創(chuàng)設(shè)單元情境問題發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力

王小明 田成良 李春雷

摘 要：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是高中物理課程的重要目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)單元統(tǒng)攝下的真實情境問題，學(xué)生在解決真實情境問題的過程中經(jīng)歷模型構(gòu)建、分析和推理，同時針對結(jié)果進行檢驗和修正，可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力.

關(guān)鍵詞：大單元;情境問題;科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0022-04

基金項目：北京市教育委員會科技計劃一般項目（項目編號：KM201810028022）;首都師范大學(xué)2021年本科教學(xué)建設(shè)與改革項目-初等教育學(xué)院;首都師范大學(xué)研究生教育項目.

作者簡介：王小明（1979-），女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學(xué)高級教師，中學(xué)特級教師，碩士生導(dǎo)師，物理教研員，研究方向：物理過程教學(xué)、物理科學(xué)方法教育、課堂教學(xué)藝術(shù);

李春雷（1979-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，副教授，研究方向：科學(xué)教育.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出“學(xué)科內(nèi)容要重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進學(xué)科核心素養(yǎng)落實”，這里要求學(xué)生學(xué)習(xí)以大概念為核心即在單元統(tǒng)攝下，解決真實情境下的真實問題，學(xué)生在此過程中，分析真實情境下的真實問題，經(jīng)歷物理模型的構(gòu)建，在構(gòu)建模型基礎(chǔ)上進行分析和推理，進而解決問題，同時還需要對分析的結(jié)果進行檢驗分析，在這樣的過程中提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.如何在大單元統(tǒng)攝下設(shè)置真實情境問題提升學(xué)生科學(xué)思維能力？本文以人教版必修二“拋體運動”單元為例，結(jié)合教學(xué)實踐，介紹教師如何創(chuàng)設(shè)單元情境問題促使學(xué)生在大單元統(tǒng)攝下的真實情境下解決問題從而提升科學(xué)思維能力的過程.

1 拋體運動單元規(guī)劃

1.1 教材分析

“拋體運動”這一章內(nèi)容是運動學(xué)和動力學(xué)知識在曲線運動中的應(yīng)用，是學(xué)生所學(xué)運動學(xué)和動力學(xué)知識的進一步拓展和延伸，通過對機械運動形式從簡單的直線運動到相對復(fù)雜的曲線運動以及物體做曲線運動原因的分析，逐步深化運動和相互作用觀念.本章內(nèi)容有模型的建立及分析推理過程，也有通過實驗獲取平拋運動特點的探究過程.通過這些內(nèi)容可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng).在本單元的學(xué)習(xí)過程中，要突出物理概念、規(guī)律的得出過程，用豐富的實例引導(dǎo)學(xué)生在事實經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，逐步經(jīng)歷抽象、概括、推理的思維過程.同時引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷先定性、后定量的一般認(rèn)識過程，也要關(guān)注科學(xué)思維方法的育人價值，引導(dǎo)學(xué)生逐步體會極限思想和等效思想.

1.2 單元目標(biāo)和重難點分析

本單元的目標(biāo)如下：

（1）通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件;

（2）通過實驗，探究并認(rèn)識平拋運動的規(guī)律;

（3）會用運動合成與分解的方法分析平拋運動，體會將復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想，能分析生產(chǎn)生活中的拋體運動.

本單元的教學(xué)重難點是做曲線運動條件的掌握，體會極限的思想研究做曲線運動物體的速度方向，通過情境分析，建立模型，通過理論和實驗結(jié)合，形成對運動的合成與分解的認(rèn)識;實驗分析中會記錄做曲線運動物體位置隨時間變化的信息，通過分析數(shù)據(jù)，得出規(guī)律;理論探究中矢量運算，先分解后合成，體會研究復(fù)雜運動的思想方法從而發(fā)展科學(xué)思維.

2 拋體運動單元結(jié)構(gòu)圖及情境任務(wù)

首先，教師要創(chuàng)設(shè)指向單元目標(biāo)的真實情境，在這樣的情境中設(shè)置統(tǒng)攝單元學(xué)習(xí)目標(biāo)的真實情境問題，學(xué)生在解決真實情境問題的過程中經(jīng)歷模型構(gòu)建、科學(xué)推理和論證等過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力.拋體運動單元的各部分內(nèi)容之間是循序漸進的邏輯關(guān)系，并且滲透了物理學(xué)的研究方法，本單元各節(jié)之間的邏輯關(guān)系如圖1所示.

根據(jù)本單元的核心知識，確定了單元情境任務(wù)和課時情境任務(wù)（見表1）.

