創(chuàng)設(shè)問題情境 發(fā)展科學(xué)思維

楊換換

【摘? 要】發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要教學(xué)目標(biāo)之一，也是教學(xué)改革的難點，因此，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維越來越受到教師的關(guān)注。創(chuàng)設(shè)問題情境在初中物理教學(xué)中已經(jīng)成為發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效載體，由此本文通過創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯栴}情境，在教師問題鏈的引導(dǎo)下促進(jìn)學(xué)生對知識的深刻理解，同時發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)思維;創(chuàng)設(shè)情境;初中物理

一、問題的提出

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，發(fā)展物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)問題情境對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力有關(guān)鍵作用。建構(gòu)物理模型是科學(xué)思維的重要內(nèi)容之一，因此，本文將問題情境的創(chuàng)設(shè)轉(zhuǎn)化為物理模型的建構(gòu)。

力學(xué)綜合題在初中物理學(xué)中是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點，學(xué)生認(rèn)為力學(xué)綜合題難學(xué)的主要原因：知識之間的聯(lián)系較多，出現(xiàn)的物理過程較多，需要較強(qiáng)的提取信息的能力和科學(xué)思維能力。雖然力學(xué)綜合題很難學(xué)，但它卻是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維很好的載體。

為此，本文以初中力學(xué)綜合題為例，以問題情境為探究的載體，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

二、教學(xué)設(shè)計思路

力學(xué)綜合題是初三物理的專題復(fù)習(xí)課，學(xué)生已經(jīng)有了力學(xué)的相關(guān)概念，但這些概念可能是零散的。筆者所在學(xué)校位于偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力普遍較弱。因此，筆者在仔細(xì)研讀課程標(biāo)準(zhǔn)和教材的前提下為解決力學(xué)綜合題，讓學(xué)生吃透簡單題，將力學(xué)知識聯(lián)系起來，把問題情境轉(zhuǎn)化為建構(gòu)物理模型，擬建立起學(xué)生處理力學(xué)綜合題的基本思維路徑，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

本文對物理教學(xué)過程進(jìn)行了優(yōu)化，其主要特征就是對學(xué)生的思維過程顯性化。教師以有層次、有梯度的問題鏈展開教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷將問題情境轉(zhuǎn)化為物理模型的過程，經(jīng)歷科學(xué)推理、科學(xué)論證等具體的思維活動。學(xué)生明確并經(jīng)歷這些思維活動，能夠提升自己的科學(xué)思維能力。

（一）問題情境為教學(xué)載體

以農(nóng)村蓋房子為例，如圖1所示，已知支架和繩子能承受的最大力是一定的，且已知拉力和沙子重力，如何計算動滑輪重力？為了保證安全，工人用此滑輪組可以達(dá)到的最大機(jī)械效率是多少呢？

學(xué)生對這樣的情境較為熟悉，但并不會分析這樣的實際問題，通過這樣的問題情境容易引發(fā)學(xué)生對生活實際問題的關(guān)注和思考。

（二）顯性化思維過程

以農(nóng)村蓋房子所用的滑輪組為主問題貫穿教學(xué)，將問題拆分成幾個問題鏈進(jìn)行分析，通過引導(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題發(fā)展思維能力。整體教學(xué)思維如圖2所示。

三、創(chuàng)設(shè)問題情境，發(fā)展科學(xué)思維

創(chuàng)設(shè)情境是解決具體問題的關(guān)鍵，通過問題的解決可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的養(yǎng)成。

（一）教師引導(dǎo)，總結(jié)解題方法

問題情境1：如圖3所示，人重550 N，繩子對人的拉力為250 N，根據(jù)人受力示意圖，求地面對人的支持力。

教學(xué)過程：

（1）提取關(guān)鍵信息，確定研究對象。

師：通過讀題找到此題中的研究對象。

生：是人。

（2）建構(gòu)物理模型。

師：將人隔離出來進(jìn)行受力分析。

生：如圖3所示。

（3）進(jìn)行科學(xué)推理。

師：請根據(jù)運動和力的關(guān)系列平衡式。

生：G=F+F支

（4）得出結(jié)論。

師：請你算出支持力的大小。

生：F支=G-F=550 N-250 N=300 N。

師生總結(jié)解題思路：提取關(guān)鍵信息將問題情境轉(zhuǎn)化為物理模型;列平衡式求未知。

師：請同學(xué)們思考繩子對人的最大拉力是多少？為什么呢？

生：是550 N，如果繩子拉力大于550 N，支持力為零，人會被拉到空中。

教師總結(jié)：我們學(xué)習(xí)了簡單力學(xué)題的基本解題方法，這個過程中體現(xiàn)了簡單計算題的基本思維路徑，希望同學(xué)們養(yǎng)成嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣。

