以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)淺探

劉興

[摘要]采用以問題為導(dǎo)向（ Problem-Based Learning）的教學(xué)模式開展教學(xué)，需要教師能夠把控課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。實際教學(xué)中，教師可以通過情境設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象、實驗現(xiàn)象出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識。文章以“自由落體運動”教學(xué)為例，對以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)進行分析。

[關(guān)鍵詞]以問題為導(dǎo)向;自由落體運動;物理教學(xué)

[中圖分類號]G633.7

[文獻標(biāo)識碼] A

[文章編號] 1674-6058（ 2020） 35-0040-03

一、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式

以問題為導(dǎo)向（Problem-Based Learning，以下簡稱PBL）的教學(xué)模式是在教學(xué)過程中，以問題為中心，以學(xué)生小組合作討論解決問題的方式開展教學(xué)[1]。自然界中的落體運動紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著簡潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。學(xué)生面對真實復(fù)雜的落體運動，在教師指導(dǎo)下，通過自主探究、小組合作構(gòu)建自由落體運動的理想模型，在不斷探索總結(jié)的過程中，主動建構(gòu)新知，發(fā)展關(guān)鍵能力。

二、PBL課堂教學(xué)設(shè)計思路

PBL課堂教學(xué)設(shè)計思路如圖l所示。

在PBL課堂教學(xué)中教師仿佛是項鏈設(shè)計師，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，擬定主題，設(shè)計好各教學(xué)環(huán)節(jié)，費盡心思將這些環(huán)節(jié)、主題打磨成精致的一顆顆“珠寶”，串起來成為一條美麗的“項鏈”。同一個主題，項鏈設(shè)計師總能設(shè)計出不同且驚艷的款式;同一節(jié)課，教師也要有能力打造出不同魅力的課堂。自由落體運動是對生活中常見的落體運動的觀察和研究后得出的理想模型，它源于生活，高于生活。通過情境設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象和實驗現(xiàn)象出發(fā)，不斷探索，不斷總結(jié)，直至理想模型的建立，形成物理觀念。如何引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)掌握的知識巧妙設(shè)計實驗，研究物體自由下落規(guī)律，體驗探究過程并獲得相應(yīng)規(guī)律，是本節(jié)課的難點，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維素養(yǎng)的抓手。鼓勵學(xué)生把所學(xué)知識運用于實際問題，學(xué)以致用則是本節(jié)課的目的。讓學(xué)生主動參與探究實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實驗探究過程中，逐步建構(gòu)新的知識，在新的情境中運用自由落體運動規(guī)律。

三、基于PBL的“自由落體運動”課堂教學(xué)實踐

1.創(chuàng)設(shè)情境，生成問題

[環(huán)節(jié)一]展示常見的落體運動。

[問題]偉大的哲學(xué)家亞里士多德對落體運動有怎樣的觀點？

[學(xué)生設(shè)計實驗]通過實驗證明“重的物體比輕的物體下落快”是錯誤的。

[教師演示實驗]兩根外形幾乎一樣的羽毛下落快慢不一樣，引發(fā)學(xué)生思考。

[問題]提出疑惑：兩根羽毛所受的空氣阻力近似相同，重的羽毛比輕的羽毛下落快，也就說明亞里士多德的觀點是正確的，對不對？

[設(shè)計意圖]落體運動是自然界中比較普遍的現(xiàn)象，學(xué)生的前概念里已經(jīng)有了輕重不同的物體同時落地的印象，認(rèn)為亞里士多德的說法都是錯誤的，通過實驗引發(fā)認(rèn)知沖突，發(fā)現(xiàn)物體的下落是非常復(fù)雜的，亞里士多德的觀點也是符合很多實驗現(xiàn)象的，通過演示實驗認(rèn)識到空氣阻力對輕重不同物體的影響程度不一樣，使學(xué)生認(rèn)識到空氣阻力是影響輕重不同物體下落快慢的因素，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

2.問題分層，細(xì)化過程

[問題]當(dāng)物體所受的空氣阻力跟它的重力相比非常非常小時，輕重不同的物體下落快慢是怎樣的呢？

[牛頓管演示實驗]（1）里面有空氣;（2）當(dāng)場抽出部分空氣;（3）再次抽出更多空氣;（4）播放央視視頻，慢放鏡頭，對比羽毛和鐵球下落快慢;（5）播放視頻：月球上鐵錘、羽毛自由下落。

