基于“問題鏈”的教學邏輯構建探討
——以高中物理“重心”教學為例

辛 賾 陳燕華

(廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

物理學的核心素養包含物理觀念,科學思維,實驗探究,科學態度與責任4大方面,是學生在經過物理課程學習后應具備的科學品質．為貫徹核心素養的落實,以學生為課堂中心的“問題鏈導學”、“探究式教學”等教學形式相繼出現,為當前物理學教學帶來了新的啟示,但仍有些做法值得商榷.

首先,盡管教師在教學中設置了師生交流的問題對話,但由于有的教師組織的問題,或零散孤立,或過于隨意,不能形成一條結構嚴謹,條理清晰,層次鮮明的系列問題鏈,影響了學生新認知的形成,淡化了學生學習的興趣．其次,有的教師過于追求課堂的活躍性與參與性,卻不能較好地將活動與教材內容相結合,使學生的活動缺乏明確的目標導向,過分沉浸于游戲與競爭之中,難以幫助學生形成物理觀念,實現教學目的．基于以上兩個方面的原因,筆者在“問題鏈”教學思想的指導下,以高中物理學“重心”知識點為例,談談物理學教學中關于問題與活動的串聯設計.

1 問題鏈教學的設計理念

“基于問題的學習”又稱“PBL教學模式”,最早興起于上世紀60年代的美國．它提出以問題(尤其是在真實情景下的問題)為核心開展教學內容,為學生提供主動獲取知識并進行自我建構的情景．盡管因中外學習方式的差異,其理論不宜完全照搬,但“PBL”中強調發展學生自主學習與終生學習的能力,培養學生的內部學習動機等觀點,對中國新一輪課改的推進有一定的參考價值．“問題鏈”教學法在“PBL”以問題為核心的基礎上,要求教師能將學習任務與內容設計成一種有組織,有邏輯,相互獨立卻又層層遞進的問題模式,在問題解決的同時能體現有意義學習的過程與科學思想的滲透.

2 問題鏈與活動課程的邏輯建構

問題鏈教學法在許多方面與活動課程的理念有相似之處．其一,二者皆提出教學過程應以學生為主體,教師為指導者的角色分配;其次,強調課程要以學生的直接經驗為基礎,尊重學生興趣,以現實問題為起點對教學流程進行設計;最后主張摒棄學習過程中的功利性,適當打破教材與學科的界限,合理的擴充學習內容．然而活動安排零散或是片面追求參與度的教學設計顯然不能實現活動課程原本的目的.針對這些現象,問題鏈教學法可為活動課程的邏輯主線構建提供一定的參考.

從筆者閱讀的大量“問題鏈”教學法相關文獻來看,問題鏈教學法一般被運用在教學活動中的某一環節,引導學生對某個知識點的學習．但從問題鏈教學法追求條理,邏輯,層次的角度來看,以其作為教學活動框架設計的參考也是一種合理的選擇．換言之,除了在教學的某個環節設計小問題鏈之外,整個教學活動的框架也可以設計成一個大問題鏈,在為課程服務的同時更可供設計者拷問自身,為何要設計這個活動,這個活動的目的是否與其他活動相重疊,這個活動與前后活動有何關聯．處理好這些問題的同時,一條清晰嚴謹,層次鮮明的教學邏輯主線就會浮現出來.

基于“問題鏈”的活動課程設計就是教師在深入了解學生,透化教材的大備課基礎上,緊扣本課教學重難點,沿著知識點主干脈絡,將學習內容融入一系列以問題為驅動的探究活動中．要求各活動均為各自所對應的知識點提供支撐,而各活動之間又環環相扣,問題與活動有機融合形成一個整體,共同為實現教學目的服務．學生作為活動的主體,在教師精心設置的問題情境中,主動進行物理觀念的建構,并培養其自我探究的科學態度與問題解決的能力,將物理學的核心素養理念貫穿于教學的全過程.

3 “重心”知識點教學設計前分析

3.1 學情分析

初中階段,學生初次正式接觸”重心”概念,此階段學生只需要了解規則物體的重心在其幾何中心,并以該點為作用點作出力的圖示．進入高中階段后,學生不僅要掌握不規則二維物體重心位置的尋找方法,并要求能正確分析重心的動態變化過程.

