有效應(yīng)用情境教學(xué)法提升學(xué)生的科學(xué)思維

盧艷修　彭朝陽

【摘 要】“思維起于直接經(jīng)驗的情境。”在實際教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)情境是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑。本文以“圓周運動”的教學(xué)為例，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維為目標(biāo)設(shè)計教學(xué)任務(wù)，有效應(yīng)用情境教學(xué)法，通過創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境完成教學(xué)任務(wù)，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】情景教學(xué)法;教學(xué)任務(wù);科學(xué)思維;圓周運動

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標(biāo)識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2021）28-0244-04

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）指出：在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè);應(yīng)用情境教學(xué)法，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用;情境有助于學(xué)生理解物理概念、探究物理規(guī)律，有助于學(xué)生解決具體問題[1]。因此，在教學(xué)中應(yīng)用情境教學(xué)法是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方法之一。

1? ?情境教學(xué)法、科學(xué)思維概述

蘇聯(lián)著名教育家、心理學(xué)家贊可夫曾說：“教學(xué)法一旦觸及學(xué)生的情緒和意志領(lǐng)域，觸及學(xué)生的精神需要，這種教學(xué)法就能發(fā)揮高度有效的作用。”[2]所謂情境教學(xué)法，是指在教學(xué)中，教師有目的地引入或創(chuàng)設(shè)具有一定情緒色彩，以形象為主體的生動、具體的場景，以引發(fā)學(xué)生的熱情體驗，幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，并很好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，其核心在于激發(fā)學(xué)生的情感[3]。

基于文獻資料的查閱，情境教學(xué)的設(shè)計形式中最常見的有：生活情境、媒體情境、活動情境、實驗情境、問題情境、故事情境、人文情境等[4-5]。有效的創(chuàng)設(shè)情境，是情境教學(xué)中最為重要的問題。但在以往的教學(xué)中，情境教學(xué)法的使用具有明顯的缺點，如下面這個實際案例：有位教師在“力的分解”的教學(xué)中，先選用巧移大櫥的生活情境導(dǎo)入新課，但在隨后的教學(xué)中，教師按部就班地講解了相關(guān)知識點，學(xué)生默默地聽講和記筆記……[6]。該案例中存在的缺點：①新課導(dǎo)入后的教學(xué)棄情境而不顧;②“巧移大櫥”情境傾向考查學(xué)生對“力的分解”的運用，更適合用在鞏固教學(xué)中;③該情境的創(chuàng)設(shè)沒有精確依據(jù)教學(xué)任務(wù)，脫離了培養(yǎng)目標(biāo)。這些均導(dǎo)致情境與課堂教學(xué)相分離，沒有達到情境教學(xué)法的預(yù)期效果。因此，結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中的實施建議，情境教學(xué)法的使用應(yīng)遵循以下原則：①情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)依據(jù)教學(xué)任務(wù);②情境的創(chuàng)設(shè)要貫穿整個課堂教學(xué)。

科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的核心，是一個抽象概念，科學(xué)思維的培養(yǎng)通常是一個隱性過程，因此科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重點和難點。杜威曾提出：“思維起于直接經(jīng)驗的情境?！庇纱耍榫辰虒W(xué)法是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效方法。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，以科學(xué)思維的培養(yǎng)為目標(biāo)設(shè)計教學(xué)任務(wù)，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情境，完成教學(xué)任務(wù)，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

2? ?教學(xué)任務(wù)的設(shè)計

在傳統(tǒng)的物理概念教學(xué)中，經(jīng)常有這種情況：教師在長篇大論的敘述概念的定義，從文字到文字，從抽象到抽象，不僅使學(xué)生喪失了好奇心和求知欲，而且增加了學(xué)生對物理概念理解的難度。而情境的創(chuàng)設(shè)有利于概念教學(xué)，創(chuàng)設(shè)情境可以使學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識，從感性到理性，從形象到抽象，更利于學(xué)生對物理概念的內(nèi)化，能幫助學(xué)生突破重難點，同時培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

