通過科學探究 培養高階思維能力
——以“機械能守恒定律”一課教學為例

馬云秀

(蘇州工業園區星海實驗中學,江蘇 蘇州 215021)

1 問題背景

“機械能守恒定律”這節課是高中力學部分一節很重要的規律探究課,它的內涵抽象、條件復雜、應用多樣,一直是教學的重點和難點．如何讓學生經歷探究過程,自己得出規律,并理解規律的內涵和外延,從而提高學生解決問題的能力和培養學生的科學思維,是這節課教學值得探討的問題．然而,教師往往在教學中,不注重規律的得出過程,而重在規律的驗證,甚至有的重在規律的應用上,這樣的教學方式,導致學生的思維停留在識記、理解和應用低階思維水平上,卻錯過了學生高階思維能力的培養契機．就拿筆者來說,每次執教這節課都有新的思考,新的啟發.2018年3月筆者在蘇州市名師共同體活動中執教了公開課“機械能守恒定律”,探討了如何引導學生在科學探究中培養學生的高階思維能力,以期有所教益．

2 科學探究與高階思維能力

科學探究是物理學科素養的4個重要方面之一,《普通高中物理課程標準》(2017年版)中明確指出:通過高中物理課程的學習,學生應具有科學探究的意識,能在觀察和實驗中發現問題、提出合理的猜想與假設;具有設計探究方案和獲取證據的能力,能正確實施探究方案,使用不同方法和手段分析、處理信息,描述并解釋探究結果和變化趨勢;具有交流的意愿與能力,能準確表述、評估和反思探究過程與結果．這對高中物理教學提出了很高的要求,對學生的思維提出了很高的要求,需要教師引導學生在發現問題、提出問題和解決問題的過程中運用分析、評價和創造等高階思維收集和處理信息,尋求證據,運用邏輯對問題作出合理的解釋．

高階思維是按照思維的水平層次和性質特點劃分的一種思維類型．所謂高階思維,是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力．布盧姆教育目標分類將認知目標劃分為“知識”和“認知過程”2個維度,其中認知過程分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造6項,前面3項屬于認知過程低階思維能力,后3項屬于高階思維能力．高階思維能力直接影響到科學探究的水平,而高階思維能力的訓練,也離不開科學探究活動．在科學探究的過程中,學生經歷以分析、評價和創造為主的思維過程,對其思維會起到潛移默化的影響,使思維具有嚴謹性、深刻性、批判性、獨創性和靈活性等特點,從而訓練了科學的思維方法,發展了高階思維能力．

3 教學過程及策略分析

教學環節1:依據生活情境有所聯想,萌生探究問題．

師:在日常生活中有很多能量相互轉化的實例,請同學們聯想生活情境,用給定的器材演示動能和勢能轉化的運動過程,并說明動能和勢能的轉化情況．(各組器材分別是:小球、不易形變的繩子和小球、過山車軌道和小球、彈性繩和鉤碼、會彈跳的小人．)

生1:聯想到豎直上拋的情境(同時演示:將小球豎直向上拋出),上升過程動能轉化為重力勢能,下降過程重力勢能轉化為動能．

生2:聯想到蕩秋千情境(同時演示:將繩一斷固定,另一端的小球拉離平衡位置,松手釋放)．上升過程動能轉化為重力勢能,下降過程重力勢能轉化為動能．

生3:聯想到過山車情境(同時演示:將小球從傾斜軌道上某處釋放)．上升過程動能轉化為重力勢能,下降過程重力勢能轉化為動能．

生4:聯想到蹦極情境(同時演示:將鉤碼向上抬到某一位置松手釋放)．下降過程重力勢能減少,彈性繩繃緊后,彈性勢能增加,動能先增加后減少．

生5:聯想到蹦床情境(同時演示:將彈跳人向下壓,然后松手釋放,小人彈起)．上升過程重力勢能增加,彈性勢能減少,動能先增加后減少．

師:同學們列舉的情境中有勢能轉化為動能,也有動能轉化為勢能,物理學上,將動能、重力勢能和彈性勢能統稱為機械能,這些例子說明機械能的轉化具有雙向性．

師:同學們列舉的后面4種情境都是往返運動,它們往返運動過程中到達的最高點有何特征,據此,你對動能和勢能相互轉化過程中機械能的總量有什么判斷?

