黃國龍

(寧波市鎮(zhèn)海中學(xué) 浙江 寧波 315200)

質(zhì)疑創(chuàng)新是物理科學(xué)思維核心素養(yǎng)中最高層次的核心素養(yǎng).高中物理教學(xué)中不僅要重視質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)培養(yǎng)，而且要積極探索有效的培養(yǎng)途徑和策略.筆者認(rèn)為，根據(jù)高中學(xué)生認(rèn)知水平和高中物理教學(xué)特點(diǎn)，高中物理創(chuàng)新內(nèi)容具有多元性，既有知識創(chuàng)新，又有方法創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新.根據(jù)高中物理創(chuàng)新內(nèi)容的多元性，在探究教學(xué)和創(chuàng)新教學(xué)理論指導(dǎo)下，構(gòu)建由具體質(zhì)疑創(chuàng)新教學(xué)情景、策略方法和教學(xué)環(huán)節(jié)組成的多元創(chuàng)新教學(xué)模式，是培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)的一個有效策略.本文就如何構(gòu)建實(shí)施物理多元創(chuàng)新教學(xué)模式來培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)做一探索.

1 構(gòu)建實(shí)施知識創(chuàng)新教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)

物理知識是在拓展應(yīng)用過程中通過不斷的質(zhì)疑和創(chuàng)新得到深化發(fā)展，對原有物理知識的質(zhì)疑有利于發(fā)現(xiàn)原有知識的局限性，發(fā)現(xiàn)和提出新的探究問題，運(yùn)用科學(xué)探究和創(chuàng)新思維是實(shí)施知識創(chuàng)新的有效策略.模擬物理知識創(chuàng)新過程，構(gòu)建實(shí)施知識創(chuàng)新教學(xué)模式，能有效地培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng).

1.1 知識創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建

知識創(chuàng)新教學(xué)模式教學(xué)流程如圖1所示，特點(diǎn)是：在科學(xué)探究教學(xué)理論指導(dǎo)下，以類科學(xué)探究為主線，根據(jù)學(xué)生原有知識基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)知識拓展應(yīng)用情境，學(xué)生探究解答拓展問題，運(yùn)用質(zhì)疑方法導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)、提出問題，然后進(jìn)行理性分析和科學(xué)猜想，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)(理論)驗(yàn)證(論證)猜想，實(shí)現(xiàn)物理知識創(chuàng)新.運(yùn)用質(zhì)疑方法導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)、提出問題，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑核心素養(yǎng)；運(yùn)用創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法，提出猜想、驗(yàn)證(論證)猜想，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新核心素養(yǎng).

圖1 知識創(chuàng)新教學(xué)流程

1.2 知識創(chuàng)新教學(xué)模式重要實(shí)施策略分析

運(yùn)用質(zhì)疑方法導(dǎo)致悖論，發(fā)現(xiàn)、提出問題.把握運(yùn)用質(zhì)疑方法發(fā)現(xiàn)、提出問題是培養(yǎng)質(zhì)疑核心素養(yǎng)的關(guān)鍵.常用質(zhì)疑方法有：運(yùn)用特殊化方法(從特殊情形下進(jìn)行推理)導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題；運(yùn)用推廣方法(把原有知識應(yīng)用到更一般情形)導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題；運(yùn)用對稱思維(選擇不同參考系)導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題；運(yùn)用實(shí)踐方法(推理結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H比較)導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題；運(yùn)用多角度思維(運(yùn)用不同解法)導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題.

創(chuàng)設(shè)猜想情境，運(yùn)用猜想方法提出猜想.猜想過程也是一個創(chuàng)新過程，是培養(yǎng)創(chuàng)新核心素養(yǎng)的重要途徑.創(chuàng)設(shè)知識性、方法性、實(shí)踐性、哲理性猜想情境，分析悖論原因，運(yùn)用常用的猜想方法(一般化方法、類比方法等)提出猜想是提高猜想正確性、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新核心素養(yǎng)的有效策略.

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，運(yùn)用理論論證猜想.針對提

出的猜想，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想.制訂論證方案，運(yùn)用原有物理理論和創(chuàng)新思維方法論證猜想.驗(yàn)證(論證)猜想過程中培養(yǎng)學(xué)生能從多個視角審視檢驗(yàn)結(jié)論的創(chuàng)新核心素養(yǎng).

1.3 知識創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)施案例分析

案例分析1：動生電動勢規(guī)律的質(zhì)疑創(chuàng)新教學(xué).

