特點(diǎn),就是在于“物”和“理”．“物”即事實(shí)證據(jù),以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行探究或檢驗(yàn)．“理”即理性思維,進(jìn)行以思維為中心的探究．

探究一般有兩種途徑,一是實(shí)驗(yàn)探究,二是理論探究．

理論探究的途徑在此不加贅述．在實(shí)驗(yàn)探究中,除了常規(guī)的提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獲取數(shù)據(jù)信息、基于證據(jù)得出結(jié)論等要素之外,充分運(yùn)用“實(shí)驗(yàn)變式”,是引導(dǎo)探究不斷深入、深化學(xué)生思維的好途徑．

例如在“靜電感應(yīng)”教學(xué)中,教師如果只進(jìn)行如圖6的操作,問“將電棒靠近枕型導(dǎo)體,我們觀察到枕型導(dǎo)體兩端的箔片都張開了,請(qǐng)大家判斷枕型導(dǎo)體兩端分別帶哪種電荷”.學(xué)生會(huì)基于初中所學(xué)的知識(shí)馬上判斷出“近異遠(yuǎn)同”．如果實(shí)驗(yàn)和問題到此為止,單一化的操作,一步到位的教學(xué),遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的探究功能,不利于學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象及本質(zhì)的理解,也難以激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性．

為此,我們可以做以下改進(jìn):針對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)器材,從不同角度創(chuàng)設(shè)探究情景,激發(fā)學(xué)生深度思考,通過不同的角度去認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的本質(zhì)．

圖6

實(shí)驗(yàn):如圖6,教師手持帶電棒,問能使枕型導(dǎo)體帶電嗎?(學(xué)生能回答出將帶電棒與導(dǎo)體接觸．)

實(shí)驗(yàn)變式1:如圖6,帶電棒與導(dǎo)體不接觸,能使導(dǎo)體帶電嗎?(學(xué)生猜測(cè),教師將帶電棒移近,但不與導(dǎo)體接觸,可見箔片張開)不接觸為什么箔片也張開?這時(shí)導(dǎo)體兩端各帶何種電?為什么?

實(shí)驗(yàn)變式2:如圖6,移走帶電棒,箔片為什么又重新閉合?

實(shí)驗(yàn)變式3:如圖7,帶電棒與導(dǎo)體不接觸,能使導(dǎo)體上始終帶上電嗎?(學(xué)生能討論出在移開電棒前先將枕型導(dǎo)體兩半分開)

實(shí)驗(yàn)變式4:如圖7不分割枕型導(dǎo)體,有辦法使它始終帶上電嗎?

其中,實(shí)驗(yàn)變式4對(duì)于學(xué)生有一定難度,為此教師可先以做如圖8的實(shí)驗(yàn)演示:用手指觸碰一下枕型導(dǎo)體再分開,然后移走電棒,則導(dǎo)體始終帶電．這實(shí)際上是通過實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型,即站在地面上的人與導(dǎo)體接觸,就相當(dāng)于將地球與原導(dǎo)體組成了一個(gè)“大的枕型導(dǎo)體”,再按實(shí)驗(yàn)前面的原理進(jìn)行分析即可．

圖7 圖8

物理知識(shí)是形成物理學(xué)科素養(yǎng)的載體,是不能直接轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的,實(shí)驗(yàn)探究才是形成學(xué)科素養(yǎng)的渠道．通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,把學(xué)生的思維引向問題最原始的出發(fā)點(diǎn),降低思維起點(diǎn),引向思維高點(diǎn),促進(jìn)學(xué)生從抽象思維轉(zhuǎn)化為形象思維、從感性思維轉(zhuǎn)化為理性思維．

4 創(chuàng)設(shè)拓展應(yīng)用的情境,活化學(xué)生思維

如果說實(shí)驗(yàn)器材是一出戲的道具,情境就是故事的情節(jié).這些實(shí)驗(yàn)可以編成一幕幕的連續(xù)劇.通過問題把劇情推向扣人心弦的高潮．在物理知識(shí)的應(yīng)用過程中,我們同樣可以做到以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以思維為中心，以舊知識(shí)為依據(jù),通過深層次的問題讓學(xué)生在情境中創(chuàng)新思考,探索新知,獲得解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn),同時(shí)發(fā)展創(chuàng)新解決問題的能力．

創(chuàng)設(shè)拓展應(yīng)用的情境,要關(guān)注以“問題鏈”的方式呈現(xiàn)問題,關(guān)注“問題鏈”間的邏輯張力,關(guān)注問題的創(chuàng)新解決．

例如“回旋加速器”的教學(xué),以前課堂中教師將教學(xué)目標(biāo)定位于帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的知識(shí)應(yīng)用實(shí)例,往往是教師作為講解員,以講為主,學(xué)生被動(dòng)聽講,看似聽明白了回旋加速器原理,但是不明白為什么粒子在回旋加速器中的最大動(dòng)能和加速電壓無關(guān)．為此,我們可以把教學(xué)目標(biāo)定位改為 “發(fā)明一種新型的粒子加速器”進(jìn)行教學(xué),步驟如下:

問題1:用什么方法可以加速帶電粒子?(設(shè)計(jì)目標(biāo):電場加速)

問題2:如何突破加速電壓的限制,使帶電粒子獲得更大的能量?(設(shè)計(jì)目標(biāo):多級(jí)加速)

問題3:對(duì)此方案(圖9)你發(fā)現(xiàn)有什么問題嗎?如何解決?(設(shè)計(jì)目標(biāo):靜電屏蔽,需解決兩個(gè)相鄰加速電場之間存在減速電場問題)

