基于實際問題解決的科學思維培養策略
——以“向心力的實例分析”為例

林曉琦

（福州高級中學，福建 福州 350007）

科學思維是物理學科核心素養的一個重要組成部分，是物理學的精髓和靈魂。發展學生的科學思維能力是物理學科的重要教學目標之一。能否在物理教學中開展真正意義的科學思維教育，關鍵在于教師。因為教師是教學活動的設計者、制定者，學生的思維方式與教師的教學理念、教學方法緊密聯系，可以通過教學環節潛移默化地影響與培養。這需要教師的高度責任感和強烈的育人意識，以及根據教學內容有機地將科學思維培養目標融入課堂教學的智慧和能力。［1］讓學生在經歷物理概念的建構過程、物理規律的探究過程，充分體會、感悟其中所蘊含的科學思維；在運用物理知識解決實際問題的過程，靈活運用、內化科學思維。

本文以“向心力的實例分析”為例，探索基于實際問題解決的科學思維核心素養培養的教學策略。實際問題解決的思維流程（如圖1 所示）：

圖1

一、創設真實情境，引發物理問題

問題是點燃思維的火種。我們的學生經常會“答”，卻不善于“問”。而科學思維的教育不僅要重視“會”和“能”，還要重視基于什么想、從哪個角度看問題。［2］能否有意識地從物理學的視角看實際問題、提出物理問題，這是引導學生形成全面、和諧的科學思維的一個關鍵要素。

在《向心力的實例分析》中，可以利用多種資源，創設與生活、生產、科技緊密聯系的圓周運動問題情境，為學生搭建豐富多彩的認知舞臺，讓學生在解決各種各樣的真實問題過程中獲得對知識的準確理解，提高解決實際問題的能力，提升物理素養。

［真實情境1］視頻展示：賽車在跑道彎道處沖出彎道導致翻車。

設計意圖：問題情境越逼真，越能引發學生的體驗。讓學生假設自己是一名賽車手，親歷比賽沖出彎道時的情景，身臨其境的感覺促使學生提出核心問題1：汽車在水平彎道上安全轉彎，要滿足什么條件？

［真實情境2］圖片和視頻展示（如圖2 所示）：火車在鐵軌上運行的情景（圖甲）、火車車輪與鐵軌的側視放大圖（圖乙）、車輪與鐵軌的模型（圖丙）等。

圖2

［設計意圖］通過豐富、直觀的圖片和視頻，學生對火車的車輪及鐵軌的結構形成清晰的物理表象，提出核心問題2：火車轉彎時，是什么力提供向心力呢？

真實情境3：演示實驗（如圖3 所示）。

圖3

對比實驗1：將小球輕放在的鐵絲軌道凸起位置B 處時，會從鐵絲中間下落；給小球一定的速度，卻能安全通過位置B。

對比實驗2：將小球輕放在鐵絲軌道下凹位置A 處時，不會下落；當給小球一定的速度，卻從A 處的鐵絲中間墜落。

設計意圖：對比實驗的反差現象對學生的思維有較強的沖擊力，從而激起他們探尋現象背后原因的強烈欲望。聯系生活中的橋面情況，提出核心問題3：為什么橋面通常是設計成拱形的？

豐富多彩的問題情境，既讓學生真切感受到物理源于生活、服務于生活，又充分激起他們的興趣點、求知欲，引導他們用物理學的眼光看實際問題，用理性的思想提出物理問題。

二、經歷科學抽象，建構物理模型

模型建構作為一種認識手段和思維方式，是學生根據研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型過程，［3］是解決實際問題至關重要的一個環節。很多學生遇到實際問題時無從下手，不知道如何解決，究其原因就是無法準確建構物理模型。對學生模型建構能力的培養要經歷由具體到抽象，再由抽象上升為更高層次的具體，不斷反復訓練、體會和感悟才能達成。

（一）鋪設問題臺階，引導有效建模

將所要解決的核心問題分解成若干驅動問題，讓學生拾階而上，以解決問題為線索，體會如何從真實情境中抽象物理模型。

情境1 中汽車實際的運動比較復雜，為了幫助學生順利建構正確的物理模型，設置驅動問題：汽車在水平路面轉彎時，由什么力提供向心力？在問題的驅動下，學生對實際問題情境進行理想化處理，忽略汽車的形狀、大小，突出圓周運動主要特征，將汽車的實際運動簡化為質點在水平面內的圓周運動模型。

對于核心問題2 設置以下驅動問題：若內外軌道一樣高，在火車轉彎時，是什么力提供向心力呢？實際彎道處的鐵軌是如何設計的？為什么要這樣設計？鐵路彎道處內外軌的高度差如何確定？當火車提速后，如何對舊的鐵路彎道進行改造？

層層遞進的問題將知識的形成過程盡可能充分展開，學生解決了問題，建構了知識，提高了建模能力。

（二）精心設計實驗，促進準確建模

汽車在水平路面轉彎所需的向心力由側向靜摩擦力提供，是本節的難點。這是由于靜摩擦力的方向與相對運動趨勢方向相反，而“趨勢”看不見、摸不著，難以判斷和想象。為了讓學生“知其然知其所以然”，設置驅動問題：能否把“相對運動趨勢”發展為“相對運動”，通過分析“相對運動方向”判斷“趨勢方向”？如果可以，那么如何顯示、記錄“相對運動方向”？