“圓周運動”是一節(jié)比較典型的物理概念教學(xué)課?！稑?biāo)準(zhǔn)》對“圓周運動”的要求是：會用線速度、角速度、周期描述勻速圓周運動?！皥A周運動”的教學(xué)重點是對描述勻速圓周運動快慢的物理量的理解，難點是推導(dǎo)線速度、角速度的關(guān)系。本文以“圓周運動”為例，結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，根據(jù)各教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)設(shè)計了科學(xué)思維要素的教學(xué)任務(wù)，如表1。

3? ?教學(xué)過程

3.1? 環(huán)節(jié)一：導(dǎo)入圓周運動

教學(xué)任務(wù)：知道圓周運動，列舉生活中常見的圓周運動。

生活情境：通過生活中學(xué)生最常見的交通工具自行車引入圓周運動，把自行車的后輪架起，轉(zhuǎn)動腳踏板。

問題：①請同學(xué)們觀察大、小齒輪和前、后輪的運動軌跡有什么共同的特點。②列舉生活中圓周運動的實例。

設(shè)計意圖：通過生活情境導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生好奇心和求知欲，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機，同時使學(xué)生獲得對圓周運動的感性認(rèn)識，這有利于學(xué)生對圓周運動概念的理解和內(nèi)化。學(xué)生通過歸納共性，鍛煉抽象、分析、綜合的思維能力;通過列舉實例，啟發(fā)建模思想。

3.2? 環(huán)節(jié)二：描述圓周運動的物理量

3.2.1? 圓周運動的物理量

教學(xué)任務(wù)：引入描述圓周運動的物理量。

活動情境：在自行車的大小齒輪邊緣的最高點和后輪邊緣的最高點做標(biāo)記，如圖1，將自行車后輪架起，轉(zhuǎn)動腳踏板。

問題：①哪個標(biāo)記點的運動更快一些？②同學(xué)們能說出判斷運動快慢的依據(jù)嗎？

學(xué)生觀察到：相同時間內(nèi)，小齒輪上的標(biāo)記點比后輪上的標(biāo)記點運動的弧長小，大齒輪上的標(biāo)記點比小齒輪上的標(biāo)記點轉(zhuǎn)動的角度小，如圖2。絕大多數(shù)的學(xué)生都會想到，可以用相同時間內(nèi)質(zhì)點運動的弧長和轉(zhuǎn)動的角度來描述圓周運動的快慢。

設(shè)計意圖：真實情境具有直觀性、生動性的特點，易于學(xué)生觀察。教師引導(dǎo)學(xué)生分析觀察到的現(xiàn)象，得到相同時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的弧長和角度可用來描述圓周運動的快慢，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，同時也培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的意識，學(xué)生能使用簡單和直接的證據(jù)表達自己的觀點[7]。

3.2.2? 線速度的概念、圓周運動的瞬時速度

教學(xué)任務(wù)：①應(yīng)用比值定義法得出線速度的概念。②應(yīng)用極限法分析推理圓周運動的瞬時速度。

問題情境：①（播放視頻）一條平直的高速公路上有兩輛行駛的汽車，我們怎么描述這兩輛車運動的快慢呢？又是怎么定義的呢？②能否用同樣的方法定義圓周運動的線速度？（可以同時演示自行車轉(zhuǎn)動后輪的情境，或者展示掛鐘）③（播放光電門測瞬時速度的視頻）小車在導(dǎo)軌上運動，怎樣測小車的瞬時速度？能否用同樣的方法推導(dǎo)圓周運動瞬時速度？

設(shè)計意圖：通過問題情境，應(yīng)用問題鏈的形式引出比值定義法和極限法。比值定義法和極限法均是學(xué)科方法，是包含抽象、分析、綜合的思維方法，也是科學(xué)思維顯性化的具體方法，以問題鏈的形式創(chuàng)設(shè)情境旨在深化學(xué)生的科學(xué)思維。物理學(xué)中類似比值定義法、極限法的學(xué)科方法還有控制變量方法、理想實驗方法等?！稑?biāo)準(zhǔn)》對這些方法都提出了具體要求，在教學(xué)中，教師應(yīng)多采取這些學(xué)科方法，以有效提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2.3? 角速度的定義式、概念和單位

