基于原始物理問題培養(yǎng)科學(xué)思維的探討

葛建光 滕建強(qiáng)

(江蘇省溧陽中學(xué),江蘇 常州 213300)

在傳統(tǒng)教學(xué)中,課堂追求知識的積累與傳遞的高效.在物理課堂中,教師常常以條件清晰、數(shù)據(jù)完善、結(jié)構(gòu)良好、經(jīng)人為加工過的問題為載體,引導(dǎo)學(xué)生推理演算,強(qiáng)化訓(xùn)練.這雖在一定程度上訓(xùn)練了學(xué)生的解題能力和熟練程度,但忽略了真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)、物理問題的提出和模型建構(gòu)的過程,弱化了學(xué)生主體地位與思維的生成,表現(xiàn)出淺層學(xué)習(xí)的傾向.

新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)“高中物理教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),要鼓勵學(xué)生從生活中積極發(fā)現(xiàn)和提出問題;引導(dǎo)學(xué)生從物理現(xiàn)象中分析事物的各個要素和結(jié)構(gòu),抓住事物的關(guān)鍵要素和本質(zhì)特征,建構(gòu)物理模型;引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題,增強(qiáng)問題解決和實(shí)踐創(chuàng)新的能力”.這就需要我們從真實(shí)的物理現(xiàn)象和實(shí)際情境出發(fā),為學(xué)生提供原始物理問題,引導(dǎo)學(xué)生分析思考、建立物理模型,通過科學(xué)推理和論證,實(shí)現(xiàn)問題解決,培養(yǎng)科學(xué)思維,從而促進(jìn)對物理學(xué)科本質(zhì)的理解,增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力.

1 原始物理問題解決與科學(xué)思維的關(guān)系

原始物理問題,是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映物理概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型物理現(xiàn)象和事實(shí).與加工后的結(jié)構(gòu)良好的問題相比,原始物理問題具有真實(shí)性、生態(tài)性、穩(wěn)定性、遷移性和開放性等特點(diǎn).它只是對客觀現(xiàn)象的描述,沒有任何程度的抽象,因此提供給學(xué)生的是一個真實(shí)開放的物理情境.

科學(xué)思維,是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)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(shí)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(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

在原始物理問題解決過程中,學(xué)生需要把生活中的物理現(xiàn)象經(jīng)文字、圖像提煉出相關(guān)的原始物理問題,再經(jīng)過分解、轉(zhuǎn)化、抽象、加工,變?yōu)槲锢砟Ｐ?這就是模型建構(gòu)過程;根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗(yàn),綜合運(yùn)用物理規(guī)律和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行演算、推導(dǎo),從而得出結(jié)論,這就是科學(xué)推理過程;利用已有的證據(jù)對得到的結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)、評價和提出新觀點(diǎn)、新思路、新方法,這就是科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新過程(如圖1所示).

原始問題教學(xué)為學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)提供了重要的范式.在物理課堂中,我們可以從真實(shí)的物理現(xiàn)象出發(fā),為學(xué)生呈現(xiàn)原始物理問題,引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型,通過科學(xué)推理和論證,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)問題解決,培養(yǎng)科學(xué)思維能力.以下通過具體案例,探討在高中物理課堂中基于原始物理問題培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)策略.

2 基于原始物理問題培養(yǎng)科學(xué)思維的策略

2.1 運(yùn)用“聯(lián)想—抽象”策略提升模型建構(gòu)能力

原始物理問題保留了物理現(xiàn)象的“原汁原味”,學(xué)生在面對這種信息復(fù)雜、客觀真實(shí)的物理情境時,很難找到可以直接參考的原型,也無法運(yùn)用定理、公式通過邏輯思維直接進(jìn)行推導(dǎo).在這種情況下,非邏輯思維作用凸顯.在課堂中,教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已知的事實(shí)和已有的知識經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用聯(lián)想、想象、猜測、類比、相似、外推等非邏輯的方法來對問題進(jìn)行探索;通過對物理現(xiàn)象和過程的分析,抓住其主要因素,忽略次要因素,抽象出研究對象的本質(zhì),從而建構(gòu)理想化的物理模型,確立物理研究的起點(diǎn).

案例1.“彈性碰撞和非彈性碰撞”教學(xué)片段.

活動1.提出原始問題.

教師播放臺球比賽視頻,并提出原始物理問題：白球撞擊彩球,為使彩球進(jìn)洞,臺球運(yùn)動員應(yīng)如何擊打白球?學(xué)生觀看比賽視頻后,自主分析,提出各自的觀點(diǎn).

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)教師通過展示臺球比賽過程,以直觀的物理現(xiàn)象吸引學(xué)生的注意力;同時,通過提出開放性的原始物理問題激發(fā)學(xué)生思考,訓(xùn)練學(xué)生的聯(lián)想和發(fā)散思維.

