以“問題解決”教學為載體,培養學生物理思維能力

高秀麗

(廣州市花都區教育局教研室,廣東廣州 510800)

1 問題的提出

傳統教學中過于重視結論性知識學習,忽視學生思維過程的激發和思維能力的培養,一般是教師先把結論呈現給學生,然后為了幫助學生理解和鞏固這些結論性知識,提供一定量的練習來訓練他們對知識的熟練運用.在這樣的教學中,學生處于被動接受的地位,他們在課堂上沒有時間和空間對結論產生的過程進行深入的探索和推敲.用這種教學模式培養出來的學生可能記住了很多的表層知識,但卻往往缺乏靈活運用知識解決實際問題的能力.在需要他們提出問題、分析問題、解決問題時,常常表現出思維能力的薄弱.因此,激發和促進學生的高水平思維,讓他們能夠自由地去思考問題、建構知識、形成“見識”,就是最自然也是最有效的一種教學路線.

波利亞在《如何解決》(How to Solve)一書中對“問題解決”提出了他的見解.他認為,所謂“問題解決”是人們有意識地尋找某些能達到已經有了明確的構想、但又無法立即達到的目標之行動;找出這樣的行動,即是“問題解決”.通俗的地說,“問題解決”就是由一定情景引起的,按照一定的目標,應用各種認知活動、技能等,經過一系列思維操作,使問題得藝解決的過程.按照建構主義理論,在新舊經驗之間雙向的相互作用得以更充分、更有序地進行,這使得學習活動真正切入到學習者的經驗世界當中,而不只是按照教學設計者預先確定的框架和路線來生成知識間的聯系.問題解決為新舊經驗間的同化和順應提供了理想的平臺.

圖1

近來,我區一些學校進行課堂教學改革,努力改變傳統教學模式,嘗試“先學后教,先練后講”的教學實踐,把課堂的主體地位還給學生,在一些課型中采用“問題解決”式的教學.在這種教學中,教師針對所要學習的內容提出具有思考價值的、有意義的問題,先讓學生帶著問題進行課前預習、思考和嘗試解決問題,上課時組織學生討論、交流,小組討論完畢后,各小組代表發言,在此基礎上,教師再進行提煉和概括,力求使學生所建構的知識更明確、更系統,取得一定的成效,但也存在較多有待解決的問題.概括起來他們的教學思路可由圖1反映.

針對上述6個環節,筆者根據多次聽課調研,發現其中有多個共性的應注意的問題.下面嘗試通過一個教學案例來加以分析和說明,期盼能拋磚引玉,找到進一步解決問題的方法.

2 “問題解決”教學實踐中6個環節要注意的問題

2.1 設計問題,布置預習環節

問題的設計是“問題解決”教學的關鍵.一個好的問題情境,能夠激發學生的學習興趣和求知欲望,引起學生認知結構上的“不平衡”,造成學生心理上的懸念,因此,教師應認真分析教學內容,根據內容設計一定的問題情境,“把知識變成問題”,提出要重點解決的問題.問題情境的設計要注意“簡單”、“根本”和“開放”,因此,應做到:

(1)問題情境的設置要圍繞課堂教學的核心知識

問題中應蘊含著學習的基本概念和原理,讓學生通過問題的解決來建構起對這些概念、原理的理解,體現既簡單又根本的原則.

(2)問題情境的設置要有一定的挑戰性

問題所需要的核心知識應該是沒有講解過的,但學生具有一些相關的知識基礎.它對學生具有一定的挑戰性,但又符合學生的最近發展水平,即“跳一跳,摘得到”.

(3)問題的設置形式要多樣化

問題的設置不要千篇一律化,應該根據教學的內容、特點靈活采用不同的形式.如可以采用習題、預習提綱、內容與內容之間的類比、聯系實際的問題、有趣的小實驗等,體現問題形式多樣和一定的開放性.

2.2 自主預習環節

學生帶著教師布置的問題利用文本或課程資源進行預習,目的在于讓學生在上課前能對上課內容有所思考和準備,為課堂上發揮學生的主體地位提供保障.由于學生的自學能力有差異,不要求所有學生都能很好地完成布置的問題,但所有學生都必須對所布置的問題進行過嘗試性的思考,體現“先學”的思想.

2.3 分組討論和交流環節

因為學生已經預習,至少是有了對問題解決的初步想法,上課時就可先讓各小組進行討論和交流,對預習問題達成共識.此環節要注意:(1)分組可以根據班級實際情況采用靈活的形式,可以按區域分、也可以采用“分分合合”(即只在討論的時候同一小組的同學才聚在一起)等.