原有知識:學(xué)生把握了導(dǎo)體棒垂直切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生動生電動勢公式

ε=Blv

拓展問題: 如圖2所示，水平金屬導(dǎo)軌間距為l，導(dǎo)軌左端接有阻值為R的電阻，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒垂直跨接在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻均不計.矩形區(qū)域內(nèi)勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.當(dāng)磁場以速度v勻速向右移動時，導(dǎo)體棒始終在磁場區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)體棒受到大小為f的恒定阻力.試求導(dǎo)體棒運(yùn)動的最大速度.

圖2 拓展問題題圖

探究解答:部分學(xué)生探究解答為

由

得導(dǎo)體棒的最大速度

導(dǎo)致悖論，提出問題:學(xué)生運(yùn)用特殊化方法導(dǎo)致悖論：當(dāng)f=0時，vm=0.但事實(shí)上，當(dāng)磁場運(yùn)動時，通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)體棒上有感應(yīng)電流受磁場力作用而運(yùn)動，vm≠0，從而導(dǎo)致“最大速度”悖論.這個悖論表明ε=Blv的局限性，教師再引導(dǎo)學(xué)生提出新的探究問題：“磁場運(yùn)動情形下ε=Blv中v的含義是什么？”

提出猜想:教師運(yùn)用特殊化思維創(chuàng)設(shè)猜想情境：當(dāng)棒的運(yùn)動速度與磁場運(yùn)動速度相同時，相對速度為零，沒有切割磁感應(yīng)線，動生電動勢為零.在此基礎(chǔ)上學(xué)生提出一般化猜想：磁場運(yùn)動情形下，切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生的動生電動勢公式為ε=Blvr,vr為導(dǎo)體棒相對磁場切割速度.

論證猜想:學(xué)生運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律論證猜想：導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上以v′速度也水平向右運(yùn)動.探究t時間導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(vr為相對磁場的切割速度).

知識創(chuàng)新:探究創(chuàng)新適用范圍更一般的切割運(yùn)動磁場產(chǎn)生動生電動勢規(guī)律ε=Blvr，揭示了新舊動生電動勢公式之間一般與特殊關(guān)系.

學(xué)生運(yùn)用特殊化質(zhì)疑方法導(dǎo)致悖論發(fā)現(xiàn)問題，揭示原有動生電動勢公式局限性，培養(yǎng)質(zhì)疑核心素養(yǎng).運(yùn)用特殊化和一般化方法提出切割運(yùn)動磁場產(chǎn)生動生電動勢猜想，通過理論分析論證猜想，把握科學(xué)探究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新核心素養(yǎng).

2 構(gòu)建實(shí)施方法創(chuàng)新教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)

物理方法對于探究物理知識、解決物理問題起著十分重要的作用.傳統(tǒng)教學(xué)中，缺乏引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方法產(chǎn)生和創(chuàng)新的探究過程，往往把方法當(dāng)作知識進(jìn)行傳授，從而使方法知識化，不利于學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng).

在物理教學(xué)中，應(yīng)模擬方法產(chǎn)生、創(chuàng)新過程，構(gòu)建實(shí)施方法創(chuàng)新教學(xué)模式來有效培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng).

2.1 方法創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建

方法創(chuàng)新教學(xué)模式教學(xué)流程如圖3所示，特點(diǎn)是：在學(xué)生原有方法基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)問題情境，展示學(xué)生探究解答過程，運(yùn)用質(zhì)疑方法發(fā)現(xiàn)探究解答存在問題，揭示原有方法局限性，運(yùn)用創(chuàng)新思維方法探究新的方法解決問題，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)目標(biāo).

圖3 方法創(chuàng)新教學(xué)模式教學(xué)流程

2.2 方法創(chuàng)新教學(xué)模式重要實(shí)施策略分析

創(chuàng)設(shè)問題情境:教師根據(jù)學(xué)生認(rèn)知中原有方法(探究方法、思維方法、具體解題方法等)，創(chuàng)設(shè)新的問題情境.新的問題應(yīng)揭示原有方法的局限性，同時隱含了新的方法.

學(xué)生探究解答:學(xué)生運(yùn)用原有物理知識和方法探究解答新的問題，充分暴露思維過程，為后繼質(zhì)疑創(chuàng)新打下基礎(chǔ).

質(zhì)疑發(fā)現(xiàn)問題:引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用特殊化、多角度思維、逆向思維、對稱思維等質(zhì)疑方法發(fā)現(xiàn)探究解答中存在問題，質(zhì)疑原有方法的正確性和適用性，激發(fā)學(xué)生探究普適、簡潔新方法的動機(jī)，培養(yǎng)質(zhì)疑核心素養(yǎng).

創(chuàng)新解決問題:分析探究解答錯誤、失敗的原因，運(yùn)用創(chuàng)新思維方法(類比方法、數(shù)學(xué)方法、等效方法、微元累加方法、對稱方法等)創(chuàng)新解答新的問題，構(gòu)建新的方法結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)創(chuàng)新核心素養(yǎng).

