基于科學(xué)思維能力提升的問題情境設(shè)計策略

潘國盛

（鹽城市亭湖高級中學(xué)，江蘇 鹽城 224000）

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格，概括起來包含：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新.學(xué)生通過參與活動、習(xí)得知識、掌握技能，進(jìn)一步積極地嘗試方法，反思自己的認(rèn)知和理解過程.這樣的一個過程其實就是不斷提升思維能力的過程.而這樣的過程能否持續(xù)發(fā)生，主要依賴于問題情境的設(shè)計是否科學(xué)合理、適時有效.教師在教學(xué)中可以從以下4個方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計（圖1）.

圖1 問題情境設(shè)計策略示意圖

1 利用原始物理問題，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力

所謂原始物理問題，泛指自然界及社會生活、生產(chǎn)中未被抽象加工的涉及物理學(xué)科內(nèi)容的實際問題.它來源于客觀現(xiàn)實中的物理現(xiàn)象，只是對自然或社會現(xiàn)象客觀樸素的描述.在解決原始物理問題的過程中，學(xué)生需將現(xiàn)實的物理現(xiàn)象與物理知識相結(jié)合，根據(jù)解決問題的需要，抓住主要因素、忽略次要因素、排除無關(guān)因素、構(gòu)建理想的客體，即抽象出合理的物理模型.

例如在“超重和失重”這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，可以讓學(xué)生站在體重計上做上、下蹲動作，通過觀察體重計示數(shù)的變化來引入新課，學(xué)生從而建立起支持力和重力大小關(guān)系，形成超重和失重的定義.在“重力勢能”的教學(xué)中，可以從禁止高空拋物的警示牌或者高空拋物危害的新聞引入.從這一原始問題開始，學(xué)生開始思考一個很小的物體為什么會有那么大的破壞力，從而建構(gòu)重力勢能的概念.這類課堂引入的方式從一系列原始問題引入，不僅激發(fā)學(xué)生的興趣，更是讓學(xué)生體驗到從生活中發(fā)現(xiàn)問題、尋找解決問題的方法，經(jīng)歷解決問題的科學(xué)探究過程，在獲得知識的同時培養(yǎng)科學(xué)思維.

從這些原始物理問題中，學(xué)生經(jīng)歷了好奇、探索、分析、抽象等一系列過程，建立了基本的物理模型，從真實情境中總結(jié)出的知識模型對學(xué)生來說是終身受益的，比起直接告訴學(xué)生知識，知識建構(gòu)更能增強(qiáng)學(xué)生的能力.當(dāng)學(xué)生再次遇到同種類似情境時，可以再現(xiàn)這個模型的建立及探究過程，從而能夠達(dá)到思維方法遷移的效果.

2 設(shè)計逐步遞進(jìn)問題，發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理能力

科學(xué)認(rèn)識是一個由個別到一般又由一般到個別的反復(fù)認(rèn)識過程.通過個別認(rèn)識到一般認(rèn)識的主要思維方法是歸納，通過一般認(rèn)識到個別認(rèn)識的主要思維方法是演繹.科學(xué)思維是歸納與演繹的辯證統(tǒng)一.問題的構(gòu)造是一堂課的“靈魂”所在，學(xué)生與教師之間的互動是建立在探討問題基礎(chǔ)上的，教師必須充分依靠情境，在“學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)”設(shè)計出富有思維含量的問題，通過這些問題的解決，逐步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力.

例如，在“萬有引力”的教學(xué)中，可以通過設(shè)計層層遞進(jìn)的問題讓學(xué)生體驗萬有引力的推導(dǎo)過程.要得到太陽和行星間的引力大小表達(dá)式，你會建立怎樣的運(yùn)動模型？利用哪些物理規(guī)律進(jìn)行？學(xué)生會想到圓周運(yùn)動的向心力公式，從而得到行星運(yùn)動所需的向心力.對于上述表達(dá)式，我們能否通過天文觀測進(jìn)行驗證？學(xué)生根據(jù)開普勒的運(yùn)動規(guī)律可以觀察行星運(yùn)動的周期.力和距離之間存在怎樣的關(guān)系？力與距離的平方成反比，太陽對行星的作用力只與行星質(zhì)量有關(guān)嗎？怎么解決？學(xué)生從牛頓第三定律的角度出發(fā)，在引力性質(zhì)上，行星與太陽的地位完全相當(dāng)，從而得到力應(yīng)該與兩者質(zhì)量的乘積成正比.具體的教學(xué)過程可以這樣進(jìn)行.

師：（播放行星繞太陽運(yùn)行的視頻或動畫），大家現(xiàn)在看見的是什么場景？這些行星在做什么運(yùn)動？

生：看見了行星繞太陽運(yùn)動.

