創設問題情境啟迪學生思維

2019-02-10 05:51:46惠廣俊

物理教師 2019年12期

惠廣俊

(浙江省杭州第十四中學,浙江杭州 310006)

《普通高中物理課程標準》2017版指出:在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設．創設情境進行教學,對培養學生的物理核心素養具有關鍵作用．物理概念的建立需要創設情境,關鍵是創設體現概念本質特征的情境,發展學生的科學思維;物理規律的探究需要創設問題情境,學生從情境中發現和提煉問題,對問題的可能答案作出假設,并根據問題情境運用已有知識制訂探究計劃,選擇符合情境要求的實驗裝置進行實驗,獲取客觀、真實的數據,通過對數據的分析形成關于物理規律的結論;應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情境,運用物理知識解決實際問題能力的高低,往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平．[1]

問題是物理教學的核心．[2]高效課堂兩個最深刻的判斷標準,一是學生參與的主動性,二是學生思維的深刻性．有意義的學習活動總是憑借一定的教學情境來實施的,學生對知識的感悟、乃至素養的提升也只有在與情境的互動中才能達成．值得提倡的教學路徑是:情境→問題→探究→結論，即以情景引問題,以問題導探究,以探究求新知．

1 創設聯系生活的情境,開啟學生思維

“生活是教學的源泉,是科學世界的根基,教學只有聯系生活,走進生活,才能使人真正體驗和理解知識的內在意義和價值．”[3]實際生活是學生學習的最好情境,它有助于學生感悟到物理就在自己身邊,形成從生活中學習、從實踐中學習的習慣,并養成把物理認知應用于解決生活問題的能力．

例如“運動的合成與分解”教學,我們可結合實際生活提出一些饒有興趣的問題引發學生思考．比如問:杭州到上海的高鐵以300 km/h的速度向前疾駛,你能跑得比它還快嗎?學生起初會哄堂大笑,感到不可思議,但通過積極思考,還是會想到,人只要在奔馳的高鐵上,朝著車行方向哪怕是慢慢地走,不就比高鐵跑得更快了嗎?這樣就很自然地引入同一直線上運動的合成與分解．

至于互成角度的運動合成與分解,同樣可借助于生活情境,如問學生:你在雨天應怎樣撐傘才能避免淋濕?開始時,不少學生會根據雨滴向下,人往右行,作出如圖1(a)所示的矢量合成,從而得出雨傘應向后撐的結論．但這顯然與生活實際相悖,從而迅速激發了學生的思維．通過思考與討論,他們找到了問題的結癥所在:原來圖1(a)的v1與v2分別對應的是雨滴和人,把這樣兩個不同對象的速度合成,猶如 “牛頭不對馬嘴”,自然是錯誤的．

圖1

于是,學生根據同一性原則,以雨滴為對象,它相對于人是有豎直向下和水平向左兩個分速度v1與v2,可作出如圖1(b)所示的速度合成,從而得出正確的雨天撐傘方案．

生活化趣味經驗和現象是物理教學的一個個“開關”,聯系生活的問題情境可以快速地建立師生共同學習的“學習場”,貼近學生思維“最近發展區”,幫助學生快速從生活經驗建立物理認知．

2 創設引發沖突的情境,激活學生思維

心理學上認知沖突是指原有的認知與新感受到的客體之間的對立性矛盾．創設的情境引發認知沖突后,就會引起學生產生解決認知沖突獲得心理平衡的動機,從而有效地激活學習動因,使得學生的智力及其情感等方面因素迅速調動起來,投入到新知的學習活動中去．所以,高明的教師會充當學生思想助產婆的角色,也會給學生“找麻煩”,設置實際情境,先 “問迷糊”再“教明白”是一種高明的教法．

引發學生認知沖突一般有兩種方法,一是設置知識陷阱,二是營造知識臺階．

圖2

例如“靜電平衡”教學,為了驗證處于靜電平衡狀態時導體的電荷分布規律,都會演示法拉第圓筒實驗．如圖2,用拾電球分別與帶電金屬圓筒的內、外表面接觸,再經過驗電器的檢驗,就可得出靜電平衡時導體電荷只分布在外部的結論．至此,一般的實驗演示也就結束了．

為了使學生能對靜電平衡下導體電荷的分布規律有更深刻的理解,除了上述正面的演示實驗外,我們還可以從反面補充一些實驗．如圖3,導線的一端與拾電球相連,先問學生,若將導線的另一端與驗電器接觸,驗電器的箔片會張開嗎?多數學生都認為此時拾電球在圓筒內部并不帶電,因而驗電器的箔片也不會張開,但實驗結果卻與之相反．這種反常的現象引起了學生極大的興趣,經過深入思考與討論,最終做出了合理的解釋:原來拾電球雖然在圓筒內部,但是與之相連的導線卻有一段處在圓筒的外部,于是就會有電荷的分布．