在問題的驅動下，學生積極思考、充分討論，利用轉換方法精心設計實驗：用一個物塊代替汽車，讓其底部沾有墨汁，置于水平圓盤上隨盤轉動（如圖4 所示）。當圓盤轉動越來越快、快到一定程度時，物塊相對圓盤運動，并在盤面上留下一段擦痕（如圖5 所示）。觀察擦痕徑跡發現，物塊剛相對圓盤運動留下的一小段擦痕是沿著半徑背離圓心的方向，說明未發生相對運動時，物塊有沿半徑背離圓心運動的趨勢！

圖4

圖5

雖然物塊的運動跟汽車的運動有很大不同，但是，采用易于研究、能反映事物本質特征的近似處理，將隱而未現的“趨勢”間接“顯示”出來，不僅可以有效突破難點，還讓學生深刻體會、驚嘆轉換思維的巧妙之處！相信經歷實驗過程，轉換思維將在學生心中播下種子，為日后研究看不見、摸不著、無法直接觀測的事或物，提供了化無形為有形的解決問題思路。

三、科學推理論證，得到物理結果

有了正確的物理模型，即可運用相關物理規律和數學工具，通過定性或定量分析，進行科學推理、論證，得到物理結果。不同形式的運動，分析推理的步驟略有不同。對于圓周運動，可以按照以下步驟：畫軌跡→定圓心→受力分析→用規律→得結論。以討論汽車在水平彎道安全轉彎的最大速度為例：

對汽車受力分析如圖6 所示，可知F向心=f根據牛頓第二定律解得安全轉彎f≤μmg汽車安全轉彎的最大速度

圖6

設計意圖：培養學生以函數思維的眼光審視物理量之間的關系，在函數式中尋找變化趨勢和規律，準確理解物理本質，提高科學推理論證能力。

四、解釋實際問題，生成新的問題

利用所獲得的物理結果解釋實際問題，是從物理學視角看問題的具體表現，可以培養學生使用科學證據的意識和能力，運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測，［3］形成學以致用、知行合一的意識。

（一）解釋實際問題，生成新問題

明白了汽車在水平路面安全轉彎的最大速度受到動摩擦因數、轉彎半徑大小的制約后，生成新問題：可以采取什么措施，提高汽車安全轉彎的最大速度？

為了幫助學生有方向地思考，展示兩幅圖片（如圖7 所示），設置驅動問題：賽車道與公路在彎道處的路面有什么特點？為什么這樣設計？

學生根據前置經驗，順利建構汽車在傾斜路面水平轉彎的模型（如圖8 所示），通過受力分析可知：傾斜的路面可以讓支持力的分力提供向心力。順勢追問：汽車轉彎時是否受到側向的靜摩擦力作用？若汽車以速度V 轉彎時側向的靜摩擦力恰好為零，路面傾角應多大？若速度小于或略大于V，什么力提供向心力？

圖7

圖8

設計意圖：利用物理結果解釋實際問題，生成新問題；解決新問題，引發更深層次問題。學生在逐步深入解決問題過程，思維流程得以反復訓練，解決問題的能力不斷提高，對科學思維的感悟更加深刻。

（二）大膽質疑創新，生成新問題

分析核心問題3 可知，汽車以一定速度通過拱形橋最高點時，對橋面的壓力小于自身重力；若增大速度，壓力將減小。進一步討論，若繼續增大速度，會不會出現汽車對地面的壓力為零？將發生什么現象？若把地球看作巨大的拱形橋（如圖9 所示），橋面的半徑就是地球的半徑，試討論汽車“飛離”地面的速度。

圖9

［設計意圖］循序漸進的問題將學習過程變成知識的“再發現”“再創造”的過程，不僅培養學生利用所獲得的物理結論、基于論據順著邏輯大膽質疑和預測的能力，還激發他們的好奇心、想象力，將所學的知識遷移到新情境，解決新問題，［4］獲得新知識。

有的學生猜想更加大膽，提出：汽車有無可能做如圖10 所示的運動？若可能，應滿足什么條件？在教師出示過山車模型后，學生恍然大悟，頓時有了答案。利用對比實驗：鋼球無法通過軌道最高點［如圖11（甲）所示］和順利通過軌道最高點［如圖11（乙）所示］，引發核心問題4：如果你是過山車的設計師，如何保證游客的安全？

［設計意圖］出乎意料的創新想法讓學生保持著學習的熱情和探索的欲望，開放性問題留給他們更多思考的空間。學生作為知識建構的親歷者，再次經歷真實問題解決的全過程，思維的嚴謹性、邏輯性將得以有效培養和提升。

圖10

圖11

正如德國生物化學家米歇爾（1988 年諾貝爾化學獎獲得者）所說：“對我影響最大的是我的物理老師，她教會我如何思考問題，嚴謹、避免走彎路，使我的思想具有邏輯性。”這正是物理教育的目的。讓學生眼中有光——用物理學的眼光看實際問題；心中有理——用科學的思維思考問題，促進學生核心概念、關鍵能力、核心素養的共同發展，獲得幸福的終極能力是物理課堂永恒的追求。