馬云秀

(蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

·教材與教法·

創(chuàng)設(shè)“問題鏈”驅(qū)動(dòng)課堂培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)
——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例

馬云秀

(蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例,根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念、課程總目標(biāo)和物理核心素養(yǎng)的要求,探索以生活經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),科學(xué)探究為核心,拓展應(yīng)用為落點(diǎn)設(shè)計(jì)“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué),探索培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的新路子．

科學(xué)思維; 科學(xué)思維品質(zhì); 問題鏈

科學(xué)思維品質(zhì)是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)涵之一．發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是高中物理教學(xué)的重要任務(wù),也是物理教師的崇高追求．物理教師如何將學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)的培養(yǎng)貫穿于物理教學(xué)活動(dòng)的全過程,是一個(gè)新的課題．問題是課堂的中心,教學(xué)離不開問題的設(shè)計(jì)．筆者嘗試通過創(chuàng)設(shè)“問題鏈”,引導(dǎo)學(xué)生把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種問題,在解決問題過程中進(jìn)一步提高學(xué)生的探究能力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)．

1 “問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的關(guān)系

首先要厘清思維與問題的關(guān)系．關(guān)于思維的本質(zhì),不同研究者有不同的認(rèn)識(shí),其中杜威對(duì)思維過程的解釋被奉為經(jīng)典．杜威認(rèn)為,思維的過程是一種事件的序列鏈．這一生產(chǎn)過程從反思開始移動(dòng)到探究,再到批判性思維,最后得到比個(gè)人信仰和想象更為具體的“可以證實(shí)的結(jié)論”．思維不是自然發(fā)生的,但是它一定是由“難題和疑問”或“一些困惑、混淆或懷疑”引發(fā)的．觀察者“手頭的數(shù)據(jù)不會(huì)提供解決方案;它們僅僅能夠給人啟示”．而正是對(duì)“解決方案的需要”,維持和引導(dǎo)著反思性思維的整個(gè)過程;問題的本質(zhì)決定了思考的結(jié)果,思考的結(jié)果控制著思維的過程．不難看出,杜威著重強(qiáng)調(diào)了問題之于思維的重要意義,思維的發(fā)生就是反思——問題生成——探究、批判——解決問題的過程．

其次,要厘清“問題鏈”和“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué)兩個(gè)概念．所謂“問題鏈”,就是教師為了實(shí)現(xiàn)一定的教學(xué)目標(biāo),根據(jù)學(xué)生的已有知識(shí)或經(jīng)驗(yàn),針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中將要產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的困惑,將教材知識(shí)轉(zhuǎn)換成為層次鮮明、具有系統(tǒng)性的一連串的教學(xué)問題;是一組有中心、有序列、相對(duì)獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)的問題．問題鏈?zhǔn)且粋€(gè)有機(jī)的教學(xué)整體,以鏈狀結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相扣,體現(xiàn)問題間的能級(jí)增益和學(xué)科思維的推進(jìn)深化．

“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué)不是教師問加上學(xué)生的答,而是師生雙方圍繞環(huán)環(huán)相扣的問題情境,進(jìn)行多元的、多角度的、多層次的探索和發(fā)現(xiàn)．“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué),是一種發(fā)展性教學(xué),是指教師精心設(shè)計(jì)真實(shí)的驅(qū)動(dòng)型問題,以問題貫穿整個(gè)教學(xué)過程,促使學(xué)生在設(shè)問和釋問的過程中萌生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)和欲望,在分析和解決問題的過程中,培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí),增加學(xué)生實(shí)踐的機(jī)會(huì),通過問題的解決,達(dá)到發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考能力與科學(xué)思維品質(zhì)的目的．

物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面構(gòu)成．而物理學(xué)科素養(yǎng)的核心是“科學(xué)思維”．“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)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(shí)方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)．科學(xué)思維品質(zhì),就是指主體在解決問題時(shí)能正確選用符合認(rèn)知規(guī)律的思維方式或方法進(jìn)行思維,以及在思維過程中所表現(xiàn)出的對(duì)問題解決具有積極性意義的品質(zhì)特征．

“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué)是提高學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的最重要、最有效的途徑．“問題鏈”的設(shè)計(jì)是關(guān)系整個(gè)教學(xué)成敗的關(guān)鍵．筆者嘗試以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例,以生活經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),科學(xué)探究為核心,拓展應(yīng)用為落點(diǎn)設(shè)計(jì)“問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué),探索出培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的新路子,取得了較好的實(shí)踐效果．

2 “問題鏈”驅(qū)動(dòng)教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)的案例教學(xué)與反思

2.1 以生活經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情境性問題鏈,提升學(xué)生思維的自主性

問題鏈1.