生:生2所演示的情境中小球來回擺動的高度幾乎不變,說明小球的機械能總量幾乎保持不變．其余的情境中來回往返的高度均原來越低,說明機械能總量越來越少．

師:物理學的研究不僅要描述是什么,更要研究為什么?今天我們就來一起研究為什么機械能的總量在某些情況下保持不變．

教學策略分析.學生在學習機械能守恒定律之前,已經從大量的生活情境和現象中獲得了關于動能和勢能的感性認識,但對于動能和勢能的轉化具有雙向性沒有系統的認識．課堂上,筆者抓住了學生的這一認知特點,給定學生器材,讓學生經過思維加工,演示實驗,充分體驗動能和勢能相互轉化的物理過程,加深了學生對機械能轉化的認識,同時也讓學生通過現象的觀察、分析和比較,萌生出探究的問題——動能和勢能轉化過程中,機械能總量為何有些情況下變,有些情況下不變呢?這一教學過程顛覆了傳統的教學設計,傳統教學中常常將蕩秋千、過山車等情境作為動能和勢能轉化的例證,幫助學生理解、體會機械能的轉化這一概念,而筆者引導學生依據生活情境,根據給定的實驗器材進行聯想,體驗動能和勢能的轉化,在體驗中經歷聯想和創造、分析和比較、提煉和概括的思維過程.這樣,不僅深化了概念的理解,更重要的是增強了學生的探究意識,讓學生運用高階思維在觀察和體驗中發現問題,從而實現低階思維訓練向高階思維訓練的轉變．

教學環節2:巧用對比實驗引領探究,激活學生思維．

圖1 兩個乒乓球的對比實驗

師:觀察實驗,如圖1,將2個乒乓球(1只空乒乓球,1只裝滿沙的乒乓球)分別用一根不易形變的懸線懸掛,拉離平衡位置至站立人的鼻尖處由靜止釋放,觀察乒乓球來回運動的高度．

生:空乒乓球來回擺動的高度越來越低,裝滿沙的乒乓球來回擺動的高度幾乎不變,但來回很多次以后高度也在變低．

師:兩次乒乓球的機械能變化嗎?陳述你的觀點并闡明證據．

生:機械能的總量都在減小．因為在最高點速度為0,動能為0,機械能等于最高點的重力勢能．最高點的高度變低,重力勢能減小,從而機械能在減?。?/p>

師:兩個乒乓球機械能的減少有什么區別?

生:一快一慢．

師:是什么原因產生這樣的區別?

生1:是由于質量不同,裝沙的乒乓球質量大初始的機械能大．

生2:按照生1的邏輯,初始機械能越大,物體的機械能就越可能守恒了?

大家陷入了沉思狀態,…

師:這個問題質疑的得很好．剛才還有一個重要現象,為何裝滿沙的乒乓器來回擺動一次高度幾乎不變,但隨著來回擺動次數的增多高度越來越低呢?

生1:說明與路徑有關．

生2:來回擺動,阻力所做的負功越來越多,乒乓球的機械能也就越來越少．

師:為什么2個乒乓球機械能的減少一快一慢呢?機械能在什么情況下保持不變呢?

生:兩個乒乓球阻力做功與重力做功相比一多一少．若阻力做功與重力做功相比可以忽略不計,乒乓球的機械能就保持不變．

師:這讓我們想起了伽利略的理想斜面實驗,小球所受阻力做功可以忽略不計,小球能到達跟初始釋放的高度,機械能不變．那是不是只要阻力做功可以忽略,物體的機械能就保持不變呢．

師:演示實驗,將小球用一根繩懸掛,上端固定,繩子伸直,將小球拉到一定高度,靜止釋放,小球來回擺動高度幾乎不變．然后,小球在擺動的過程中將上端點也左右移動,發現小球越擺越高,說明小球的機械能增加了．這又是為什么?

生:繩子拉力做了正功．

師:說明阻力做功與重力做功相比可以忽略不計,物體機械能保持不變只是一種特殊情況,我們無法通過實驗將機械能保持不變的情況窮盡,大道至簡,機械能保持不變的條件應該是簡潔而深刻的．下面我們從理論角度推理,尋找機械能守恒的條件．

教學策略分析.高階思維的訓練不是一蹴而就的,需要創設情境,特別是對比情境,更能激活學生的思維,揭示規律的本質．機械能變與不變究竟跟什么有關,教學過程中運用了3次對比,去偽存真,探尋規律．首先是輕重對比,輕重不同的兩個乒乓球在擺動過程中機械能的損失為何一快一慢,學生通常認為與乒乓球的質量有關．針對學生的這種認識,教師接著引導學生將裝滿沙的乒乓球來回運動一次與來回運動多次進行對比,分析得出機械能的損失與路徑有關,綜合分析應該是與阻力做功有關,是與阻力與重力做功的比例有關,而不是僅僅與受力有關,更不是與質量有關．那是不是只要阻力做功可以忽略不計,系統的機械能就保持不變呢?通過將單擺模型懸點固定與懸點左右移動兩種情況下擺球的擺動情況進行對比,分析得出若拉力做了正功,系統的機械能會增加．3次對比加深了學生對機械能變與不變的本質理解,也提升了學生基于證據,運用邏輯分析問題的能力．