(2)分組應該做到“組內異質,組間同質”,以便小組與小組之間真正能夠達到良性競爭.

(3)組長應該做好組員預習問題的完成情況檢查和督促,以保證組內真正做到分享、合作.

(4)由于組內學生層次差異較大,組內優秀學生必要時應該擔負起輔導差生的責任,即“兵教兵”,在此過程中無論是優秀生還是差生都會得到提升.

(5)在各小組討論交流時,教師應該積極巡視,了解各小組討論的情況,看他們的困難在哪里,在哪一點上有模糊認識或錯誤觀念等.必要時,教師可以提供一定的支持和引導,如提供必要的信息(解題的關鍵點等),引導學生正確理解和明確問題,激活有關的知識經驗,乃至思路上的點撥等.

2.4 小組代表發言環節

在組內充分交流討論達成共識、統一意見的基礎上,要求各小組派代表發言.在各小組發言或板演時,其他組或其他學生都要認真傾聽,及時質疑或糾錯.此時教師要做好洞察者、促進者和引導者的角色,一般不直接評價學生的想法,不做蓋棺定論,而是先鼓勵學生之間相互質疑,提出不同看法,然后教師把其中主要的觀點展示出來,維持和促進他們之間的討論.

2.5 教師講解和點撥環節

這一步對學生系統掌握知識非常重要.孔子曰:“不悱不啟,不憤不發”,就是說,只有學生通過自己的思考對問題達到了“憤”“悱”這種思而不解的程度時,教師才給予必要的講解、點撥和概括.

在學生經過積極的討論和交流之后,聽教師的講解已成為他們的迫切需求.講解時教師要針對學生感到困難的地方、不能統一意見的地方和教材關鍵的地方重點講解,要講在點子上,講在學生還模糊的地方.把重要、關鍵的知識點總結和概括出來,表述清楚,并加以強調.

2.6 應用和拓展環節

要使學生形成對知識的真正理解,建構起融會貫通的知識體系,實現廣泛的知識遷移,就必須通過一個不斷鞏固和深化的過程.因此,在上述核心問題解決的基礎上,還需要教師設計若干后續問題,幫助學生對新知識形成更深刻、更靈活的理解,并具有靈活應用知識的能力.后續問題不是對現有知識的簡單套用,而是對知識應用的變通和拓展.

3 教學案例說明

教學內容:粵教版必修1課本第4章第4節“機械能守恒定律”

圖2

課前預習問題:如圖2所示,一個質量為2 kg的物體在高空中由靜止開始下落,經過離地面高度為20 m的A點時速度為10 m/s,經過離地面高度為5 m的B點時速度為13 m/s,請你通過計算說明物體的機械能是否守恒(g取10 m/s2).如果不守恒,判斷是什么原因.

這個預習問題圍繞本節課“機械能守恒定律”這一核心知識展開.在此之前,學生已經學習了“動能定理”和“機械能”,可以通過計算得出物體處在 A、B兩點時的機械能.對比較“機械能是否守恒”來說,學生懂一些,能做一些,但又不全懂,對學生來說有一定的挑戰性,能激發起學生求知的強烈欲望.這就為機械能守恒定律內容、適用條件和表達式等的正確理解埋下了伏筆.

上課后教師要求各小組討論和交流意見(該班分成8小組,并且學生是按小組就座的),同時教師積極巡視.各小組統一意見后,將小組討論的結果板演到黑板上.各小組的解法概括起來有如下3種:

ΔEp=mghB-mghA=2×10×5 J-2 ×10×20 J=-300 J;

ΔEk+ΔEp=69 J+(-300)J=-231 J≠0,所以物體的機械能不守恒.

接著教師引導學生們評價和點評各小組的解法,尤其對解法3著重給予評價,然后教師提出問題引發思考.

師:“物體機械能守恒”是什么意思?

生甲:只有重力做功的情況下,物體只發生動能和勢能之間的相互轉化,物體的機械能守恒.

學生甲雖然照搬書本上的文字表述,但也說明了“機械能守恒”的其中一種理解方法和判斷依據.

還有其他理解機械能守恒的方法和判斷依據嗎?教師繼續追問.

生乙:分析重力做的功是否等于動能的變化.

生丙:分析動能變化是否等于重力勢能的變化.

學生經過預習問題的思考、解決和討論交流,加之教師對各組學生解題方法的點評和追問,接下來教師的概括和講解已經非常必要了.