問題1:在日常生活中有很多能量相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例,請同學(xué)們利用提供的器材設(shè)計(jì)一些物理過程,體現(xiàn)過程中有能量的轉(zhuǎn)化．提供器材有:一端與小球相連接的彈簧,一端與金屬小球相連接的細(xì)繩,一端與塑料球相連接的細(xì)繩,彈弓,紙片,塑料刻度尺．

學(xué)生活動(dòng):有的學(xué)生設(shè)置了單擺模型,有的學(xué)生設(shè)置了豎直彈簧振子模型,有的學(xué)生設(shè)置了彈弓彈射紙片的模型,有的學(xué)生運(yùn)用彎曲的刻度尺彈射紙片,有的……

問題2:將小鐵球用一根不易形變的懸線懸掛,將小球拉離平衡位置并靜止釋放．小球從釋放處再擺至另一處最高點(diǎn)的過程中,有哪些能量參與轉(zhuǎn)化,如何轉(zhuǎn)化?

學(xué)生:下擺過程中重力勢能轉(zhuǎn)化為小球動(dòng)能,上擺過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能．

問題3:將小鐵球和塑料球分別用一根不易形變的懸線懸掛,將兩個(gè)小球均拉離平衡位置并靜止釋放．請仔細(xì)觀察它們的擺動(dòng)有什么不同特點(diǎn)．

學(xué)生:小鐵球來回?cái)[動(dòng)高度不變,塑料球來回?cái)[動(dòng)的高度越來越低．

問題4:小球來回?cái)[動(dòng)的過程中動(dòng)能和重力勢能的總量,稱之為機(jī)械能．那在擺動(dòng)過程中,小鐵球的機(jī)械能和塑料球的機(jī)械能是否變化?如何變化?為什么這樣變化?

學(xué)生:小鐵球的機(jī)械能不變,塑料球的機(jī)械能變?。?至于機(jī)械能為什么這樣變化,學(xué)生答不出來)

反思:問題鏈1從學(xué)生體驗(yàn)出發(fā),建立機(jī)械能的概念,理解動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,通過小金屬球與塑料球?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn),引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突,激活了學(xué)生的探究欲,促使學(xué)生進(jìn)一步去認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)機(jī)械能守恒定律,這樣的問題鏈實(shí)際上就是學(xué)生思維的啟動(dòng)鏈．事實(shí)證明,思維都是從直接經(jīng)驗(yàn)的情境中發(fā)生的．在課堂的導(dǎo)入階段教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,依據(jù)學(xué)生先前的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知,創(chuàng)設(shè)情境,在學(xué)生知識(shí)的不全面,方法的不知道,先前經(jīng)驗(yàn)的不了解等處精心設(shè)置疑問,使學(xué)生在心理上產(chǎn)生困惑(生疑),進(jìn)一步想突破認(rèn)知沖突(質(zhì)疑),進(jìn)而去發(fā)現(xiàn)、研究、探索(釋疑),從而開啟了學(xué)生的思維,培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維的自主性．

2.2 以科學(xué)探究為核心設(shè)計(jì)探究性問題鏈,提升學(xué)生思維的創(chuàng)造性問題鏈2.

圖1

問題1:如圖1所示,小金屬球從一定高度A點(diǎn)靜止釋放,做變速圓周運(yùn)動(dòng)．大家初步判定從A點(diǎn)擺至B點(diǎn)過程中小球機(jī)械能的總量是保持不變的．能否定量說明呢?

學(xué)生1:用直尺放在A點(diǎn)所在水平高度,作為參照物,觀察小球來回?cái)[動(dòng)是否到達(dá)同一高度．

學(xué)生2:測量小球每次經(jīng)過最低點(diǎn)B的速度,看大小是否總是相等,可以判斷經(jīng)過最低點(diǎn)的動(dòng)能是否總是相同．

學(xué)生3:測量小球經(jīng)過最低點(diǎn)的速度,算出小球的動(dòng)能,判斷小球從最高點(diǎn)A到最低點(diǎn)B減少的重力勢能mgh是否等于增加的動(dòng)能．

問題2:同學(xué)們從不同角度進(jìn)行定量判斷小球的機(jī)械能守恒,非常好．根據(jù)學(xué)生3的方法,需要測量哪些物理量?需要哪些實(shí)驗(yàn)器材?機(jī)械能如何用測量量表示?