3.2 前概念分析

如圖1所示，學生在幼童期可能接觸過不倒翁,平衡鳥等玩具,或曾嘗試玩一些平衡游戲,如獨木橋、踩高蹺等.這些都為重心教學提供了豐富的素材．生活經驗讓學生擁有了重心越低物體越穩定和物體翻倒是因為重心不穩兩個前概念．但通過初中的學習后學生對物體重心與平衡面之間的關系尚不清楚．當學生被問及不倒翁為何能“不倒”時,學生能夠回答因為不倒翁重心低;但在追問為何重心低就能“不倒”時,往往難以回答．這個差異就形成了高中“重心”概念的最近發展區.

圖1 各學情階段學生對重心認識的問題鏈

3.3 教材分析

出于泛用性的考慮,現行的高中物理學教材內容較為單薄,這對教師如何豐富和充實教材內容提出了新的挑戰．筆者通過查閱各個版本的高中物理教材,發現在“重心”一節均未解析重心與平衡面之間的關系,在復習過重心的概念后直接轉到了重心位置的確定．缺少重心與平衡的過渡,將帶來兩個問題.其一,學生對重心的認識沒能深化,在初中階段學生就已經認識到重心越低的物體越穩定,經過高中課程的學習后仍在原地踏步;其二,導致活動安排缺乏粘合,學生雖掌握了不規則物體重心的尋找方法,但并不知其原理,也因不明白尋找重心有何意義而缺乏興趣．這些問題對教師如何有效把握教材主干,吸納相關信息,有機整合梳理教材內容提出了更高的要求.

4 “問題鏈”教學法指導下的“重心”活動課程設計流程

圖2 “問題鏈”設計

問題鏈教學法將對學情態勢及教材內容作針對性的設計．從“重心”知識點中提取出6個大問題組成圖2所示的問題鏈結構,以學生在生活中的經驗為問題鏈的開端并以解釋該生活現象為收尾,將本節的3個知識點,重心與平衡之間的關系,重心位置的確定,重心的動態變化有

序地插入其中．圖3則在圖2問題鏈的指導下,依據問題鏈的各個環節,為學生安排不同的活動,每個活動的設計都對應一個知識點,解決問題鏈中的一環,由此構建出一套脈絡清晰的教學框架.

圖3 活動框架安排

4.1 認識重心——探討重心玩具

課題引入:從重力轉至重心后,教師首先帶領學生復習初中時所學過的“重心”概念,隨后以問題鏈開始推進,與學生探討重心對生活產生的影響.

問題1:平時生活中有沒有發現過重心為原理的玩具或現象?

生:不倒翁,平衡鳥,走鋼絲、踩高蹺……等.

教師隨意選取一些內容并畫出簡圖,或提前預備PPT.

問題2:為何說這些現象與重心有關?

生:平衡離不開重心,重心越低物體越穩定.

問題3:那么為何說重心低的物體平衡性強?

生:依靠直接經驗回答或者無法回答.

設計意圖.問題鏈教學法與活動課程設計的一大共同點在于保證學生的參與．讓學生分享直接經驗是引入新知的有效手段．許多教案在處理重心的引入時,直接將不倒翁,平衡鳥,走鋼絲這些例子堆砌在學生面前.這種處理方式雖簡單省時,但會導致學生失去分享經驗的機會,淡化了課堂的參與度．若能換一種角度,以提問的方式將討論的“舞臺”交給學生,既能滿足學生的表現欲和競爭欲,又能更好地順應學生的興趣方向和教師的教學設計思路,提出更深層次的問題.

4.2 體驗重心——無法站立(上)

圖4

教師提議進行一個小游戲,要求學生保持正坐的姿勢坐在椅子上(如圖4所示,軀干與小腿均與地面保持垂直)并嘗試起立,此時學生會突然發現自己如何掙扎也無法站起來．在反復嘗試無果后教師拋出問題,起立是我們重復了無數次的基本動作,看似簡單,但為什么加上一點條件限制后就會變得這么困難,我們有沒有認真思考過這個熟悉至極的過程呢.

接下來提出兩人為一組對該現象進行探究,一人負責完成從正坐至起立的過程,另一人自選角度觀察同伴在進行動作時肢體的變化．此時學生發現若能成功起立,應具備兩點:一是上體前傾,二是小腿后縮,教師將學生的觀察結論記錄在黑板上,將該問題作為懸念暫且擱置．并告知學生在通過重心概念的學習后,就能解釋這個現象.