2.3 方法創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)施案例分析

案例分析2：“帶電粒子在磁場中運(yùn)動最大速度”的質(zhì)疑創(chuàng)新教學(xué).

問題情景: 如圖4所示，一個質(zhì)量為m，帶+q電荷量的帶電小球，從磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中A點(diǎn)由靜止開始下落，不計阻力.試求：帶電小球下落的最大高度h和最大速度vm.

圖4 問題情景題圖

探究解答:部分學(xué)生認(rèn)為小球軌跡如圖5所示,到達(dá)最低點(diǎn)后沿水平方向做勻速直線運(yùn)動.

圖5 小球運(yùn)動軌跡

小球運(yùn)動最大速度滿足

解之

質(zhì)疑發(fā)現(xiàn)問題:學(xué)生運(yùn)用多角度思維和逆向思維方法來質(zhì)疑上述解答，發(fā)現(xiàn)原有解答存在問題.

質(zhì)疑1：假若上述解答正確，則按曲線運(yùn)動考慮,小球在兩個運(yùn)動軌跡的交接處所受的合力不為零；按直線運(yùn)動考慮，所受的合力應(yīng)為零.事實(shí)上，在兩個軌跡交接處，速度不變，受到洛倫茲力不變，所受的合力不變.這個矛盾表明上述構(gòu)建的小球運(yùn)動軌跡是錯誤的.

質(zhì)疑2：根據(jù)運(yùn)動可逆性，如果磁場方向相反，帶電小球在勻強(qiáng)磁場中向左做勻速直線運(yùn)動，由于受力情況不變，不會出現(xiàn)某一位置做如圖5所示的曲線運(yùn)動.這個矛盾表明上述構(gòu)建的小球運(yùn)動軌跡是錯誤的.

創(chuàng)新探究解答:學(xué)生協(xié)作交流，參考相關(guān)資料探究如下3種創(chuàng)新方法.

方法1(微元方法)：小球到達(dá)最低點(diǎn)時豎直方向速度為零，水平方向分速度為最大vm，水平方向受到?jīng)_量為

Ix=∑qvyBΔt=qB∑vyΔt=qBSy

列出qBSy=mvm.小球下落到最低點(diǎn)過程中滿足

解得小球下落最大高度

最大速度為

方法2(數(shù)學(xué)方法)：令小球到達(dá)最低點(diǎn)時速度為v，軌跡曲率半徑為ρ，滿足

化簡得

要使v為最大，則必須滿足

解得最大速度為

再結(jié)合

通過查詢移動閱讀共詞網(wǎng)絡(luò)聚類圖譜中各關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)列表（citation history功能），并結(jié)合聚類詳細(xì)結(jié)果（見表4）中的代表性關(guān)鍵詞、高頻關(guān)鍵詞、突發(fā)性關(guān)鍵詞，可綜合分析出6個聚類分別代表的熱點(diǎn)研究內(nèi)容。

解得下落最大高度為

方法3(等效方法)：虛構(gòu)小球有兩個大小相等、方向相反的水平初速度v01，v02，現(xiàn)使小球分運(yùn)動v01產(chǎn)生的洛倫茲力與所受的重力平衡，即

因而小球的運(yùn)動可視為水平方向以v01勻速直線運(yùn)動和在豎直平面內(nèi)以另一v02沿逆時針方向的勻速圓周運(yùn)動組成的復(fù)合運(yùn)動.勻速圓周運(yùn)動的半徑為

豎直方向下落最大高度為圓周直徑

最大速度為兩個分運(yùn)動速度之和，即為

上述方法質(zhì)疑創(chuàng)新教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)歷了從錯誤解答→質(zhì)疑發(fā)現(xiàn)問題→方法1(微元方法)→方法2(數(shù)學(xué)方法)→方法3(等效方法)的質(zhì)疑與創(chuàng)新過程，從錯誤到正確，從常規(guī)到創(chuàng)新，不僅把握了解答帶電體在復(fù)合場中運(yùn)動的多種方法，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng).

3 構(gòu)建實(shí)施實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式 培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)施過程中滲透了較多的質(zhì)疑和創(chuàng)新因素，很多重要實(shí)驗(yàn)的成功設(shè)計與實(shí)施不僅驗(yàn)證了科學(xué)猜想、測量重要的物理量，而且展示了物理學(xué)家的質(zhì)疑批判和實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技法的創(chuàng)新過程.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)的重要領(lǐng)域，構(gòu)建實(shí)施實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式是培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng)的有效策略.