圖9

問題4:為使帶電粒子能夠一路都加速,電源AB端極性應(yīng)滿足怎樣的條件?(設(shè)計(jì)目標(biāo):交變電源)

圖10

問題5:如果電源極性改變的頻率不變,怎樣才能保證帶電粒子同步加速?(設(shè)計(jì)目標(biāo):同步條件)

問題6:如果只用一個(gè)電場,能否讓帶電粒子自動(dòng)返回,且實(shí)現(xiàn)多次加速呢?(設(shè)計(jì)目標(biāo):磁場回旋)

問題7:隨著帶電粒子速度和軌道半徑的增大,交變電源頻率要改變嗎?(圖10)(設(shè)計(jì)目標(biāo):同步條件)

問題8:為使帶電粒子獲得更高的能量,你在設(shè)計(jì)一臺(tái)回旋加速器時(shí),打算采取哪些措施?(設(shè)計(jì)目標(biāo):開放性問題、限制條件)

知識(shí)的拓展應(yīng)用情境中,通過有效“問題鏈”,促進(jìn)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化和升華,能形象的、具體的、有效地刺激和激發(fā)學(xué)生的想象與聯(lián)想,促進(jìn)學(xué)生形象思維與抽象思維的互動(dòng)發(fā)展,達(dá)到學(xué)以致用、還原思維、拓展思維、發(fā)展思維,創(chuàng)新解決問題的目的．學(xué)生會(huì)感覺到這不是在分析回旋加速,而是在發(fā)明創(chuàng)造一種新型加速器，也體會(huì)到解決問題的快樂.

5 創(chuàng)設(shè)促進(jìn)生成的情境,升華學(xué)生思維

愛因斯坦說:“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要,因?yàn)榻鉀Q問題也許僅僅是一個(gè)教學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已．而提出新的問題新的可能性,從新的角度去看舊的問題,都需要有創(chuàng)造性的想像力”．所以,要關(guān)注課堂生成的問題,要給予學(xué)生暴露問題的機(jī)會(huì)．學(xué)生如果做對(duì)了,有可能只是猜測(cè),學(xué)生如果做錯(cuò)了,那絕對(duì)是他的原創(chuàng)．學(xué)生的錯(cuò)誤也是重要的教學(xué)情境.

例如在“摩擦力”教學(xué)時(shí),在分析如圖11所示木塊所受的摩擦力時(shí),因?yàn)槟緣K的情境過于抽象,學(xué)生光靠想象難以進(jìn)行分析．我們可以把抽象的木塊情境更換成如圖12所示的學(xué)生體驗(yàn)情境,讓學(xué)生用兩手夾住若干冊(cè)書本,并沿上下、左右各個(gè)方向勻速移動(dòng)．然后思考:聯(lián)系本節(jié)課(摩擦力)所學(xué)知識(shí),你能夠提出哪些相關(guān)的問題?學(xué)生七嘴八舌,提出的可能問題有: (1) 夾在兩手間書本為什么不會(huì)滑落?(2) 書本所受摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)嗎?(3) 當(dāng)手壓書本的力增大時(shí),摩擦力也增大嗎?(4) 為使書本不滑落,手對(duì)書本的壓力至少要多大呢?計(jì)算這個(gè)問題還需要知道哪些條件?(5) 若每本書是一樣的,書本之間的摩擦力大小相等嗎?怎樣計(jì)算不同接觸面之間的摩擦力?……

圖11

圖12

學(xué)生回答問題的過程暴露對(duì)摩擦力的認(rèn)識(shí)觀念,學(xué)生如果回答錯(cuò)誤,不能夠區(qū)分動(dòng)摩擦力和靜摩擦力、沒掌握整體法和隔離法的受力分析,錯(cuò)誤的回答就又生成了新的問題,教師只要抓住這些課堂生成,就是抓住了這節(jié)課的重難點(diǎn)．

關(guān)注課堂生成,鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)不同意見,并加以討論、引導(dǎo)、評(píng)價(jià),減少教師提前預(yù)設(shè)情境中的既定問題,善于從學(xué)生的問題中挖掘資源,充分給予學(xué)生思考、討論和發(fā)表觀點(diǎn)的交流機(jī)會(huì),能充分暴露學(xué)生的思維問題,促進(jìn)學(xué)生及時(shí)修正錯(cuò)誤物理認(rèn)知,有助于物理觀念的快速形成．

物理問題情境創(chuàng)設(shè)中的“看、想、做、說、聽”等不同維度,讓學(xué)生“看”——理性觀察、讓學(xué)生“想”——體驗(yàn)邏輯推理的科學(xué)思維過程、讓學(xué)生“做”——體驗(yàn)科學(xué)探究活動(dòng)、應(yīng)用探究方法、讓學(xué)生“說”——外顯科學(xué)思維活動(dòng)過程、讓學(xué)生“聽”——接受同伴合作、交流、評(píng)估、反思與總結(jié),為多維度評(píng)價(jià)學(xué)生提供了多元視角．創(chuàng)設(shè)問題情境進(jìn)行教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑,是優(yōu)化教學(xué)過程實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的有效手段．通過創(chuàng)設(shè)有效的物理問題情境,進(jìn)行高效的學(xué)習(xí)活動(dòng),讓學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維、發(fā)展科學(xué)探究的能力、建立自己的物理觀念是物理教學(xué)的終極目的．