教學(xué)任務(wù)：①類比線速度的定義推導(dǎo)出角速度的定義式及概念。②運用數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)角速度的單位。

問題情境①：轉(zhuǎn)動自行車腳踏板，觀察大、小齒輪上的標(biāo)記點轉(zhuǎn)動的角度，類比線速度的定義方法，思考如何定義角速度的大小？

學(xué)生通過對大、小齒輪上標(biāo)記點的運動，知道并理解根據(jù)相同時間內(nèi)，質(zhì)點轉(zhuǎn)動的角度大小可以用來比較角速度的大小。再類比線速度的定義方法，得出角速度的定義。

設(shè)計意圖：通過問題情境，學(xué)生先理解角速度的物理意義，再推導(dǎo)出角速度的定義式，這個思維過程與學(xué)生根據(jù)定義式來理解物理量的物理意義相比更有利于學(xué)生對角速度的理解和內(nèi)化。類比思維是一種具有擴展思維、激發(fā)思維深化的直觀思維形式，通過類比推理顯性化思維過程，提升學(xué)生的科學(xué)推理能力。

問題情境②：觀察秒針的運動，秒針轉(zhuǎn)動的角度與其對應(yīng)的弧長有什么關(guān)系？我們能否用弧長表示角度的大小呢？

學(xué)生推導(dǎo)出角度的另一單位是弧度（強調(diào)是國際單位），根據(jù)角速度的定義式得到角速度的單位是弧度每秒。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)問題情境，創(chuàng)設(shè)科學(xué)論證的情境，增強學(xué)生的科學(xué)論證意識。

3.2.4? 勻速圓周運動的快慢及相關(guān)物理量的關(guān)系

教學(xué)任務(wù)：①理解周期和轉(zhuǎn)速也可用來描述勻速圓周運動的快慢。②理解周期、轉(zhuǎn)速與角速度的關(guān)系。

故事情境：從前，鳥先生家里有一個已經(jīng)用了很久的鐘表。有一天，秒針伙同分針一起找到時針，對他說：“時針兄弟啊，你的工作好清閑啊，每天只需要慢悠悠地轉(zhuǎn)兩圈就好了，而我倆每天要轉(zhuǎn)上千圈、上萬圈呢！我們能不能互調(diào)一下，讓我們也享受一下?！?/p>

問題：在這個故事里，秒針、分針兄弟倆是如何描述他們工作的快慢呢？

絕大多數(shù)學(xué)生有兩個答案。第一個答案是：時針轉(zhuǎn)一圈的時間比分針、秒針的多。第二個答案是：一天內(nèi)，時針轉(zhuǎn)的圈數(shù)比分針、秒針轉(zhuǎn)的圈數(shù)少。學(xué)生的兩個答案都是正確的，因為第一個答案是從周期的角度解答的，第二個答案是從轉(zhuǎn)速的角度解答的。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)故事情境，同時引入周期和轉(zhuǎn)速的概念以及周期和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生對于同一故事情境從不同角度解答，鍛煉學(xué)生從不同角度思考物理問題的能力，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

3.2.5? 圓周運動

教學(xué)任務(wù)：知道圓周運動。

生活情境：展示掛鐘。

問題：掛鐘中時針、分針、秒針的運動都是勻速圓周運動，這種說法對嗎？

猜想：絕大多數(shù)學(xué)生說不對。

論證：指針做圓周運動，速度方向時刻在變，因為速度是矢量，既有大小又有方向，線速度時刻在變，因此，指針的運動不是勻速圓周運動。

由于不知勻速圓周運動的概念，學(xué)生的結(jié)論錯誤，但科學(xué)論證的方法和過程均正確。教師應(yīng)先對學(xué)生的分析論證進行表揚鼓勵，然后引出勻速圓周運動的概念，這里的“勻速”是指速率不變。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)生活情境，以糾錯的形式，學(xué)生能夠很好地理解“勻速直線運動”和“勻速圓周運動”中“勻速”的差異，加深對勻速圓周運動的理解;引導(dǎo)學(xué)生在判斷指針的運動是否為圓周運動時，無意識地經(jīng)歷科學(xué)論證的過程，在潛移默化中增強科學(xué)論證的意識。

