基于學生認知發展的物理問題情境設計

【摘 要】知識需融于情境之中，才能顯示活力與美感。學生在豐富的問題情境中學習，才能學得更生動、更主動，認知結構才能不斷地發展與完善。不同類型的問題情境可以依照不同的路徑展開。具體而言，生活化問題情境，應注重感性到理性的提升；體驗式問題情境，應注重表象到本質的深化；開放式問題情境，則需要低階到高階的跨越。

【關鍵詞】問題情境；認知發展；高中物理

【中圖分類號】G633.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1005-6009（2017）35-0054-03

【作者簡介】浦建軍，江蘇省錫東高級中學（江蘇無錫，214105）副校長，高級教師。

建構主義理論提出知識是情境化的，個體的認知發展必須關注到個體認知經驗（如知識理解、認知策略）和情感體驗（如學習信念、自我概念）的發展。任何學習的愿望，總是在一定的情境中發生的。多樣化的、適切的問題情境，能更好地激發學生的學習興趣，激活學生的思維動力，增強學生的情感體驗。學生在一定的物理問題情境中經歷同化、順應、自我建構的過程，可以有效加強對物理概念和物理規律的理解。要達到這樣的目標，需要教師在教學中對問題情境進行有效設計，優化物理教學，促進學生的發展。高中物理教學可創設的情境是多種多樣的，下面具體論述三種類型。

一、生活化問題情境：感性到理性的提升

陶行知先生有過一個精辟的比喻：“接知如接枝。”他說：“我們要有自己的經驗做根，以這經驗所發生的知識做枝，然后別人的知識方才可以接的上去，別人的知識方才成為我們知識的一個有機部分。”知識的獲得首先來自于生活和個人的直接經驗，物理教學應突出認知活動與社會生活的融合。在這一過程中，要理順形象思維與抽象思維、感性認識與理性認識的關系，平衡生活世界與科學世界的關系，進而完善學生認知結構。

[案例1]“液體表面張力”教學中的情境設計

【生活現象情境】教師將一個鐵球從容器內的水面靜止釋放，鐵球沉入水底；將鐵球換成一木塊，木塊漂浮在水面；再將木塊換成一枚一元硬幣，教師問學生硬幣會怎樣？學生異口同聲說硬幣沉入水中，結果驚奇地發現硬幣漂浮在水面。教師引導學生從物體的浮沉條件分析硬幣漂浮的奧秘。

【實驗現象情境】

①教師將剛才的那枚硬幣在水面下某處靜止釋放，再問學生硬幣會怎樣？

②在一個玻璃杯中倒滿水（加一點紅墨水，便于觀察），水面與杯口齊平。學生向杯內加回形針，加到第100個回形針時，杯中水還沒有溢出，但是杯口液面已經明顯凸起。

③教師將橡皮薄膜緊緊扎在塑料瓶口，向瓶內打氣，學生觀察到橡皮薄膜凸起。

基于生活經驗的對比實驗引起了學生的認知沖突，學生看到了真實的問題情景，好奇心被激發，形成了真實的問題，從硬幣的浮沉現象到力與物體運動狀態關系的分析，促進了學生抽象思維的發展，幫助學生較好地感知液體表面張力的存在。

三個實驗現象情境的設計緊扣表面張力的特點，學生能夠觀察到硬幣在水面下釋放會下沉，杯口凸起的液面跟鼓起的橡皮膜一樣。這些形象直觀的現象有效地刺激和激發了學生的想象力，學生在不同實驗現象的對比中深刻認識到：表面張力只能在液體表面產生，液面跟橡皮膜一樣有彈性并有收縮的趨勢。這樣的問題情境設計，立足于學生的感性認識，引導學生進行科學抽象，采用比較、分析、綜合、歸納等方法，有效地突破了物理概念高度抽象、多重抽象的難點，輔助學生建立相應的物理概念。

二、體驗式問題情境：表象到本質的深化

英國學者柯林·比爾德在其著作中論述道：“我們發現，脫離體驗談論學習沒有任何意義。體驗不能被忽略，它是所有學習的核心思考點。學習建立并源自于體驗：不論刺激學習的外部因素是什么——教師、材料、有趣的機會——只有當學習者進行了體驗，至少在某種程度上進行了體驗，學習才會發生。只有通過轉化學習者的體驗，這些外部影響因素才能起作用。”在體驗之中學習，是同已有認知基礎的碰撞與超越，教師不應只看重學生獲得知識的對與錯、多與少這些有形的結果，還應更關注學生在親歷與體驗中對知識的理解程度、解決問題中的能力發展程度、意義建構中的情感豐富程度。