[學(xué)生總結(jié)]觀察實驗，進一步感受輕重不同物體下落快慢的影響因素，總結(jié)自由落體運動概念。

[問題]生活中是否有自由落體運動？

[設(shè)計意圖]通過現(xiàn)場對牛頓管抽氣的對比實驗，培養(yǎng)學(xué)生的極限思維，通過實驗歸納，使學(xué)生感受“突出主要因素，忽略次要因素”的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，建立理想模型的科學(xué)思維，學(xué)生自主建構(gòu)出自由落體運動的觀念。雖然它是一種理想化模型，在自然界中并不真實存在。實際生活中，在重力比空阻力大得多，空氣阻力對物體下落影響很小的情況下，物體從靜止開始下落可以近似看作自由落體運動。舉出生活中的自由落體運動實例引導(dǎo)學(xué)生切實體驗建立物理模型的過程，提煉出物體可以看成自由落體運動的條件。

3.自主研究，探索規(guī)律

[問題]自由落體運動作為最簡單的落體運動，它的運動性質(zhì)是怎樣的呢？

[猜想]初速度為零的勻加速直線運動。

[學(xué)生自主設(shè)計實驗方案]小組合作討論，設(shè)計實驗，展示實驗方案：（1）使用打點計時器;（2）使用頻閃照片;（3）使用光電門。

[方案優(yōu)化]（1）和學(xué)生一起梳理每種實驗方案需要哪些實驗器材，實驗步驟是什么？優(yōu)缺點有哪些？（2）指導(dǎo)學(xué)生分組實驗：用打點計時器驗證自由落體運動的性質(zhì)。

4.小組合作，科學(xué)實驗

[學(xué)生]小組合作，用打點計時器探究自由落體運動規(guī)律，記錄實驗數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)輸入電腦的excel表格，生成物體自由下落的v-t圖像，展示實驗結(jié)果，探討自由落體運動的性質(zhì)。

[教師]（1）巡視，指導(dǎo);（2）評析各小組實驗操作、實驗數(shù)據(jù)等情況。

[實驗結(jié)論]大量精確的實驗表明，自由落體運動的確是初速度為零的勻加速直線運動。

[設(shè)計意圖]（1）在協(xié)同合作中完成實驗，觀察思考，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得到自由落體運動規(guī)律。培養(yǎng)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象的能力，及進行歸納和總結(jié)的能力，引導(dǎo)結(jié)合合理的邏輯推理，逐步掌握探索自然規(guī)律的方法，增強科學(xué)探究能力;（2）重物除了常見的鐵錘，教師有意識地準(zhǔn)備了帶夾子的裝滿水的礦泉水瓶，通過對實驗數(shù)據(jù)的對比分析，進一步強化自由落體運動觀念。結(jié)合勻變速直線運動的規(guī)律設(shè)計實驗驗證自由落體運動性質(zhì)，計算出自由落體加速度，為自由落體運動的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

5.問題拓展，評估反饋

[問題情境]疑案追蹤：高空墜物現(xiàn)象被稱為“懸在城市上空的痛”。近年來，高空墜物致人傷亡的案例不斷見諸報端。假設(shè)有這么一起案例，一高樓某層陽臺上墜下一花盆，砸壞了下面的車輛。恰好樓下有一個攝影愛好者對著天空連拍，發(fā)現(xiàn)有幾張照片中有花盆，我們能不能根據(jù)這些有限的資料幫助警方推測花盆大概從哪里掉下的？

[學(xué)生]小組討論，設(shè)計方案。

[教師現(xiàn)場實驗?zāi)M]（1）現(xiàn)場實驗?zāi)M情境：燈箱上面固定一個電磁鐵，小鐵球吸在電磁鐵上。讓電磁鐵斷電，小球自由下落。通過CoPro運動數(shù)碼相機連拍。將照片導(dǎo)人電腦，通過PS軟件的堆棧功能，將幾張照片合成為一張照片。（2）提出問題：你能根據(jù)所學(xué)的知識分析小球從哪個位置下落嗎？

學(xué)生小組討論，設(shè)計方案。

根據(jù)照片分析思路：（1）可以通過照片和相機的連拍數(shù)據(jù)計算出某一小球的速度，再根據(jù)y2=2gh，計算高度^;（2）利用v=gt，h=1/2g t2計算高度^。

[設(shè)計意圖]物理源自生活，實際問題的復(fù)雜性需要學(xué)生學(xué)會抓住主要因素，忽略次要因素的影響，在實驗中尋找解決問題的方案。小鐵球的重力比空氣阻力大得多，可以忽略空氣阻力的影響，小鐵球的自由下落可以看成自由落體運動。帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷物理模型建構(gòu)，運用物理規(guī)律解決真實問題。在評估中深化了規(guī)律的應(yīng)用，科學(xué)思維的培養(yǎng)，反饋中讓學(xué)生認(rèn)識高空墜物、高空拋物的危害，做一個文明人，落實新課標(biāo)的要求。