圖3

圖4

教師不要至此打住,要繼續營造沖突情境,如圖4,將帶有金屬長柄的拾電球先與帶電圓筒的內壁接觸,取出后再問學生這時的拾電球帶電嗎?大家都肯定的回答不帶電,但與驗電器接觸后箔片竟然張開.再次的意外使學生激起了又一波思維的高潮,通過細致地分析,他們終于找到了原因:由于金屬長柄的一部分露出筒外,相當于帶電導體的外部,因此也就帶上了凈電荷．

如此設置知識陷阱,學生數次上當的經歷,使他們吃一塹長一智,不但加深了對靜電平衡導體電荷分布規律的理解和把握,還使他們懂得了觀察、分析物理現象不能光看外表形式,更要善于抓住實質,有助于學生的科學觀察和思維能力的培養與提高．

圖5

這究竟是為什么呢?學生陷入了極大的困頓之中,這時教師不妨提示:物理是以實驗為基礎的,我們不妨做個實驗來觀察一下吧．就在學生期待的目光中教師演示了如圖5的實驗,結果發現當光線以60°的入射角從玻璃射向空氣時,竟然沒有折射光線的存在.這種新異的光學現象使學生激起了強烈的求知欲,進而就積極地投入到新課題的學習之中．

巧妙設置沖突情境,促進學生認知在不斷沖突中發展．如果下一個物理情境設置得當,引起學生對上一個任務結論的認知沖突,不斷形成學生認知沖突的“鏈式反應”,課堂高潮迭起,學生會積極地和教師一起參與質疑、釋疑、共同進行研究和評價的過程,科學思維和科學探究能力得到提升．

3 創設引導探究的情境,深化學生思維

物理學家密立根有句名言:“科學靠兩條腿走路,一是理論,一是實驗．有時一條腿走在前面,有時另一條腿走在前面．只有使用兩條腿,才能前進”．他形象地說出了物理學科的特點,就是在于“物”和“理”．“物”即事實證據,以實驗為基礎進行探究或檢驗．“理”即理性思維,進行以思維為中心的探究．

探究一般有兩種途徑,一是實驗探究,二是理論探究．

理論探究的途徑在此不加贅述．在實驗探究中,除了常規的提出問題、猜想假設、設計實驗方案、獲取數據信息、基于證據得出結論等要素之外,充分運用“實驗變式”,是引導探究不斷深入、深化學生思維的好途徑．

例如在“靜電感應”教學中,教師如果只進行如圖6的操作,問“將電棒靠近枕型導體,我們觀察到枕型導體兩端的箔片都張開了,請大家判斷枕型導體兩端分別帶哪種電荷”.學生會基于初中所學的知識馬上判斷出“近異遠同”．如果實驗和問題到此為止,單一化的操作,一步到位的教學,遠遠沒有發揮實驗應有的探究功能,不利于學生對物理現象及本質的理解,也難以激發學習的積極性．

為此,我們可以做以下改進:針對同一個實驗器材,從不同角度創設探究情景,激發學生深度思考,通過不同的角度去認識物理現象的本質．

圖6

實驗:如圖6,教師手持帶電棒,問能使枕型導體帶電嗎?(學生能回答出將帶電棒與導體接觸．)

實驗變式1:如圖6,帶電棒與導體不接觸,能使導體帶電嗎?(學生猜測,教師將帶電棒移近,但不與導體接觸,可見箔片張開)不接觸為什么箔片也張開?這時導體兩端各帶何種電?為什么?

實驗變式2:如圖6,移走帶電棒,箔片為什么又重新閉合?

實驗變式3:如圖7,帶電棒與導體不接觸,能使導體上始終帶上電嗎?(學生能討論出在移開電棒前先將枕型導體兩半分開)

實驗變式4:如圖7不分割枕型導體,有辦法使它始終帶上電嗎?