師：根據(jù)你的體會，你認(rèn)為太陽與地球的繞行關(guān)系是怎樣的？

生：地球圍繞太陽運(yùn)行.

師：是的，從地心說到日心說，確立了行星繞太陽運(yùn)行的模型.那么有誰能回顧一下開普勒三定律？

生1：所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點(diǎn)上.

生2：行星和太陽的連線在相等的時間間隔內(nèi)掃過的面積相等.

生3：行星繞太陽一周的時間平方與軌道長半軸立方成比例.

師：圓周軌道是橢圓軌道的特例，如果認(rèn)為行星是近似做圓周運(yùn)動，同學(xué)們能否簡化這三定律？

生1：太陽位于行星運(yùn)動的圓心.

生2：行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動.

生3：行星周期平方與軌道半徑3次方之比相等.

師：行星為什么會這樣運(yùn)動？

師：（播放歷史猜想），最終牛頓在前人奠定的基礎(chǔ)上，通過自己的分析運(yùn)算，得出了萬有引力.那么要得到太陽和行星間的引力大小表達(dá)式，你會建立怎樣的運(yùn)動模型？

生：構(gòu)建質(zhì)量為m的行星繞距離為r的太陽做勻速圓周運(yùn)動模型.

師：這樣的運(yùn)動模型遵循哪些物理規(guī)律？

生：圓周運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)規(guī)律和牛頓第二定律.

師：要求萬有引力F，該如何消除式子中的周期T？

生：運(yùn)用開普勒定律.

師：請大家進(jìn)行推導(dǎo)演算.

師：力和距離之間存在怎樣的關(guān)系？

生：和距離的平方成反比.

師：行星對太陽有引力嗎？你是怎么想的？

師：對于上述表達(dá)式，我們是否能夠通過天文觀測驗證？

生：上述實驗可以通過天文觀測證明，我們可以采用月地檢測證明.

師：如果有一天萬有引力突然消失，世界會發(fā)生什么變化？

生1：那可能我們的地球會直接“碎”掉.

生2：我們會飄起來.

生3：月球會離開我們.

通過問題的討論讓學(xué)生發(fā)生深度學(xué)習(xí)，這樣由表及里、由淺入深、循序漸進(jìn)的推理，提升了學(xué)生的推理能力.學(xué)生在逐步遞進(jìn)的一系列問題解決中，經(jīng)歷了思考、知識的聯(lián)系與應(yīng)用、追問，再思考解決問題的循環(huán)過程，發(fā)展了自己的推理能力和邏輯思維能力.

3 創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突問題，發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證能力

科學(xué)論證是科學(xué)思維的重要組成部分，其內(nèi)涵是利用證據(jù)建立科學(xué)的理由以支持科學(xué)主張.在物理教學(xué)中，對于一些“顯而易見”的結(jié)論，通過創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的問題，使學(xué)生產(chǎn)生對立的主張，讓學(xué)生經(jīng)歷質(zhì)疑、交流、探究，在理論證明或者實驗驗證的過程中，形成一致的主張，在這個過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力.

例如在實驗“探究碰撞中的不變量”的教學(xué)中，利用氣墊導(dǎo)軌結(jié)合光電門先后研究了3種形式的碰撞：動碰靜后分開（圖2）、對碰（圖3）、動碰靜后黏合（圖4）.

圖2 動碰靜后分開

圖3 對碰

圖4 動碰靜后黏合

通過研究“動碰靜后分開”，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)碰撞前后有兩個不變量，再通過“對碰”的研究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)仍然有兩個不變量.之所以這樣設(shè)計，是為了進(jìn)一步引起思維沖突——是不是所有碰撞中就真的存在兩個不變量？然后啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行“動碰靜后黏合”的實驗探究.通過探究，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)：只有mv之和保持不變.這樣設(shè)計既提高了學(xué)生利用實驗進(jìn)行科學(xué)論證的能力，也為后面彈性碰撞、非彈性碰撞的學(xué)習(xí)埋下了伏筆.

再例如在“自由落體”這一節(jié)課，首先討論了重的物體和輕的物體哪個下落得快？有些學(xué)生從生活經(jīng)驗出發(fā)會認(rèn)為重的物體下落得快，但是也有學(xué)生閱讀過相關(guān)史料，認(rèn)為兩者下落得一樣快，但是他們可能對其中的原因不是很了解.這時教師可以組織一場辯論，讓學(xué)生對自己觀點(diǎn)進(jìn)行實驗論證，教師還可以再提出一個觀點(diǎn)：輕的物體下落得快，這時學(xué)生一開始肯定哈哈大笑，認(rèn)為肯定不可能，然后教師開始做實驗驗證，將一張紙從處撕下，讓的紙展開下落，讓的紙揉成紙團(tuán)下落，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紙團(tuán)先落地.這時學(xué)生立馬會產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而就會開始認(rèn)真思考下落快慢到底與什么因素有關(guān).