設計意圖： 問題鏈的核心在于提出能夠有效引發學生求知欲的問題．依據前蘇聯教育家維果茨基的最近發展區理論,問題的設計應是學生暫時無法解決但卻擁有潛能去解決的難度．如果引入問題過難且脫離學生已有經驗,則難以引起學生的關注;若提得過于容易,學生已然熟練化的經驗會對教師的提問產生抵觸．本環節將引發學生對日常極為熟悉的坐站動作產生認知沖突,以激發對該知識點的興趣．此外,該活動不需要任何額外的儀器和設備,可以適用于任何條件的課堂中.

4.3 重心與平衡的關系——“空中樓閣”(上)

圖5

第1步,進行定性探究實驗.3-4名學生為一組,小組成員各拿出一本相同的課本或練習簿進行合作搭建比賽．目標是使用最少的相同課本,通過疊加的方法,使最上方的課本的整體完全懸于桌面外(如圖5),在此過程中,學生會在多次失敗的嘗試中體驗重心在搭建中起到的作用,并試圖尋找重心．該活動結束,讓學生分享搭建的經驗與訣竅,經過討論后,能初步將重心位置與臨界掉落位置相關聯.

圖6

第2步,進行定量驗證實驗:合作小組共同完成兩個任務(如圖6),任務1,尋找并標記一本書的臨界掉落位置及兩本書組合體的臨界掉落位置.任務2,尋找一本書及二書組合的重心位置,由于兩本相同的書無論如何疊放都可視為對稱物體,所以重心并不難尋找,將重心位置與臨界相比較就能深化學生對重心與平衡之間的關系的理解.

設計意圖： 該活動是從兒童的積木游戲和物理趣味題中得到的啟發,用以幫助學生理解重心與平衡面間的關系,在條件允許的情況下使用樂高玩具或者成套積木會得到更好的效果．得到“空中樓閣”的最優解比較困難,不宜在課堂上花費大量時間講解,但可作為定性探究的素材．本階段活動教師要鼓勵學生分享想法,進行爭論,呵護學生的創意．但定性探究只能提供一種方向,要讓學生真正的理解重心與平衡面的關系,還是要將定性探究轉化為簡單的定量探究.

4.4 不規則二維物體重心位置的確定——“空中樓閣”(下)

圖7

通過4.3的探究,得出兩個結論： (1) 物體重心在底面的投影超出支撐面物體就會翻倒; (2) 空中樓閣的最快搭建方法是自上而下,將下一本書放在上方組合的重心位置可以得到最多的伸長量．下一步使用問題鏈提出新的知識點,即重心位置的確定.

問題1:1本書的重心在其幾何中心,2本書由于對稱幾何中心也容易找到,但現在3書組合體的重心又如何尋找呢(圖7中3書組合)?

學生依據已有經驗,得出兩種意見,第一種是繼續通過幾何運算,第二種是運用3.3中得出的結論,將組合體放在桌沿以臨界掉落位置確定重心.

問題2:這兩種方法的差異在何處?哪一種更適合“空中樓閣”的問題?教師可以再舉出幾例,如尋找規則骰子與不規則平衡鳥的重心,讓學生在這兩種方法中進行選擇.

學生通過分析觀察后得知:對規則幾何體,第1種方法更有優勢,對復雜不均質物體則采用第2種.

問題3:對于復雜的搭建第2種方法更好,但我們用臨界法測出的位置是所謂的“重心”么?

該問后學生未必能明白教師想表達什么意思,若出現冷場教師可補充一問“書不超過這條臨界邊就不會掉下去,那么這整條邊都是重心的投影么”．此時學生便能反應過來,這條邊只是重心投影所在的一條線而已.

問題4:既然如此,我們如何確定重心的投影究竟是線上的哪一點?

學生思考后可以得出再找一條臨界邊,兩邊交點即為重心投影.

問題5:如何驗證這一點就是重心的投影?

小組合作活動,思考探索并進行驗證,找出重心后將組合體圍繞重心旋轉一圈,書本不掉落即驗證成功.

總結階段,教師可以以轉書游戲的支點再次向學生闡述重心的作用,并與課本活動中的“懸掛法”進行類比教學.