其中,實驗變式4對于學生有一定難度,為此教師可先以做如圖8的實驗演示:用手指觸碰一下枕型導體再分開,然后移走電棒,則導體始終帶電．這實際上是通過實驗,引導學生在觀察的基礎上構建模型,即站在地面上的人與導體接觸,就相當于將地球與原導體組成了一個“大的枕型導體”,再按實驗前面的原理進行分析即可．

圖7 圖8

物理知識是形成物理學科素養的載體,是不能直接轉化為素養的,實驗探究才是形成學科素養的渠道．通過創設實驗情境,把學生的思維引向問題最原始的出發點,降低思維起點,引向思維高點,促進學生從抽象思維轉化為形象思維、從感性思維轉化為理性思維．

4 創設拓展應用的情境,活化學生思維

如果說實驗器材是一出戲的道具,情境就是故事的情節.這些實驗可以編成一幕幕的連續劇.通過問題把劇情推向扣人心弦的高潮．在物理知識的應用過程中,我們同樣可以做到以實驗為基礎,以思維為中心，以舊知識為依據,通過深層次的問題讓學生在情境中創新思考,探索新知,獲得解決實際問題的經驗,同時發展創新解決問題的能力．

創設拓展應用的情境,要關注以“問題鏈”的方式呈現問題,關注“問題鏈”間的邏輯張力,關注問題的創新解決．

例如“回旋加速器”的教學,以前課堂中教師將教學目標定位于帶電粒子在磁場中運動的知識應用實例,往往是教師作為講解員,以講為主,學生被動聽講,看似聽明白了回旋加速器原理,但是不明白為什么粒子在回旋加速器中的最大動能和加速電壓無關．為此,我們可以把教學目標定位改為 “發明一種新型的粒子加速器”進行教學,步驟如下:

問題1:用什么方法可以加速帶電粒子?(設計目標:電場加速)

問題2:如何突破加速電壓的限制,使帶電粒子獲得更大的能量?(設計目標:多級加速)

問題3:對此方案(圖9)你發現有什么問題嗎?如何解決?(設計目標:靜電屏蔽,需解決兩個相鄰加速電場之間存在減速電場問題)

圖9

問題4:為使帶電粒子能夠一路都加速,電源AB端極性應滿足怎樣的條件?(設計目標:交變電源)

圖10

問題5:如果電源極性改變的頻率不變,怎樣才能保證帶電粒子同步加速?(設計目標:同步條件)

問題6:如果只用一個電場,能否讓帶電粒子自動返回,且實現多次加速呢?(設計目標:磁場回旋)

問題7:隨著帶電粒子速度和軌道半徑的增大,交變電源頻率要改變嗎?(圖10)(設計目標:同步條件)

問題8:為使帶電粒子獲得更高的能量,你在設計一臺回旋加速器時,打算采取哪些措施?(設計目標:開放性問題、限制條件)

知識的拓展應用情境中,通過有效“問題鏈”,促進學生感性認識向理性認識轉化和升華,能形象的、具體的、有效地刺激和激發學生的想象與聯想,促進學生形象思維與抽象思維的互動發展,達到學以致用、還原思維、拓展思維、發展思維,創新解決問題的目的．學生會感覺到這不是在分析回旋加速,而是在發明創造一種新型加速器，也體會到解決問題的快樂.

5 創設促進生成的情境,升華學生思維

愛因斯坦說:“提出一個問題往往比解決一個問題更重要,因為解決問題也許僅僅是一個教學上或實驗上的技能而已．而提出新的問題新的可能性,從新的角度去看舊的問題,都需要有創造性的想像力”．所以,要關注課堂生成的問題,要給予學生暴露問題的機會．學生如果做對了,有可能只是猜測,學生如果做錯了,那絕對是他的原創．學生的錯誤也是重要的教學情境.

例如在“摩擦力”教學時,在分析如圖11所示木塊所受的摩擦力時,因為木塊的情境過于抽象,學生光靠想象難以進行分析．我們可以把抽象的木塊情境更換成如圖12所示的學生體驗情境,讓學生用兩手夾住若干冊書本,并沿上下、左右各個方向勻速移動．然后思考:聯系本節課(摩擦力)所學知識,你能夠提出哪些相關的問題?學生七嘴八舌,提出的可能問題有: (1) 夾在兩手間書本為什么不會滑落?(2) 書本所受摩擦力的方向與運動方向有關嗎?(3) 當手壓書本的力增大時,摩擦力也增大嗎?(4) 為使書本不滑落,手對書本的壓力至少要多大呢?計算這個問題還需要知道哪些條件?(5) 若每本書是一樣的,書本之間的摩擦力大小相等嗎?怎樣計算不同接觸面之間的摩擦力?……

圖11

圖12

學生回答問題的過程暴露對摩擦力的認識觀念,學生如果回答錯誤,不能夠區分動摩擦力和靜摩擦力、沒掌握整體法和隔離法的受力分析,錯誤的回答就又生成了新的問題,教師只要抓住這些課堂生成,就是抓住了這節課的重難點．

關注課堂生成,鼓勵學生表達不同意見,并加以討論、引導、評價,減少教師提前預設情境中的既定問題,善于從學生的問題中挖掘資源,充分給予學生思考、討論和發表觀點的交流機會,能充分暴露學生的思維問題,促進學生及時修正錯誤物理認知,有助于物理觀念的快速形成．