通過創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突的問題，引發(fā)學(xué)生的思考，不僅能喚醒學(xué)生的求知欲望，而且這些問題的解決過程是學(xué)生提高科學(xué)論證能力的過程，是解決問題體現(xiàn)成功的過程.

4 引入適度開放問題，發(fā)展學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力

愛因斯坦在他晚年的時候提到教育時說到：教育的第一要義是要培養(yǎng)人的獨(dú)立思考和判斷綜合能力，而不是獲得某種特定知識.一個人只要掌握了學(xué)科的基本理論，并且可以獨(dú)立地思考、開展創(chuàng)新研究，那么他就一定可以獲得一番成就.高中時期，正是學(xué)生們思維開闊、充滿激情活力的時期，高中物理課程因為充滿了科學(xué)實驗和科學(xué)理論而成為了學(xué)生培養(yǎng)發(fā)散思維、鍛煉自主創(chuàng)新能力的重要載體.

開放性問題通常是指那些條件可以不完備、答案可以不唯一，并且能夠讓學(xué)生多角度、多層次進(jìn)行探索的問題.由于中學(xué)生知識與能力的限制，教師只能引入適度開放的問題.教師基于某一物理問題的信息源展開擴(kuò)散，基于多個維度創(chuàng)設(shè)情境以及開放性條件，進(jìn)而促使學(xué)生形成發(fā)散性思維，展開多途徑、多維度的思考，進(jìn)一步確保多種物理學(xué)方法以及知識點(diǎn)可以在實際問題處理中相互融合與貫通.在這一過程中，一定能夠發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力.

例如在高三第二輪復(fù)習(xí)課的時候，可以引導(dǎo)學(xué)生討論這樣一道題：一個物體受3個力作用做勻速直線運(yùn)動，現(xiàn)在撤去其中一個力，物體將如何運(yùn)動？說明運(yùn)動的形式以及對應(yīng)的條件.由于將“其他兩個力保持不變”這個條件刪去了，問題具有一定的開放性.學(xué)生一開始想法較為單一，可能會出現(xiàn)只考慮剩下兩個力的合力與速度方向同向、或相反的情況.但其他學(xué)生會質(zhì)疑，他們可能會考慮不共線等情況.學(xué)生在解決問題的過程中，充分運(yùn)用力的平衡、直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動、拋體運(yùn)動、擺線運(yùn)動等知識，加深了對力與運(yùn)動關(guān)系的理解，整合所有學(xué)生討論的結(jié)果，從力與運(yùn)動的關(guān)系角度進(jìn)行總結(jié)，拓展了思維廣度，對提升創(chuàng)新能力很有好處.具體的教學(xué)過程可以這樣展開.

師：請大家看這樣一道題：“一個物體受3個力作用做勻速直線運(yùn)動，現(xiàn)在撤去其中一個力，其他兩個力保持不變，物體將如何運(yùn)動？說明運(yùn)動的形式以及對應(yīng)的條件.”認(rèn)真讀題，請大家思考，這個問題的關(guān)鍵之處在哪？

生：考慮加速度方向和運(yùn)動方向的關(guān)系.

師：同學(xué)們思考回答.

生：物體在這3個力的作用下做勻速直線運(yùn)動，即平衡狀態(tài)，所以這3個力F1、F2、F3的合力為0.我們可以先合成F1、F2，記為F12，那么F3和F12是一對平衡力，在撤去F3后，物體僅受F12.這個力提供的加速度和F3的方向相反，大小由牛頓第二定律給出，若加速度和勻速直線運(yùn)動方向相同或者相反，則做勻變速直線運(yùn)動；若不共線，則做曲線運(yùn)動.

師：很好，請再看一道題：“一個物體受3個力作用做勻速直線運(yùn)動，現(xiàn)在撤去其中一個力，物體將如何運(yùn)動？說明運(yùn)動的形式以及對應(yīng)的條件.”

生：這里刪去了“其他兩個力保持不變”這一條件.

師：沒錯，這樣問題就更加開放，請大家思考作答.

在這樣的教學(xué)過程中，引入了 適度開放問題，在學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)上引發(fā)思考，體現(xiàn)了問題的價值，能夠發(fā)展學(xué)生的求異思維和創(chuàng)新思維.

科學(xué)思維是學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，科學(xué)設(shè)計問題情境是培育學(xué)生科學(xué)思維的有效手段.利用原始物理問題、設(shè)計逐步遞進(jìn)問題、創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突問題以及設(shè)置適度開放問題的問題情境設(shè)計策略，有利于學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)提升.