3.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式的構(gòu)建

圖6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式教學(xué)流程

3.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式重要實(shí)施策略分析

拓展質(zhì)疑原有實(shí)驗(yàn)，提出新的實(shí)驗(yàn)課題.根據(jù)原有實(shí)驗(yàn)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，要求學(xué)生樹立追求卓越和臻美創(chuàng)新意識，運(yùn)用列舉缺點(diǎn)技法質(zhì)疑原有實(shí)驗(yàn)，揭示原有實(shí)驗(yàn)理論、方法和技法的局限性和存在問題，進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)探究.通過改變實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、條件、儀器來拓展原有實(shí)驗(yàn)，提出新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計課題，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑核心素養(yǎng).

創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新核心素養(yǎng).教師向?qū)W生提供有關(guān)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的材料和信息(實(shí)驗(yàn)儀器、理論、方法、技法等)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用間接測量、等效替代、圖像處理、線性化等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，運(yùn)用轉(zhuǎn)化放大、逆向分析、功能組合、分析補(bǔ)償、移植創(chuàng)新等創(chuàng)新技法設(shè)計新的實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新核心素養(yǎng).

實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)質(zhì)疑和創(chuàng)新核心素養(yǎng).針對實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案，若實(shí)驗(yàn)實(shí)施結(jié)果失敗，則揭示原有實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的局限性，分析失敗原因，進(jìn)行新的探索創(chuàng)新.通過評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析原因，運(yùn)用質(zhì)疑方法和新的實(shí)驗(yàn)理論、方法和技法培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑和創(chuàng)新核心素養(yǎng).

3.3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)施案例分析

案例3：“探究做功與速度關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑創(chuàng)新教學(xué).

原有實(shí)驗(yàn):物理必修2教材中“探究做功與速度關(guān)系”實(shí)驗(yàn).

評價質(zhì)疑實(shí)驗(yàn):學(xué)生評價質(zhì)疑原有實(shí)驗(yàn)，揭示存在如下問題.

(1)圖7實(shí)驗(yàn)中平衡小車受到阻力比較困難，操作繁復(fù)；

(2)圖7(a)實(shí)驗(yàn)需要滿足m?M，存在系統(tǒng)誤差；

(3)圖7(b)實(shí)驗(yàn)中不同橡皮筋做功不同，拉伸時不對稱，產(chǎn)生較大誤差.

在此基礎(chǔ)上提出“如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案？”新的實(shí)驗(yàn)課題.

(a)

(b)

創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗(yàn):學(xué)生通過分析討論，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新技法設(shè)計出如下兩種實(shí)驗(yàn)方案.

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案1：運(yùn)用功能組合創(chuàng)新技法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計.綜合運(yùn)用如圖7(b)所示的“倍增法”和如圖7(a)中實(shí)驗(yàn)裝置(作用力比較穩(wěn)定).圖7(a)中作用在小車上合外力為F=T+Mgsinθ-f不變，合外力對小車做功為W=Fx，可以通過改變小車位移x(“倍增”)的方法來改變合外力對小車所做的功，探究W-v2關(guān)系.

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案2：學(xué)生運(yùn)用逆向分析技法提出探究摩擦力做功和速度關(guān)系實(shí)驗(yàn)方案，移植運(yùn)用光電門技術(shù)測量小車的速度，設(shè)計出如圖8所示的實(shí)驗(yàn)方案.

圖8 運(yùn)用光電門技術(shù)測量小車速度

圖線也為近似通過原點(diǎn)的一條直線.

分析評價，發(fā)現(xiàn)問題:新的實(shí)驗(yàn)方案雖然能探究W與v2成正比，但由于沒有具體測量出合外力做功的數(shù)值，沒有完全從定量角度探究W與v2的關(guān)系.

優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案:學(xué)生進(jìn)行深入交流討論，設(shè)計出如圖9所示的新實(shí)驗(yàn)方案.探究自由落體運(yùn)動過程中，物體受到合外力(近似等于重力，阻力可以忽略不計)與速度變化關(guān)系.物體質(zhì)量可以用天平測量，合力做功為W=mgh，運(yùn)用打點(diǎn)計時器和刻度尺間接測量速度v和下落高度h，從而可定量探究W與v2的關(guān)系.(由于文章篇幅關(guān)系，具體實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)及處理從略).

圖9 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)設(shè)計

上述實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑創(chuàng)新過程中，學(xué)生樹立臻美創(chuàng)新意識，運(yùn)用列舉缺點(diǎn)方法揭示原有實(shí)驗(yàn)存在的問題，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新核心素養(yǎng).再運(yùn)用功能組合、逆向分析、移植應(yīng)用等創(chuàng)新技法創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新核心素養(yǎng)得到有效的培養(yǎng).