[案例2]“靜摩擦力”教學中的情境設計

體驗1：請學生用兩個手指捏住一只空礦泉水瓶，沿著瓶子內壁緩慢加水，要求手指與瓶子之間不能發生相對滑動。請學生談感受，并分析其中的原因。

體驗2：在注滿水的礦泉水瓶表面涂上肥皂液，請學生仍用兩個手指捏起瓶子。請學生談感受，靜摩擦力的方向怎樣判斷？

體驗3：學生手提書本，沿著豎直方向、水平方向、斜向右上方緩慢運動，分析靜摩擦力的大小與方向，談談對靜摩擦力的“靜”的理解。

體驗4：提供一袋米、幾只不同的杯子（一次性紙杯、玻璃杯、陶瓷杯、不銹鋼杯）、幾種不同的筷子（竹筷、木筷、塑料筷子、金屬筷子），學生隨意選擇提供的物品重做初中時的“筷子提米”實驗。

讓學生在頭腦中形成直觀、概括、可操作的表象，進而進行有效思維，是形成概念的一般步驟。為突破靜摩擦力隱蔽性、多變性的難點，4個體驗情境從物境到意境逐層深入，學生從捏瓶子的感受中很好地認識到“只有用力捏緊，才能不讓瓶子下落，手稍微松一下，瓶子就會往下滑動”。這使得學生對于靜摩擦力的產生條件、相對運動趨勢、相對靜止的理解水到渠成。學生跨越了對靜摩擦力的望文生義，由體驗到感悟，可謂“以身體之，以心驗之”。

三、開放式問題情境：低階到高階的跨越

開放式的問題情境，就是在特定的問題情境下，留給學生足夠大的思維空間，讓學生從不同視角、不同層面去思考、分析、解決問題，發展學生思維力，從低階思維向高階思維跨越，將學習的關注點從認知的“了解層”深入到“理解層”，上升到“創新層”；將教與學的目標從“學會”升華到“會學”，幫助學生勤思考、愛思考、能思考，使思考成為一種享受、一種習慣。

[案例3]“斜面+滑塊”題型教學

如圖1所示，傾角為θ、質量為M的斜面位于水平地面上，斜面未固定，斜面、地面均粗糙。質量為m的木塊靜止于斜面上，求地面給斜面的支持力和摩擦力。

師：“斜面+滑塊”題型是高考常考題型，大家在這類題型上也經常出錯。先請大家回想、梳理自己做過了哪些類似的問題，然后我們以“斜面+滑塊”為背景進行編題。

（改變條件，求解問題不變）

生1：木塊沿斜面勻速下滑而斜面靜止。

生2：木塊以加速度a沿斜面勻加速下滑而斜面靜止。

生3：木塊在沿斜面向下的恒力F作用下沿斜面做加速度為a的勻加速運動，斜面靜止。

生4：兩物體都靜止，給木塊m施加不同方向的力F時，兩物體依然保持靜止。

生5：給木塊一個沿斜面向上的初速度，經時間t停止。

……

學生求解，比較不同條件下同一問題的求解方法有何不同，思考怎樣有效處理一題多變。

（改變模型結構，求解不同問題，如圖2）

學生求解，感受物理習題變的“魅力”，思考怎樣有效處理發散性問題。

知識是過程性和生成性的，是個體在認知過程中經過思考、聯系、感悟并內化形成的，只有這樣才能稱之為“真知”，這種知識是活化的且具有生長性的，對于個體的成長起到真實的促進和催化作用。本例中，從做題變為編題，從聽題到說題，學生先是感到新奇，一試身手的積極學習情緒得到激發，學習動機從淺層的喚發走向深層的喚醒；其次，編題不僅需要對命題條件進行分析，還應有做題時的反省和評價，這需要學生間的思維碰撞。例如有的學生給出的題目條件不嚴密，經過交流得以補充完善；有的學生借鑒他人的命題思路，通過生成性思維得出了新的題目；有的學生給出了高中階段尚不能解決的題目，在思辨中將其否定，等等。在舊題新做、熟題新說中提高了思維的變通性，助推了學生的思維生成，也讓學生享受到了學習的樂趣、體驗到了學習的成果。

物理教學中創設問題情境的策略遠不止筆者提出的以上三種，不管哪種方式，問題情境的設計必須符合學生的認知基礎，讓學習更生動，讓學生更主動。

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