設計意圖： 該環節采用梯度式提問的方式．上部分重點為夯實4.3中獲得的經驗,下部分則在4.3的基礎上,幫助學生發現新知．同時,4.4中尋找重心的方式與懸掛法的原理相似,通過問題鏈聯通前后知識點,學生不僅能明確尋找重心的意義,也能更深刻地理解尋找重心的方法,解決了教材中懸掛法出現比較突然的缺憾.

問題鏈教學法也對教師的提問設計提出了較高的要求.其一,教師的提問應具有明確的針對性,提問主干應清晰明了;其二,教師要通過換位思考,明確所提問題的內涵,對學生的思考和活動能進行有效的引導;其三,提問應具有有連貫性和邏輯性,使問題能順應學生的認知過程.

4.5 重心的動態變化——無法站立(下)

在有了4.3與4.4結論的基礎上,教師再度分析人體站立的過程．首先向學生展示人體質量分布的比率,軀干占65%,大腿占23%,小腿占12%．數據給出后,教師提議學生以桌沿代替椅子,自尋工具拼搭組成人的坐姿以供探究．可用一把長直尺代替人的大腿,以兩三塊橡皮代替人的上肢放在直尺的一端,以桌沿代替椅子,最后用一支筆代替小腿從下方頂住尺子,配合人體動作體感進行分析(如圖8所示).

圖8 模擬人體模型

首先用掉落法找到組合文具的重心,然后將文具重心置于桌內,用筆頂直尺以模擬人體蹬地的過程,學生會發現無論怎么頂都只能將直尺向上舉,“大腿”無法落地．此時教師再聯系4.1中觀察到的兩個現象,一身體前傾,二小腿后收,學生分組通過文具與人體對比探究這兩種行為對人體重心的影響．隨后小組派代表分享結論,并以實驗現象證明自己的觀點．最后教師總結,身體前傾的作用是將重心前移,小腿后收的作用是縮短支撐面的距離,小腿蹬地的作用是為了支撐起即將倒地的人體.

設計意圖： 該環節旨在培養學生建模并進行模型實驗的能力,強調技能與方法的傳遞．在經歷了基于事實的理想模型構造過程后,將分析綜合,推理論證等科學思維方法在學生心中內化．4.1的活動已經給制造了現實與直接經驗的沖突,通過中間幾個層層遞進的活動,學生經過自主的思維建構和小組共同的探究活動,終于將矛盾化解．不僅幫助學生對生成的物理觀念具有更深入的認識;而且通過學生自己的實際體驗得出結論,強化了學生對物理學科的認同感,并獲得快樂學習的感受.

4.6 總結—解釋重心現象

總結環節的處理比較自由,教師可通過學生搶答的方法,運用本節所學知識解釋生活中的重心現象,最好能結合4.1中學生自主提出的重心現象進行分析．通過成功解析生活中的奇異現象,學生在鞏固知識的同時,在情感上能繼續保持對自然與生活的好奇,樂于探索并通過學習解釋身邊的物理現象,實現多元發展.

5 結語： 尋找“去功利性”與“目的性”的平衡點

高考的壓力導致當前高中物理課程學習的時間緊,任務重．為完成教學大綱,許多教師把傳授知識作為主要教學目標,更多采用講授法,壓縮時間來完成教學任務．其實,無論課改中如何倡導類似“翻轉課堂”“合作學習”等新教學模式,都不否認知識與技能的傳授,也不可能在教學設計中做到完全的“去功利性”．物理課程的三維目標將知識與技能放在第一位,可見知識技能的傳遞在教學中的地位,從這個角度出發,教師在進行教學設計時追求一定程度的“功利性”并沒有問題.

問題在于如何更好地轉變教育觀念,在傳遞知識經驗的同時,多關注學生學習行為,學習態度及學習的主動性和積極性,讓學生能真正成為學習的主體,觀念的改變一定會引來教育方式方法的創新．以問題鏈為軸心設計活動課程的出發點,就是在尊重活動課程自由、平等的精神核心上,將零散的活動變得更有邏輯性,將過分自由的活動變得更有目的性和凝聚力.不僅關注教師教什么,更強調學習主體,學什么,怎么學,從而尋找教與學二者之間的平衡點,以追求更高效率的展開活動課程,最終將物理課程的三維目標落實到位.