3 單元視角下真實情境問題引領(lǐng)的教學(xué)實施促思維提升

在“拋體運動”單元中，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時高中學(xué)生對籃球運動都非常熟悉并且感興趣，也是體育課上的必修內(nèi)容，因此創(chuàng)設(shè)了這樣的大情境問題“如何提高籃球的命中率？”這個情境問題引出了本單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時也指向了本單元的問題核心.這樣的大情境問題既符合學(xué)生的認(rèn)知特點，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時對于學(xué)生而言，這個大情境問題也有一定的挑戰(zhàn)性.

3.1 情境任務(wù)一：如何描述籃球的運動

活動一：播放籃球比賽視頻，觀察視頻中籃球的運動軌跡和速度方向分別是什么？

問題1：物體做直線運動，速度方向在軌跡所在的直線上;籃球做曲線運動時，速度方向又是怎樣的呢？

問題2：怎樣確定籃球在不同位置的速度方向？

設(shè)計意圖：通過觀看籃球比賽視頻等曲線運動的物體實例，說明做曲線運動的物體的速度方向是時刻變化的.

問題3：實驗上如何探究做曲線運動物體的速度方向？從不同出口處滾出的小球留下的軌跡得到什么規(guī)律？

設(shè)計意圖：用一個具有普遍意義的曲線軌道進行實驗，說明小球在脫離軌道后運動沿切線方向.

問題4：理論上如何分析曲線運動的速度方向？

設(shè)計意圖：以上關(guān)于物體做曲線運動的速度方向分析，通過情境問題—猜想—實驗探究—理論探究—得出結(jié)論.這個過程重視物理結(jié)論形成過程的優(yōu)化，讓學(xué)生經(jīng)歷一遍科學(xué)知識的得出過程也是對學(xué)科科學(xué)素養(yǎng)提升的過程，更是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)的一部分，在這樣的過程中學(xué)生的科學(xué)思維能力得到提升.

問題5：拋出去的籃球為什么做曲線運動？物體做曲線運動可能跟什么因素有關(guān)？用實驗我們該如何探究？

設(shè)計意圖：分析做曲線運動的籃球的受力情況和初始條件，再經(jīng)過對比實驗分析物體做曲線運動的條件，得出物體做曲線運動的條件.

學(xué)生觀看籃球比賽視頻，知道曲線運動的瞬時速度方向，能運用極限思想理解瞬時速度方向，并能在軌跡圖上標(biāo)出，知道物體做曲線運動的條件，能運用運動的分解與合成的方法分析曲線運動.

3.2 情境任務(wù)二：如何分析籃球的運動

問題1：怎樣用位置和速度描述籃球所做的曲線運動？

問題2：怎樣用玻璃管中蠟塊的運動模擬兩個方向的分運動？

設(shè)計意圖：研究直線運動我們建立了坐標(biāo)軸，現(xiàn)在研究一段視頻中籃球的運動（如圖2）和蠟塊的運動，選擇平面直角坐標(biāo)系，仿照力的合成與分解的方法可以將物體在平面上的運動分解為互相垂直的兩個方向的運動進行研究.

通過運動的分解來研究復(fù)雜運動是高中物理中重要的思想方法，也是本節(jié)課的重點和難點，通過真實情境的體驗、演示、理論分析，讓學(xué)生經(jīng)歷運動的合成與分解思想分析過程，通過對籃球運動的合成與分解，形成把復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想.

3.3 情境任務(wù)三：如何通過實驗探究籃球的運動

問題1：平拋運動的軌跡是曲線，我們應(yīng)用什么方法來研究曲線運動？

問題2：平拋運動應(yīng)分解為哪兩個方向的運動？為什么？

問題3：根據(jù)豎直方向上的受力和運動情況，你認(rèn)為平拋運動在豎直方向上的分運動應(yīng)是什么運動？

問題4：若要證明你的結(jié)論，你需要哪些器材？如何操作？

設(shè)計意圖：學(xué)生閱讀教材，可以選用給出的實驗器材進行實驗探究，學(xué)生可以參照教材給出的實驗方案進行探究.在具體教學(xué)過程中，有的學(xué)生采用慢動作拍攝籃球運動的視頻，然后進行籃球運動的分析.在這樣的過程中，學(xué)生先猜想，然后確定實驗方案和研究對象，進而進行實驗并分析推理，加深了對所學(xué)運動合成與分解方法的理解.在這樣的過程中，不僅提升了學(xué)生的實驗探究能力，更是發(fā)展了學(xué)生科學(xué)思維的過程.

