以問誘思，以問促探

【關鍵詞】問題串;猜想與假設;演繹與推理;思維引導

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-6009（2015）26-0057-03

【作者簡介】王治國，南京市雨花臺中學（南京，210012）教師。

“問”是一種教學方法，更是一門教學藝術。 問題串的教學策略是指按照教學目標和學生的認知實際，依據教材知識點的內在聯系和邏輯關系精心設計一組問題，并將這些問題組成一個由淺入深、由易到難的問題串的教學方法。筆者認為在探究教學中運用問題串進行教學，不僅能使學生的思維清晰，從而更深刻地理解正在探究的問題，領悟探究活動的精髓，還能夠激發學生探究和創新的欲望，有效地促進科學探究活動的順利開展。

從行星的運動規律到萬有引力定律的建立，包涵了“問題的提出、猜想與假設、演繹與推理、結論得出、檢驗論證”等探究過程。本文以人教版《物理》必修2“太陽與行星間的引力”為例，探究物理教學中“問題串”的有效設計。

一、運用問題串構建探究主題，激發探究熱情

問題1：上節課我們學習了“行星運動”，關于行星的運動，你知道了哪些？請用自己的語言來描述你對行星運動規律的認識。

問題2：既然行星圍繞太陽的軌道是橢圓，為什么行星會繞太陽作橢圓軌道運動呢？

【設計意圖】

建構主義學習理論認為：一切知識的學習都建立在以前所學知識的基礎上，通過激活已知，同化或重建新知識與已知結構之間的聯系，使認知從一個平衡態進入另一個更高發展的平衡態，將新知變成已知。設置問題1，是讓學生在復習鞏固已有的行星運動知識基礎上，提供想象空間，引導其發表自己的見解。問題2的提出，是讓學生在感受天體運動的和諧美中激發出對新知識的探究欲望，這種通過設置情景的問題串簡潔高效，不僅激發了學生的學習興趣，引導學生積極主動地投入到課堂學習中去，也開啟了學生思考的閥門。

二、利用問題串，引導學生確立探究方法

問題3：什么原因使行星繞著太陽做如此和諧而有規律的運動呢？

生：（引）力。

問題4：你怎么知道行星受到了（引）力？

生：由運動與力的關系可知，橢圓運動→變速運動→加速度→合外力→引力。

問題5：力的概念是抽象的，我們現在可以利用“力和運動的關系”來研究，你知道幾百年前的科學家們是怎樣回答這個問題的嗎？

教師展示科學家研究的情況。

師：今天看來“以太”存在的想法很荒謬。胡克、哈雷、牛頓的觀點更接近事實，下面我們就追尋牛頓的足跡，探究太陽對行星的引力的有關因素。

【設計意圖】

問題3和問題4的設置是為了引導學生運用“運動和力”的知識主動思考問題，從動力學角度研究行星的運動，獲得探究問題的方法。這種引導式問題串設計不僅使每個學生都能找到解決問題的切入口，也讓學生對運動和力的關系有了深刻的理解。問題5的設置則激發了學生對人類研究天體運動的歷程的好奇心。既拓展了學生的知識面，進行了物理學史教育，又培養學生進行科學探究不畏艱辛的品質，形成科學的世界觀。

三、運用問題串幫助學生簡化模型

問題6：太陽對行星的引力由哪些因素決定的？你能猜猜這個引力大小跟什么有關嗎？

生：可能與太陽和行星的質量、距離有關。

師：胡克、哈雷等人也猜想到了這一點：引力大小跟行星到太陽的距離的二次方成反比。但是，由于數學水平的限制，他們的研究止步于橢圓。

問題7：現在我們面臨著與胡克、哈雷一樣的問題——無法處理橢圓，如何處理這個問題呢？

生：把運動看成勻速圓周運動，把軌道微分為無數個圓弧……

師：微分很好，但如果看成圓周運動的話，可能會更加簡化。

問題8：我們一起來看看八大行星運動的軌道數據，找找有什么規律？

展示八大行星運動的軌道數據。

生：半長軸與半短軸幾乎相等。

問題9：可不可以將橢圓看成圓？

生：可以，相對于半長軸、半短軸的長度來看，差值是一個很小的量。

問題10：為什么可以看成是勻速圓周運動呢？

問題11：若看作圓周運動，太陽的位置應在哪？

生：圓心。

問題12：這時候開普勒三定律怎樣簡化？

生：圓軌道定律、線速度大小相等定律、半徑立方比周期平方定律。

多媒體展示行星勻速圓周運動動態模型。

【設計意圖】

利用問題6引導學生猜想，目的是讓學生感受科學探究的方法，引出“天體運動模型”的建構，讓探究活動顯得更自然，思維更流暢。問題7則是將學生置身于前人探究過程的情景中，讓學生在面對橢圓軌道和數學知識不足的問題中去思索、探尋，讓學生的思維在引導、對話中被激活;設置問題8～12是為了凸顯模型構建過程，教給學生處理問題的方法：突出主要，忽略次要，并由此構建出一個“類行星運動模型”，為后面獨立探究太陽與行星間的引力設置好臺階，同時由此提高學生的知識遷移能力，并在此過程中形成縝密的邏輯思維，讓學生感悟思維之美、體驗物理學習之樂。