學(xué)生實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,選取最低點(diǎn)B所在的平面為零勢面,用刻度尺量出A、B兩點(diǎn)間的高度,如圖3所示,用光電門測出小球經(jīng)過B點(diǎn)的速度,驗(yàn)證在誤差范圍內(nèi)減少的重力勢能mgh和增加的動(dòng)能是否相等．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)次數(shù)t1/s速度v/m·s-1最低點(diǎn)動(dòng)能Ek/J初始的重力勢能Ep/J10.01401.390.970.9820.01411.380.950.9830.01421.370.940.9840.01431.360.930.9850.01441.350.920.9860.01451.350.910.9870.01451.350.910.9880.01461.340.890.9890.01471.330.880.98100.01481.320.870.98110.01491.310.860.98120.01501.300.850.98130.01511.290.830.98140.01521.290.830.98150.01531.280.820.98160.01531.270.810.98170.01541.270.800.98180.01551.260.790.98190.01561.250.780.98200.01571.240.770.98

問題3:前面幾組數(shù)據(jù)能夠定量說明，在誤差允許的范圍內(nèi),小球A到B的過程中機(jī)械能總量保持不變．請大家理論證明,在不考慮阻力的情況下,小球擺動(dòng)過程中機(jī)械能守恒．

證明:根據(jù)動(dòng)能定理，有

根據(jù)重力做功與重力勢能變化的關(guān)系，有

WG=mgh1-mgh2，

可得

說明:對(duì)于基礎(chǔ)較差的學(xué)生可以設(shè)置問題,搭建腳手架,幫助學(xué)生思考．動(dòng)能的增量與什么力做功有關(guān),重力勢能減少量與什么力做功有關(guān)．

問題4:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明,小球在最低點(diǎn)的動(dòng)能越來越小,小球的機(jī)械能不守恒了,說明機(jī)械能守恒是有條件的,這個(gè)條件是什么?

問題5:為什么把小鐵球換成塑料球,在來回?cái)[動(dòng)過程中塑料球機(jī)械能明顯不守恒呢?

師生探討:塑料球所受阻力更大,不可忽略,阻力對(duì)球做了負(fù)功．

反思:問題鏈2有以下幾個(gè)教學(xué)功能: (1) 學(xué)生從不同角度設(shè)置實(shí)驗(yàn)說明小球在擺動(dòng)過程中機(jī)械能總量不變,培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性; (2) 問題的呈現(xiàn)過程,也是科學(xué)思維的過程,也是掌握科學(xué)思維方法的過程．通過問題鏈的思考,學(xué)生領(lǐng)悟了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的思考步驟:機(jī)械能與哪些物理量有關(guān),要測量哪些物理量,需要什么實(shí)驗(yàn)器材,裝置如何,數(shù)據(jù)如何處理等; (3) 培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神,讓學(xué)生明白特殊過程的結(jié)論不是規(guī)律,要探究一般過程也滿足,那才是規(guī)律; (4) 要理解機(jī)械能守恒的條件,光正面分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有通過問題正反兩面思考,引導(dǎo)學(xué)生客觀地考慮正反兩方面的論據(jù),才能讓學(xué)生真正理解機(jī)械能守恒的條件．

將這樣的問題鏈呈現(xiàn)在學(xué)生面前,學(xué)生雖然剛開始可能感到害怕,但他們通過對(duì)已學(xué)知識(shí)的分析,會(huì)發(fā)現(xiàn)自己可以解決,學(xué)生就會(huì)有熱情去解決此問題．這種問題鏈有利于學(xué)生整合現(xiàn)有知識(shí),主動(dòng)去進(jìn)行探索,建構(gòu)新知識(shí),掌握解決問題的方法;有利于啟發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)、獨(dú)立地去鉆研,養(yǎng)成勇于探索的精神．像這樣的問題鏈具有探究性,能激勵(lì)學(xué)生積極思索,大膽設(shè)想,達(dá)到鍛煉思維、發(fā)展智力目的．這樣的問題鏈被視為“有效教學(xué)的核心”,它是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的有效途徑．

問題鏈3.

問題1:在只有重力做功的情況下,機(jī)械能是守恒的;同樣作為勢能的彈性勢能也是機(jī)械能的一部分,是不是在只有彈力做功的情況下,機(jī)械能也守恒呢?

教師演示:與彈簧相連的滑塊在氣墊導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖4．

圖4

問題2:滑塊運(yùn)動(dòng)過程中能量如何轉(zhuǎn)化?

問題3:動(dòng)能和勢能的總和是否保持不變?能不能類比重力做功情況證明系統(tǒng)機(jī)械能守恒?

教師適當(dāng)加以輔助，再對(duì)彈簧與物塊的運(yùn)動(dòng)過程簡要分析,得出動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化關(guān)系,并明確在只有彈力做功的系統(tǒng)中機(jī)械能是物體和彈簧共有的．

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn),并討論怎樣證明彈力做功的時(shí)候,彈性勢能和動(dòng)能之和為定值．

學(xué)生討論后,很容易發(fā)現(xiàn):只需把上面推導(dǎo)中的“重力做功”改成“彈力做功”就可以推出,任意兩個(gè)狀態(tài)的彈性勢能和動(dòng)能之和相等,即機(jī)械能守恒．

問題4:剛才得到的結(jié)論如何完整地表述?