3.4 情境任務(wù)四：籃球的運動滿足什么規(guī)律

問題1：在籃球比賽中，你是否曾為沒有進球感到惋惜，你覺得提高定點投籃命中率應(yīng)該考慮哪些因素？

問題2：從拋出的籃球運動到最高點算起，并以此為坐標(biāo)原點，水平向右及豎直向下為兩坐標(biāo)軸的正方向，你能寫出速度表達式嗎？

問題3：籃球運動的軌跡方程是什么？如果初速度增大，軌跡形狀如何改變？如果初速度相同，在月球表面和地球表面投籃，有什么不同？

設(shè)計意圖：以投籃的軌跡為真實情境，分析拋體運動物體的受力特點，理解籃球做拋體運動的規(guī)律，認(rèn)識平拋運動中等效替代的思想和“化繁為簡”的思想，并能研究拋體運動.在整個分析過程中，學(xué)生以籃球為研究對象，進行運動的分析和推理，得出結(jié)論后，又從物理學(xué)角度深入理解軌跡也是對研究結(jié)論的驗證過程.

4 設(shè)計單元視角真實情境下的評價促進思維提升

單元視角下的真實情境問題解決的過程，評價已經(jīng)嵌入其中，當(dāng)然每個課時任務(wù)結(jié)束我們也可以根據(jù)課時教學(xué)目標(biāo)進行診斷，在“拋體運動”單元中，可以設(shè)置表2單元評價量表.學(xué)生在完成這樣的作業(yè)過程中，其實是根據(jù)所學(xué)的知識和方法，進行新的情境下問題的解決，在這樣的過程中，學(xué)生既是對所學(xué)知識的鞏固，也是再一次經(jīng)歷了模型構(gòu)建、分析推理的過程，這樣的過程不僅是對所學(xué)內(nèi)容的評價檢驗，也是再一次拓展提升，當(dāng)然也是發(fā)展科學(xué)思維的過程.新教材給我們提供了很多優(yōu)質(zhì)素材，我們在教學(xué)過程中要教會學(xué)生閱讀教材，發(fā)揮教材中例題和習(xí)題的作用.當(dāng)然，在單元學(xué)習(xí)完成后一定要回到我們最初設(shè)置的大情境，針對這個大情境可以讓學(xué)生提出一些新的問題，再次引導(dǎo)學(xué)生思考解決.

5 結(jié)束語

單元的大情境問題設(shè)計完成后，源于單元情境問題下的課時情境問題設(shè)計就顯得尤為重要，能引發(fā)學(xué)生積極參與且深度思考的問題設(shè)計可以提升學(xué)生的思維能力.在“如何提高投籃命中率？”這樣的單元情境問題中，學(xué)生在這樣的情境問題學(xué)習(xí)的過程中建構(gòu)單元知識，感受知識間的聯(lián)系，為解決更復(fù)雜的問題奠定基礎(chǔ).這樣的層層遞進的問題設(shè)計也促進學(xué)生主動思考，點燃學(xué)生思維的火花.

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們要將課堂教學(xué)從“教師的教”轉(zhuǎn)向“學(xué)生的學(xué)”，在單元統(tǒng)攝下的情境問題教學(xué)過程中，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生學(xué)情，確定單元學(xué)習(xí)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上確定單元目標(biāo)相應(yīng)的真實情境，并提出物理問題，根據(jù)真實情境下的物理問題設(shè)計學(xué)生活動和單元評價方案，最后根據(jù)課堂教學(xué)的實施情況再進行改進.學(xué)生在真實情境中解決真實問題的學(xué)習(xí)過程一定是有效的，真實情境下問題解決的過程也會激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過問題鏈的形式引導(dǎo)學(xué)生思考，整個過程對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維具有十分重要的意義.單元視角下的情境問題設(shè)計是以課程標(biāo)準(zhǔn)中要求掌握的知識為載體，讓學(xué)生在真實情境中經(jīng)歷問題解決的過程，在這樣的過程中，從實際問題到物理問題的構(gòu)建發(fā)展了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，充分體現(xiàn)物理學(xué)科的學(xué)科特點和育人價值.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]田成良，張亞明.真實情境下任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)實踐—以“串聯(lián)和并聯(lián)”為例[J].中學(xué)物理，2020，38（14）：53-56.

[3]趙錦程，劉馨.基于大概念的“1+X”問題群單元整合設(shè)計[J].中學(xué)生物學(xué)，2020，36（11）：75-76.

[4]崔允漷.學(xué)科核心素養(yǎng)呼喚大單元教學(xué)設(shè)計[J].上海教育科研，2019（04）：1.

[5]田成良.高考評價體系在高考試題中的體現(xiàn)及啟示——以2020年物理全國卷為例[J].物理教師，2020，41（08）：70-73+77.

（收稿日期：2021-04-28）