四、構建有效問題串，引導學生主動探究

問題13：按著牛頓的觀點，太陽對行星的引力大小應當等于行星做圓周運動的向心力，其大小是多少呢？

生：F=m。

問題14：在當時，線速度是無法測量的，在天文觀測中用什么表示向心力呢？

生：用行星運動的周期T表示，由v=，得F=mr。

問題15：從表達式看，F與r成正比，而胡克說“F與r2成反比”，問題出在哪兒呢？

師：F與T是否有關？先思考一個類似的問題：在光滑水平桌面上，小球在彈簧拉力作用下做勻速圓周運動，彈簧的拉力與周期是否有關？

學生：彈簧的拉力F=kΔx，與小球運動的狀態量無關。

問題16：引力也是某種性質的力，大小應該與行星的周期無關，僅與星球本身情況有關。但是，如何消去T呢？

生：用r3/T2=k來消。

由r3/T2=k，代入

問題17：表達式里還有m與k，能否說F正比于？為什么？

生：可以，因為m是行星的質量，k是個常數。

問題18：這個常數k與什么有關？

生：中心天體——太陽。

【設計意圖】

設計一組引導性的問題串的目的是讓學生以現有的知識基礎置身于歷史的背景下，深刻理解太陽與行星間的引力性質，體驗“科學發現”的過程，從而學到探究活動的精髓。設置“k的相關要素的討論”是為接下來討論行星對太陽的引力打下伏筆。

問題19：太陽對行星有引力，那么行星對太陽是否也有引力呢？大小與什么因素有關？理論依據是什么？

生1：有，F′=4π2k′。因為F′與F是相互作用力，根據牛頓第三定律，兩者“性質相同”，即產生的原理相同。

生2：從運動具有相對性來看，行星繞太陽轉的同時，也可以看成太陽繞行星轉動。從行星繞太陽的運動研究中，我們發現F′=4π2k′，那么太陽繞行星運動的F′也應該滿足F′=4π2k′。

問題20：k′與k一樣嗎？若不一樣該怎樣修改？

生：不一樣，中心天體是行星，k′與行星有關。

師：你的分析很有新意，現在我們分別從力的角度和從運動的角度找到了相同的結果，發現行星對太陽的引力F′∝■。

【設計意圖】

許多學生知道作用力與反作用力性質相同的結論，卻不會“類比”學過的太陽對行星的引力表達式找到行星對太陽的引力表達式。問題19從“對稱”的角度引導學生展開討論、分析，主要目的是起到思維引導作用。一方面，學生在討論分析中，步步深入、分析、推理得出行星對太陽的引力表達式，另一方面是讓學生在合作學習中建構有序的認知結構，體會“對稱法”在探究問題中的作用。

五、構建有效問題串，引導學生學會歸納

問題21：現在，我們來歸納一下與太陽、行星間的引力有關的因素有哪些。

生：行星的質量m，太陽的質量M，它們之間的距離r。

問題22：如何定量地寫出引力F的表達式？

問題23：為什么是Mm？M+m不成立？

問題24：F和F′是什么關系？根據它們的表達式你們能發現什么？

問題25：這里邊k與什么有關？k′又與什么有關？

生：k僅僅與太陽有關，k′僅僅與行星有關。

問題26：太陽系有八大行星，如果是另外的一顆行星，關系式會如何？

問題27：由上式，我們可以得到k=CM，k′=Cm ……把k、k′代入會有怎樣的發現？

【設計意圖】

許多學生對F∝的由來總是存在一定疑惑，問題21～23的設計，一是為了啟發學生歸納，二是引導學生學會質疑。問題24～27則是通過適時的啟發和鋪墊，降低臺階，合理引導，指導學生學會歸納和綜合，培養學生縝密的邏輯思維能力，領悟其中的科學研究方法——控制變量法，體驗邏輯推理的樂趣。

問題28：上式中，各個符號的物理含義是什么？

生：M為太陽的質量，m為行星的質量，r為行星到太陽的距離，G為常量。

問題29：除了太陽對行星有引力外，其他行星之間是否也存在引力呢？

生：有，也滿足牛頓引力定律。

問題30：從這節課的探究過程來看，我們站在開普勒以及牛頓等巨人的肩膀上，用自己的“手”“腦”找到了太陽與行星間引力的規律。更重要的是我們還用到了很多探究問題的方法，誰來說說這節課中我們用到了哪些科學方法？

生1：探究引力存在時，用到了分析和推理的方法，在尋找太陽對行星的引力時，用到了建模和演繹的方法。

生2：在歸納兩者間的引力時，用到了控制變量的思想和歸納的方法，在規律的推廣環節用到了類比的方法。

【設計意圖】

通過問題28、29引導學生對探究結果的進一步理解和推廣，目的是提高學生對引力公式的理解和應用能力，從中感受物理規律的簡潔美。

通過問題30既對本節課探究過程進行歸納，又對本節課中所涉及的科學方法進行歸納，不僅如此，更重要的是引導學生親身感受物理學之美，起到畫龍點睛的作用。

在問題的引導下，學生思維被充分調動，學習的熱情空前高漲，學生的思維方法、思維能力、創新意識、創新精神不斷得到鍛煉與增強，既有效突破了教學難點，又真正達到從“學會”逐步走向“會學”的目的。