四、基于PBL的課堂實踐，落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的幾點思考

1.基于問題導(dǎo)向，優(yōu)化課堂教學(xué)理念

PBL展現(xiàn)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以生為本，讓學(xué)生成為課堂的主體，并不是要摒棄講授法，需要教師“精講”。課堂教學(xué)中，教師要盡可能地滿足學(xué)生自身成長的需要，盡可能創(chuàng)設(shè)真實情境，通過結(jié)構(gòu)不良的問題讓學(xué)生主動去探究，在自主學(xué)習(xí)中尋找方法，解決問題或者解決部分問題，通過小組合作中的思維碰撞，思想交融，讓學(xué)生的能動性表現(xiàn)為積極性，真正成為課堂學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生在自己找尋答案的過程中，教師要舍得給學(xué)生一點空間，讓他自己向前走，或者讓他們小組一起探索，讓學(xué)生在體驗中收獲自己獨特的感悟。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和啟發(fā)者，不僅僅要呈現(xiàn)物理知識的邏輯結(jié)構(gòu)，更要讓教學(xué)過程符合學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。

PBL教學(xué)模式需要教師把握課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。每個學(xué)生作為一個獨立的生命個體，都擁有不同的有趣的靈魂，蘊含不斷成長的潛能，他們在解決問題中總能呈現(xiàn)教師意想不到的結(jié)果，有時可能是在回答問題中流出的一絲疑惑，一分不自信，教師要能捕捉到，并以此作為自己新的靈感，再根據(jù)學(xué)生的具體情況靈活機動地調(diào)整教學(xué)，將學(xué)生打造成一顆顆閃亮的寶石。

2.基于問題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)健能力

從日常的落體運動到自由落體運動模型的建立是本節(jié)課的重點之一。通過羽毛下落實驗，設(shè)置認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生思考發(fā)現(xiàn)影響物體下落快慢的因素：空氣阻力。設(shè)置對比實驗.引導(dǎo)學(xué)生思維往極限方向推進，建立理想模型，讓學(xué)生體驗忽略次要因素突出主要因素的哲學(xué)思想。觀看央視鐵球和羽毛下落視頻和牛頓管實驗，學(xué)生充分感受自然規(guī)律的奇妙。實際的落體運動非常復(fù)雜，它下落快慢既與物體質(zhì)量有關(guān)，也與空氣對物體下落影響有關(guān)，受限于當(dāng)時的條件，連偉大的亞里士多德也沒能研究清楚，但伽利略認(rèn)為科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)從最簡單之處人手，于是他提出一種純粹的落體運動——自由落體運動[4]：只受重力，不受空氣阻力，且初速度為零。自然界中的落體運動紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著如此簡潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。讓學(xué)生充分體驗、感悟自由落體運動模型的建立，引發(fā)學(xué)生心靈的震撼，培養(yǎng)學(xué)生的洞察力。

3.基于問題導(dǎo)向，設(shè)置情境，巧設(shè)實驗釋惑

得出自由落體運動規(guī)律后，通過例題鞏固新知是常用的方法。本節(jié)課筆者創(chuàng)設(shè)的高空墜物和高空拋物情境是生活中的熱點問題，通過疑案追蹤，讓學(xué)生真實感受物理來源于生活，又可以應(yīng)用物理規(guī)律解決實際問題。通過相機拍攝的照片推導(dǎo)物體從哪里下落，涉及的分析過程比較復(fù)雜，學(xué)生很難討論出結(jié)果。巧妙設(shè)計小球下落實驗，當(dāng)場通過PS軟件堆棧功能將幾張小球照片合成為一張照片時，你能聽到學(xué)生的驚嘆聲，在這種活躍的課堂氛圍中，學(xué)生解決問題的意愿高漲，進而有效提高教學(xué)效果。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)：學(xué)生應(yīng)該主動獲取、加工和重組知識，而不應(yīng)成為知識的被動接受者。教師應(yīng)當(dāng)努力讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過程變成科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，并從中體驗科學(xué)之美，積淀物理素養(yǎng)。

[參考文獻]

[1]Linda Torp，Sara Sage.基于問題的學(xué)習(xí)：讓學(xué)習(xí)變得輕松有趣[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2004.

[2]周后升.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂滲透：以PBL導(dǎo)向下“牛頓第三定律”的教學(xué)為例[J].物理通報，2018（2）：50-54.

[3]朱燕.高中物理教學(xué)中PBL教學(xué)模式的應(yīng)用研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2018.

[4]鄭青岳.“自由落體運動”課題的聽課札記[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2012（ 12）：44-45.

（責(zé)任編輯 易志毅）