設(shè)計意圖：在此教學(xué)過程中，將實際問題情境與物理知識相聯(lián)系，通過建構(gòu)物理模型，分析問題、科學(xué)推理從而解決問題，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

（二）利用所學(xué)方法解決簡單力學(xué)問題

問題情境2：如圖1所示，滑輪組懸掛在水平支架上，某工人站在水平地面上，豎直向下拉動繩子自由端，使物體A勻速上升。已知物體A重400 N，繩子對人的拉力為250 N，兩個滑輪質(zhì)量相等，不計滑輪組的繩重和摩擦。求：

（1）動滑輪的重力G輪。

（2）勻速提升物體A時，求出支架對定滑輪的拉力T。

教學(xué)過程：

師：請同學(xué)們根據(jù)剛才所學(xué)習(xí)的解決問題的方法計算本題。（15 min）

生：獨立思考（5 min），小組討論，分析、畫圖、計算得出結(jié)論。

小組代表展示結(jié)果。

生：（1）提取有效信息找到研究對象動滑輪G輪，將其隔離進(jìn)行受力分析，如圖4所示，根據(jù)運動和力的關(guān)系列平衡式：G輪+GA=2F。將平衡式變形求出動滑輪重力：G輪=2F-GA=2×250 N-400 N=100 N。

（2）同理：提取有效信息找到研究對象定滑輪G輪，將其隔離進(jìn)行受力分析如圖5所示，根據(jù)運動和力的關(guān)系列平衡式：T=G輪+3F。將平衡式變形求出支架對定滑輪的拉力：T=G輪+3F=100 N+3×250 N=850 N。

師：若支架能承受的最大力為1 600 N，那么此時繩子的拉力是多少呢？

生：將平衡式T=G輪+3F變形求繩子拉力F=（T-

G輪）/3=（1 600 N-100 N）/3=500 N。

教師總結(jié)：非常好，同學(xué)們通過獨立審題抓住關(guān)鍵信息，找到研究對象，建構(gòu)物理模型，分析推理得出了結(jié)論。同學(xué)們養(yǎng)成“一情境一圖，一圖一方程”的解題習(xí)慣，這個過程體現(xiàn)了建立模型和科學(xué)推理的過程。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過所學(xué)物理知識能夠獨立地經(jīng)歷提取信息—物理情境—物理模型—分析推理—得出結(jié)論的過程。此過程可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

（三）解決力學(xué)綜合問題

問題情境3：如圖1所示，農(nóng)村蓋房時，要把沙子裝到麻袋里（麻袋質(zhì)量不計，一次可裝重2 000 N的沙子），用滑輪組將沙子提升到屋頂。工地有2 t沙子，工人站在水平地面上，豎直向下拉動繩子自由端，使400 N的沙子勻速上升，提升過程中繩子的拉力為250 N。已知兩個滑輪質(zhì)量相等，不計滑輪組的繩重和摩擦。求：（1）求動滑輪的重力;（2）在保證安全的前提下，水平支架可承載力為1 600 N，繩能承受的最大拉力800 N，工人重550 N。求工人用此滑輪組可以達(dá)到的最大機(jī)械效率。

（1）通過提取關(guān)鍵信息，確定解題思路。

師：提取有效信息：支架可承受的最大力1 600 N，繩能承受的最大拉力800 N，工人重550 N，麻袋可裝的沙子的最大重是2 000 N。以上四種情況都害怕超過對應(yīng)的最大值，什么情況下就安全了呢？學(xué)生小組討論。