活動2.建構(gòu)物理模型.

教師組織學(xué)生開展小組合作、討論并設(shè)計(jì)解決方案.

學(xué)生設(shè)計(jì)方案白球擊打彩球類似于碰撞過程,應(yīng)該可以利用碰撞有關(guān)知識來解決.

教師針對方案引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析.

問題1：該過程涉及什么物理現(xiàn)象?你聯(lián)想到什么物理模型?

問題2：該模型可用什么物理方法解決?需要知道哪些物理量?

問題3：我們需要進(jìn)行一些理想化假設(shè)嗎?

問題4：你打算如何測量你所需的物理量呢?

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)首先通過開展小組合作,引導(dǎo)學(xué)生討論并設(shè)計(jì)解決方案,培養(yǎng)學(xué)生交流合作能力;同時針對學(xué)生給出的方案,引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想所學(xué)的物理模型,并以此為依據(jù)抓住問題的主要特征,抽象出問題的本質(zhì),通過加工和簡化,從而建構(gòu)理想化的物理模型.

活動3.加工賦值,形成物理習(xí)題.

根據(jù)方案中建構(gòu)的碰撞模型,教師將其加工為以下學(xué)生容易解決的具體的物理習(xí)題：在臺球比賽中,運(yùn)動員將白球迅速用力擊出,白球撞擊彩球,彩球進(jìn)洞(如圖2所示).若把球的碰撞近似看作一維彈性碰撞,不計(jì)摩擦.經(jīng)測量兩球質(zhì)量均為140 g,被撞后彩球用時0.025 s,運(yùn)動20.0 cm進(jìn)洞.試求：擊出后白球的速度多大?

圖2 白球撞擊彩球過程

學(xué)會根據(jù)彈性碰撞規(guī)律,自主進(jìn)行如下求解.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)教師基于學(xué)生建構(gòu)出的理想化模型,對相關(guān)物理量進(jìn)行賦值,加工為學(xué)生容易解決的具體的物理習(xí)題;教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的物理知識進(jìn)行演算和推導(dǎo),得出正確結(jié)論,從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生對原始問題的抽象與解決.

2.2 運(yùn)用“多元—論證”策略培養(yǎng)推理論證能力

以上方案的設(shè)計(jì)與解決促進(jìn)了學(xué)生問題解決能力的提升,但在某些情境中,即使針對同一問題,學(xué)生給出的方案也并不唯一.由于原始物理問題最初是沒有任何限制條件的,所以不同學(xué)生可能會建構(gòu)不同的物理模型,對此,教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生多元思考,鼓勵學(xué)生勇于展示和論證自己的觀點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的過程.

案例2.“理想氣體的狀態(tài)方程”教學(xué)片段.

圖3 熱杯倒扣吸水實(shí)驗(yàn)

活動1.提出原始物理問題.

教師演示熱杯倒扣吸水實(shí)驗(yàn)(如圖3所示).將熱的空玻璃杯倒扣在冷水中,發(fā)現(xiàn)杯內(nèi)水面很快上升,似乎被水杯吸了上來.針對此現(xiàn)象,教師啟發(fā)學(xué)生提出問題：這一現(xiàn)象的原因是什么?封閉氣體的3個狀態(tài)參量都發(fā)生了怎樣的變化?初末狀態(tài)是否存在定量關(guān)系?

活動2.建構(gòu)物理模型.

思考1：初態(tài)到末態(tài)的變化路徑可能是怎樣的呢?(這是一個不確定的問題,使學(xué)生意識到原始物理問題具有不確定性)

思考2：是否可以選擇一些特殊的路徑以方便推理?(控制一個變量,只讓兩個參量變化,將實(shí)際問題理想化,啟發(fā)學(xué)生建立理想化物理模型)

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用原始物理問題的不確定性引發(fā)學(xué)生的思維沖突,引發(fā)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的思考,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力.

活動3.多元—論證,解決問題.

圖4 氣體多種變化過程

活動4.多元—論證,方法凝練.

在物理課堂中,每位學(xué)生都會基于自身的知識經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)對原始物理問題的理解,提出不同的問題解決方案.無論哪一種解決方案,只要其思維方式是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒄撟C過程是基于科學(xué)證據(jù)的,那么它們都是對科學(xué)本質(zhì)的合理探究過程.因此,教師應(yīng)尊重學(xué)生思維,鼓勵學(xué)生發(fā)散思考,從而建構(gòu)多元的物理模型,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)推理和問題解決.

2.3 運(yùn)用“評價—改進(jìn)”策略培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

求出結(jié)果或得出結(jié)論并不是科學(xué)思維的終點(diǎn),結(jié)論的合理與否則需要進(jìn)一步科學(xué)論證.原始物理問題教學(xué)要求把結(jié)論與實(shí)際情況進(jìn)行比照檢驗(yàn),作出合理的評價,并根據(jù)評價結(jié)果提出改進(jìn)措施,使結(jié)果或結(jié)論與真實(shí)情況更加吻合.