問題5:機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式怎么寫?機(jī)械能守恒的對(duì)象是什么?機(jī)械能守恒的條件是什么?

問題6:只有重力或彈力做功,能否換成只受重力或彈力?

反思:問題鏈3較好地突破了教學(xué)難點(diǎn),學(xué)生的知識(shí)在問題鏈的引導(dǎo)下,將有彈力做功的情況與有重力做功情況進(jìn)行類比,形成了知識(shí)的遷移鏈,提高了思維活動(dòng)的質(zhì)量．

2.3 以拓展應(yīng)用為落點(diǎn)設(shè)計(jì)診斷性問題鏈,提升學(xué)生思維的靈活性

問題鏈4.

問題1:下列實(shí)例中(除①外,都不計(jì)空氣阻力)，如圖5,哪些情況機(jī)械能守恒?說明理由．

① 跳傘員利用降落傘在空中勻速下落;

② 拋出的籃球在空中運(yùn)動(dòng);

③ 用繩拉著一個(gè)物塊沿著光滑斜面勻速上滑;

④ 光滑水平面上運(yùn)動(dòng)的小球碰到一個(gè)彈簧,把彈簧壓縮后,又被彈回來．

①

③

反思: ①、③兩種情況培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維,兩種情況都可以從兩個(gè)角度去分析,一個(gè)角度是從機(jī)械能的總量分析,根據(jù)跳傘員勻速下落,物塊勻速上滑動(dòng)能不變,而高度改變,重力勢能變化,機(jī)械能總量將發(fā)生改變;另一角度是從機(jī)械能守恒的條件分析,① 中由于有空氣阻力做功, ③ 中由于有拉力做功．② 符合機(jī)械能守恒條件．④ 強(qiáng)化對(duì)象,小球機(jī)械能不守恒,但小球和彈簧組成系統(tǒng)機(jī)械能守恒．

問題2:物體沿光滑斜面下滑機(jī)械能是否守恒?請定性畫出物體動(dòng)能、重力勢能和機(jī)械能隨下滑位移變化的圖像．

問題3:物體沿粗糙斜面下滑機(jī)械能是否守恒?請定性畫出物體動(dòng)能、重力勢能和機(jī)械能隨下滑位移變化的圖像，如圖6～8．(注:圖中1為斜面光滑,圖中2為斜面粗糙的情況．)

圖6

圖8

問題4:斜面光滑和粗糙兩種情況下物體動(dòng)能、重力勢能和機(jī)械能隨下滑位移變化有何相同和不同?為什么?

反思:這個(gè)問題鏈抓住了機(jī)械能守恒定律的得出過程,以及機(jī)械能守恒定律與其他功能關(guān)系的聯(lián)系和區(qū)別,通過對(duì)比問題的探究讓學(xué)生深刻理解動(dòng)能的變化與合外力做功有關(guān)(兩種情況合外力做功不同)、重力勢能的改變與重力做功有關(guān)(與其他受力無關(guān)),只有重力做功時(shí)物體重力勢能的減少量才等于動(dòng)能的增加量,機(jī)械能守恒,斜面粗糙,物塊重力勢能的減少量大于動(dòng)能的增加量,機(jī)械能不守恒．通過圖像讓學(xué)生更直觀形象地理解重力勢能和動(dòng)能變化跟哪些因素有關(guān),什么情況下才僅在在兩者間轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒．通過問題鏈,學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行反思、歸納、整理而走出教材．反思及診斷有利于學(xué)生弄清結(jié)論成立的前提,并能提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力．研究表明,圍繞教學(xué)內(nèi)容中的“三點(diǎn)一處”(即重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)和易錯(cuò)處),精心設(shè)計(jì)一些具有針對(duì)性的問題鏈,誘使學(xué)生反思,誘使學(xué)生充分展示思維,暴露錯(cuò)誤思維和差異思維,然后進(jìn)行教學(xué)會(huì)診,使學(xué)生在糾錯(cuò)和比較中,建構(gòu)知識(shí),培養(yǎng)技能,發(fā)展思維．事實(shí)上,允許學(xué)生犯錯(cuò)誤也是對(duì)其求異思維的保護(hù)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)．通過對(duì)失敗原因的探討及錯(cuò)誤思維過程的反思,可提高學(xué)生的思維的自我監(jiān)控能力,有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)．

1 王后雄.“問題鏈”的類型及教學(xué)功能———以化學(xué)教學(xué)為例[J]. 教育科學(xué)研究2010(5)：50-54.

2 錢毓平.高中物理課堂教學(xué)“問題鏈”的設(shè)計(jì)原則及其實(shí)驗(yàn)初探[J].物理教師，2016(10)：32-34.

3 沈偉云.基于科學(xué)思維品質(zhì)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略研究[J].物理教師，2016(9)：14-16.

2017-03-10)