師:嗯,其實我們看剛才幾個小組的解題方法就可以知道,判斷的方法通常有這樣3種:

(1)分析力做功和能量轉化的情況:是否只有重力(或彈力)做功,物體是否只發生動能和勢能之間的能量轉化.

(2)通過計算,比較兩點時的機械能是否相等.

(3)判斷兩點間動能的變化量是否等于重力勢能的變化量.

師:如此說來,機械能守恒定律應該有多少種表達式?

經過剛才教師的點撥,學生們很快寫出了機械能守恒的常用表達式:

①Ek1+Ep1=Ek2+Ep2.

②ΔEk=-ΔEp.

師:這兩個表達式在使用時要注意什么?

生丁:表達式①需選取零勢能面,而表達式②只需計算重力勢能的差值,不需選取零勢能面.

師:剛才用表達式①的小組有沒有注意到這個問題?

教師要求大家回顧剛才幾組代表的板演.經檢查發現,沒有一組注意到要選取零勢能面的問題.

師:以后大家在用表達式①時就要注意了.那么,零勢能面應該怎么選取呢?

通過學生回顧已經嘗試做過的問題中沒有留意的細節,提醒學生在以后的解題中要注意的事項,這比直接把結論告訴學生效果會好得多.

于是教師要求學生們對解法2中分別選取A點、B點和地面作為零勢能面進行計算,比較選取不同零勢能面對計算的影響.通過計算,學生們普遍發現,選取 A點或B點作為零勢能面比選取地面作為零勢能面計算起來要方便得多.這時教師就進一步引導學生得出:零勢能面的選取應該以方便為原則.

接下來為了鞏固和拓展學生對機械能守恒定律的理解,教師給出下列問題:

問題1:下列運動物體中機械能守恒的是

(A)電梯勻速下降.

(B)物體在光滑水平面上做勻速圓周運動.

(C)物體沿著斜面勻速下滑.

(D)物體自由下落.

(E)拋出的鉛球從拋出到落地前.

(F)起重機吊起重物的過程.

(G)物體由光滑斜面頂端滑到斜面底端.

通過這個問題,教師繼續引導學生思考:如何理解機械能守恒定律中的“只有重力做功”這句話,它包含幾層含義?

問題 2.如圖 3所示,桌面的高度為h,一質量為 m的小球從離桌面高H處自由下落.不計空氣阻力,選桌面為零勢能面,則小球剛落到地面的瞬間,機械能為

(A)mg(H+h).

(B)mg(H-h).

圖3

(C)mgh. (D)mgH.

由此讓學生進一步鞏固和理解“機械能的大小與零勢能面的選取有關”.

問題3.將質量為 m的物體以初速度10 m/s豎直上拋,忽略空氣阻力,g取 10 m/s2,請回答:

①物體上升的最大高度是多少?

②在上升過程中,何處重力勢能與動能相等?

這個問題是教學中教師經常選用的一道典型題,也是學生解答時常錯的題,它既考查豎直上拋運動的有關知識,同時也需要學生對機械能守恒定律靈活變通地應用.

教學實踐證明,通過問題解決來學習,是針對當前教學中“滿堂灌”等弊端而提出的一種有效的教學改革思路.中學物理課堂教學中,在問題的激發下,學生回顧自己頭腦中的相關物理知識,體會自己的“知”與“不知”,“能”與“不能”,通過推理、分析和綜合,通過查閱和探索,填補自己的“不知”和“不能”,并進一步把不斷涌現的新理解運用到問題的解決之中,不斷提高物理思維能力,加深對知識的理解.同時,這種問題教學還能很好地激發學生的求知欲,培養他們的自主學習能力和合作學習能力.

傳統教學模式存在不少弊端,課堂教學改革勢在必行.一些先行者們已經取得了初步的教學效果和經驗,但經驗是不可能照搬的,它需要我們一線教師們的積極參與和嘗試,需要教師們不怕暴露問題,不斷探討和積累經驗.筆者在此所談所說,肯定也有錯漏,目的只是與同行們切磋交流.

1 張建偉,孫燕青.建構性學習——學習科學的整合性探索.上海:上海教育出版社.2005.

2 范永梅.問題課堂——提高物理課堂教學效率的有效途徑.中學物理教與學.2009(4).

3 陳立其.用問題教學法突破“交流電有效值”的概念教學難點.中學物理教學參考.2009(6).

4 陳建華.中學物理“問題解決”教學探究.中學物理教與學.2010(5).