案例3.“探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”教學(xué)片段.

活動1.評價教材提供的參考方案.

圖5 小球做平拋運(yùn)動的頻閃照片

思考：針對“平拋運(yùn)動有何特點(diǎn)?”這一原始物理問題,教材中給出了兩種探究方案.教材方案1通過一個小球做平拋運(yùn)動的頻閃照片,測量出相同時間間隔T內(nèi)的水平位移和豎直位移,進(jìn)而分析小球在水平和豎直方向分運(yùn)動的特點(diǎn)(如圖5所示).方案2先以步驟1(擊打彈性金屬片讓A、B兩小球同時分別做平拋運(yùn)動和自由落體運(yùn)動)來探究平拋運(yùn)動豎直分運(yùn)動的特點(diǎn)(如圖6所示),再以步驟2(從斜槽飛出的小球落在上下可調(diào)節(jié)的傾斜擋板上,擠壓背板留下印跡,平滑連接印跡)來探究平拋運(yùn)動水平分運(yùn)動的特點(diǎn)(如圖7所示).這兩個方案各有哪些優(yōu)點(diǎn)和不足?

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖

總結(jié)評價：方案1用頻閃照相技術(shù)確定小球在各個時刻的位置,偶然誤差小,精確度高.但由于缺少必要的對比參照,對小球在水平方向和豎直方向的分運(yùn)動的特點(diǎn)作出合理猜想,難度較大.方案2步驟1中將A、B兩球的運(yùn)動進(jìn)行對比,便于對平拋小球在豎直方向的分運(yùn)動的特點(diǎn)進(jìn)行猜想.不足之處是： (1) 由于兩球的運(yùn)動時間很短,難以準(zhǔn)確判斷它們是否同時落地; (2) 通過對比得到平拋運(yùn)動在豎直方向的分運(yùn)動的特點(diǎn)只是定性判斷,并非定量研究.方案2步驟2中實(shí)驗(yàn)直觀、可操作性強(qiáng),但為了確定小球經(jīng)過的多個位置,需多次調(diào)節(jié)擋板的高度,并將小球多次從斜槽同一點(diǎn)靜止釋放,這就增加了實(shí)驗(yàn)的不確定性,實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差相對較大.

活動2.提出探究平拋運(yùn)動特點(diǎn)的改進(jìn)方案.

思考：綜合分析上述兩個方案的優(yōu)劣,嘗試設(shè)計(jì)探究平拋運(yùn)動特點(diǎn)的改進(jìn)方案.

改進(jìn)方案1：在上述方案一的基礎(chǔ)上引入水平勻速運(yùn)動的球和豎直自由落體運(yùn)動的球作對比參照,得到頻閃照片(如圖8所示).這樣可以非常直觀地提出猜想：平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動是勻速運(yùn)動,豎直分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動.根據(jù)照片的比例測量各個頻閃周期T內(nèi)的水平位移與豎直位移,分析得到兩個方向分運(yùn)動的特點(diǎn).

圖8 實(shí)驗(yàn)頻閃照片

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置圖

改進(jìn)方案2：把上述方案2中的小球換成一個能同時向各個方向發(fā)射超聲波脈沖和紅外線脈沖的球A,在它運(yùn)動的平面內(nèi)安裝一個超聲紅外接收裝置B(如圖9所示).讓A球從斜槽某位置靜止釋放,裝置B記錄A球離開斜槽后各個時刻的位置,與之相連的計(jì)算機(jī)即時給出A的坐標(biāo)(如圖10所示).這樣便可以通過一次實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)所需的各種信息,避免了因多次實(shí)驗(yàn)帶來的偶然誤差,減小了實(shí)驗(yàn)的不確定性.

圖10 計(jì)算機(jī)顯示A的坐標(biāo)

設(shè)計(jì)意圖：在以上的教學(xué)案例中,通過“評價”環(huán)節(jié),鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑,反思已有方案的優(yōu)劣,從而提升學(xué)生綜合分析問題的能力;通過“改進(jìn)”環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生提出各種新的解決方案,從而提升學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合實(shí)踐能力.

3 結(jié)語

原始物理問題教學(xué)并不是為了得到一個所謂的正確答案或結(jié)論,而是旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和問題解決能力.因此,原始物理問題教學(xué)作為一種有效的教學(xué)策略,為教學(xué)的發(fā)展提供了一條有益的思路.教師通過綜合運(yùn)用“聯(lián)想—抽象”“多元—邏輯”和“評價—改進(jìn)”策略,引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、深入思考,使學(xué)生能夠在問題的不斷分析和解決中發(fā)展科學(xué)思維,理解學(xué)科本質(zhì),從而增強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力,提升物理核心素養(yǎng).