生：當(dāng)四種情況都安全的時候，整個裝置才能安全。

師：四種情況都不能超過最大值，那如何比較呢？我們求出四種情況對應(yīng)的繩子的最大拉力即可?，F(xiàn)在請同學(xué)們計算四種情況下繩子的最大拉力。學(xué)生小組討論。

（2）根據(jù)解題思路，交流討論，確定解題過程。

師：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)什么了嗎？這道綜合題其實就是以上幾個簡單題的綜合，一般力學(xué)綜合題難就難在物理過程較多，只需要將其拆分成一個個簡單題，再對比分析推理即可得出結(jié)論。

學(xué)生小組代表展示：繩能承受的最大拉力800 N，工人重550 N，繩子的最大拉力為550 N，在上題中支架承受最大力1 600 N時對應(yīng)的繩子的最大拉力為500 N。當(dāng)計算麻袋裝重不能超過2 000 N時對應(yīng)的繩子的最大力時，將動滑輪隔離受力分析如圖4所示，列平衡式：2F=G輪+GA。在上題中已經(jīng)求得動滑輪重G輪=100 N，計算出此時繩子的拉力為1 050 N。在保證所有情況都安全的前提下，繩子的最大拉力不能超過500 N。

師：在保證裝置安全的前提下如何計算最大機(jī)械效率呢？

生：繩子的最大力為500 N時，提升的沙子最重，算出機(jī)械效率最大。以動滑輪為研究對象列平衡式：G輪+GA=2F，計算此時物重為GA=2F-G輪=2×500 N-100 N=900 N。η=GA/nF=900 N/2×500 N=90%。

（3）教師總結(jié)：我們通過審題，抓住其中的關(guān)鍵信息，理清了解題思路，將知識與多個物理過程聯(lián)系起來，通過對比分析、類比推理等過程得出結(jié)論。這體現(xiàn)了建構(gòu)模型和科學(xué)推理的過程。

設(shè)計意圖：這是一道較為復(fù)雜的力學(xué)綜合題，意在讓學(xué)生知道復(fù)雜的力學(xué)綜合題一般是由多個簡單題組合而成，我們在計算時將復(fù)雜綜合題拆分成一道道簡單題。在保證安全的前提下，繩子怕斷、支架怕斷、人怕吊起來、麻袋怕破。當(dāng)繩子、支架、人、麻袋都安全的情況下才能保證裝置安全。引導(dǎo)學(xué)生考慮問題要全面，在解題過程中有建立物理模型、對比分析、類比推理等過程，學(xué)生將知識聯(lián)系起來解決實際問題，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力，落實了從物理走向社會的教學(xué)理念。

（4）應(yīng)用知識解決問題。

問題情境4：為了說明分子之間有引力，小明在實驗室用兩個緊壓在一起的鉛柱做實驗，如圖6所示，兩個鉛柱沒有被拉開，判斷小明做的鉛柱實驗?zāi)芊裾f明分子之間存在引力。請寫出推理過程。（該實驗室的大氣壓為1×105 Pa。）

物理模型建構(gòu)：將以上問題情境轉(zhuǎn)化為物理模型，以鉛柱B為研究對象，隔離受力分析（圖7）。鉛柱B受到自身重力GB和桶對其的拉力G桶，向上的大氣壓力F大氣和向上的分子間引力F引（不確定）。

科學(xué)論證過程：對此物理模型進(jìn)行分析，若大氣壓力F大氣大于或等于鉛塊B重力GB與桶重G桶的和，則僅靠大氣兩鉛柱也無法拉開，該實驗不能證明分子之間有引力;若大氣壓力F大氣小于鉛柱B重力GB與桶重G桶的和，則向上的重力除大氣壓力外還須有分子間引力，可以證明分子間存在引力。

在此過程中學(xué)生將問題情境轉(zhuǎn)化為物理模型，并對其進(jìn)行分析論證，這個過程可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

總之，在物理教學(xué)中，本文以物理情境為探究的載體，將物理情境轉(zhuǎn)化為物理模型，通過顯性化的科學(xué)推理或者科學(xué)論證過程得出結(jié)論。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生用所學(xué)物理知識解決實際問題，同時也有效培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維能力。

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