3.3? 環(huán)節(jié)三：線速度與角速度的關(guān)系

教學(xué)任務(wù)：探究線速度和角速度的關(guān)系。

生活情境：觀察自行車大、小齒輪隨鏈條的運動（若自行車觀察不方便，可以播放大、小齒輪隨鏈條運動的視頻），思考齒輪邊緣一點的線速度和角速度之間可能存在的關(guān)系。

猜想：半徑相等時，線速度越大，角速度就越大;線速度相等時，半徑越小，角速度越大;角速度相等時，半徑越大，線速度越大。

論證：對于大齒輪，邊緣上的質(zhì)點的線速度越大，相等時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度越大;對于大、小齒輪邊緣上的質(zhì)點，線速度大小相等，相同時間內(nèi)小齒輪邊緣上的質(zhì)點轉(zhuǎn)動的角度大于大齒輪邊緣上質(zhì)點轉(zhuǎn)動的角度;對于小齒輪和后輪，角速度相等，相同時間內(nèi)小齒輪邊緣上的質(zhì)點運動的弧長小于后輪邊緣上質(zhì)點運動的弧長。

實證：運用數(shù)學(xué)知識，推導(dǎo)得出：v=wr。

設(shè)計意圖：通過生活情境，引導(dǎo)學(xué)生探究線速度和角速度的關(guān)系，可以減輕學(xué)生對新知識的陌生感，在熟悉的情境中加速知識的理解。同時，巧用生活情境使學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)論證過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，進而提升學(xué)生的科學(xué)思維。

3.4? 環(huán)節(jié)四：運用生活情境化試題，提升學(xué)生科學(xué)思維

教學(xué)任務(wù)：在新的情境中解決實際問題。

問題①：汽車后背箱一般都配有可伸縮的液壓桿，如圖3（a）所示，其示意圖如圖3（b）所示，可伸縮液壓桿上端固定于后蓋上A點，下端固定于箱內(nèi)O′點，B也為后蓋上一點，后蓋可繞O點的固定鉸鏈轉(zhuǎn)動，在合上后備箱蓋的過程中（? ?）。

A.A點相對O′點做圓周運動

B.A點與B點任意時刻相對于O點轉(zhuǎn)動的線速度大小相等

C.A點與B點任意時刻相對于O點轉(zhuǎn)動的角速度大小相等

設(shè)計意圖：此類聯(lián)系生活實際的情境化試題可以很好地考查學(xué)生綜合運用物理知識解決實際問題的能力。學(xué)生需要對生活情境進行加工，抽象為物理模型，再依據(jù)所學(xué)知識和思維方法進行綜合地分析推理，從而培養(yǎng)模型建構(gòu)能力和科學(xué)推理思維。

問題②：如何設(shè)計一個更省力、方便的變速自行車？

設(shè)計意圖：學(xué)生通過生活情境化試題的解答，真實地體會到物理知識在生活中的運用，這可以縮短學(xué)生對物理學(xué)科的距離感，同時激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生自豪感和成就感。通過開放性試題擴展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的核心，科學(xué)思維的培養(yǎng)是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，只有創(chuàng)新才能解決新的問題，科學(xué)才能不斷發(fā)展。在教學(xué)中，情境教學(xué)法既是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑，也是學(xué)生創(chuàng)新思維得到啟迪和提升的源泉，教師應(yīng)重視運用情境教學(xué)法，使學(xué)生真正體會到物理學(xué)于生活、用于生活。

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【作者簡介】

盧艷修（1995～），女，安徽宿州人，云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院2020級碩士研究生。研究方向：物理學(xué)科教學(xué)。

【通訊作者】

彭朝陽（1971～），男，江西安福人，云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師。研究方向：物理課程教學(xué)論和天體物理。