教學環節3:創設進階問題自主認知,訓練科學思維．

圖2

問題.如圖2所示,1、2為小鐵球下擺的過程中任意兩點,設動能分別為Ek1、Ek2,重力勢能分別為Ep1、Ep2．不計空氣阻力,以最低點為參考平面．

(1) 分析從1到2過程中小鐵球動能如何變化以及變化的原因,寫出相關的原理表達式;

(2) 分析從1到2過程中小鐵球重力勢能如何變化以及變化的原因,寫出相關的原理表達式;

(3) 分析從1到2過程中小鐵球動能和重力勢能的轉化關系并判斷小鐵球在1、2兩位置機械能的大小關系；

(4) 根據上述分析過程,總結機械能守恒的條件．

生:(1) 1到2過程中重力對小鐵球做正功,動能變大．動能定理:WG=Ek2-Ek1.

(2) 1到2過程中重力對小鐵球做正功,重力勢能減少．重力做功與重力勢能變化的關系:WG=Ep1-Ep2.

(3) 根據(1)、(2)原理表達式可知,Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,即小鐵球動能的增量等于重力勢能的減少量,所以Ek1+Ep1=Ek2+Ep2．

(4) 根據動能定理W合=Ek2-Ek1,重力做功與重力勢能變化的關系WG=Ep1-Ep2,可知Ek1+Ep1=Ek2+Ep2的條件是W合=WG,即運動過程中只有重力做功．

追問1:小鐵球上升過程中機械能總量是否也保持不變?上升過程和下降過程動能和勢能的轉化有什么區別?請從功是能量轉化的量度解釋產生區別的原因．

生:小鐵球上升過程中機械能也保持不變．小球上升過程重力做負功,動能轉化為重力勢能,下降過程重力做正功,重力勢能轉化為動能．

追問2:上述結論“只有重力做功的物體系統內,動能和勢能相互轉化,總的機械能保持不變”對物體的運動性質有要求嗎?為什么?

生:上述推導過程運用了兩個原理,一個是動能定理,另一個是重力做功和重力勢能變化的關系,這兩個原理適用于任何運動,所以上述結論對運動性質無要求．

師:說明在只有重力做功的系統中,物體的動能和重力勢能相互轉化,機械能的總量保持不變．

追問3:若除了重力以外,還有其他力做功,機械能的總量將如何變化?

生:根據動能定理WG+W非G=Ek2-Ek1,重力做功與重力勢能變化的關系WG=Ep1-Ep2可知W非G=(Ek2+Ep2)-(Ek1+Ep1),若其它力做正功,物體的機械能增加,若其它力做負功,物體的機械能減少．

教學策略分析.把一個復雜的、難度較大的課題分解成若干個相互聯系的子問題、或把解決某個問題的完整的思維過程分解成幾個小階段,從而形成的階梯性問題,能有效地將學生的思維引向一個新的高度．機械能守恒定律的內涵是重力做功促使動能和重力勢能相互轉化,而且在數量上還存在確定的等量關系,表現為系統的機械能總量保持不變．為了彰顯“功是能量轉化的量度”這一重要思想以及“重力做功是重力勢能和動能相互轉化的橋梁”這一內涵,筆者將機械能守恒定律的理論探究通過階梯性的問題解決組織教學,圍繞動能和勢能為何會發生轉化、轉化關系如何、這種關系成立的條件、如果不滿足只有重力做功的條件機械能的總量將如何變化等問題組織學生探究,問題的設置循序漸進,環環相扣,符合學生的認知思維特征,問題的解決需要學生運用功能關系對創設的情境進行分析,對推理過程進行反思和評價,才能形成正確的問題答案,涉及的認知維度屬于高階思維．

4 小結

高階思維的培養離不開教學活動,特別是科學探究活動．在高中物理教學中,應注重科學探究,尤其要注重情境的創設和問題的設置,這對培養學生的高階思維具有重要的作用．利用實驗創設情境時,可讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想,萌發出科學問題,提出合理的猜想與假設;也可在實驗中創設一些任務,讓學生在完成任務中運用分析、評價、創造等高階思維,提煉出需要探究的問題,設計出探究方案．問題的設置應凸顯概念的本質、規律的內涵,但問題的解決需要學生尋求證據,經過觀察、分析、綜合、歸納、猜想和論證等深層次的探究活動,才能獲得問題的答案,形成正確的概念和規律．而且解決問題的方法不可一層不變,應該是靈活多變的,這樣的探究過程才能促進學生高階思維的形成．當然,高階思維的提升,也會反作用于科學探究活動的有效開展．