培育科學思維的問題情境課堂的構建——以人教版必修1“牛頓第一定律”教學為例

李 威

（江陰市祝塘中學，江蘇 江陰 214415）

科學思維是物理學科核心素養的核心元素，是學生發展的重要關鍵能力，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.在學習過程中，科學思維不會自然發生的，它需要由初始問題引發，由關聯性問題維持，問題解決、思維發展是終點.《中國高考評價體系》指出，問題情境是高考評價的載體，具體來說就是創設真實的問題背景即以問題為中心構成的活動場域，考生在情境中進行解決問題.值此新高考新課標新教材落地實施之際，高中物理課堂教學需要與時俱進地進行相應的變革.筆者認為培育科學思維的問題情境課堂教學是培育高中學生科學思維的有效途徑，是實現“教、學、考”有機銜接的重要方法.

1 培育科學思維的問題情境課堂設計

培育科學思維的問題情境教學就是從教學的需要出發，將知識問題化，問題情境化，創設系列遞進、關聯的問題情境，以引起學生積極的態度、行為體驗，激發學生勤思、會思、善思，在解決問題的過程中，自主建構知識，發展科學思維的一種教學方法.培育科學思維的問題情境課堂的建構，以創設學習探索情境、生活實踐情境為路徑，以多樣化方式為著力點，激發認知沖突，促成質疑創新；創造實驗機會，引領科學推理；明確思維取向，體驗抽象概括；融合現代科技，推動思維可視；優化教材實驗，嘗試模型建構；拓展教材實驗，誘發科學論證.

2 培育科學思維的問題情境課堂的實踐

新課標（2017年版）指出，教師引導學生經歷物理概念的建立過程和物理規律的形成過程，是發展科學思維的重要途徑.本文以“牛頓第一定律”為例，進行教學實踐.

2.1 創設學習探索情境，自主構建物理規律

《中國高考評價體系》指出，學習探索情境源于真實的研究過程或實際的探索過程，涵蓋學習探索與科學探究過程中所涉及的問題.人們對于力和運動關系探索的歷史進程，就是學習探索過程，我們通過創設問題情境，促成學生簡約地親身經歷這一歷史進程，親身體驗這一歷史進程中遇到的問題，親身嘗試運用科學思維解決問題，進而實現學生科學思維的培育和發展.

2.1.1 激發認知沖突，促成質疑創新

問題情境1：桌子上放一輛小車，用力推小車、不推它，小車分別處于什么運動狀態？

問題情境2：（1）水平桌面上鋪上棉布，小車從斜面上滑下；（2）不鋪棉布，小車從斜面同一高度滑下.問題：（1）小車停下來的原因是什么？（2）兩次小車滑行距離的大小有什么不同？（3）兩次小車滑行距離的大小不同的原因是什么？（4）如果沒有摩擦力，小車運動情況有什么特點？

設計意圖：學生在學習物理概念和規律之前，基于生活和已有的知識，形成了大量的經驗情境，這是構建新的物理概念和規律的基礎.問題情境1通過實驗幫學生建立已有“經驗認知”，分析概括得出亞里士多德的觀點；問題情境2引導學生自己發現認知存在矛盾，激發認知沖突，學生先通過觀察、思考，然后基于事實證據和科學推理對之前錯誤認知提出質疑和批判，提出創造性見解，既促進學生主動學習意識與能力，也發展了質疑創新的科學思維能力.

2.1.2 創造實驗機會，引領科學推理

科學推理是由一個或幾個結論推出另一個新結論的思維方式，一般包括歸納推理和演繹推理.學生只有在問題情境中，進行科學推理的磨煉，才能提升科學推理能力.本節內容要學習伽利略的觀點，更重要的是學習他獨創的“實驗+邏輯推理”的科學研究方法.筆者利用目前窗簾PVC軌道自制教具（如圖1），制作簡單，取材方便，做了20套，開展學生分組實驗，給學生創造實驗機會，讓所有學生都能簡約地經歷伽利略的研究過程，體驗科學推理的過程.

學生實驗探究過程：小球在左側斜面同一位置多次釋放（如圖1、2），記錄每次小球到達右側斜面的位置（右側斜面傾角逐漸減小）.

圖1

圖2

問題情境3：（1）小球在左側斜面同一位置多次釋放，小球在右側斜面能否回到釋放位置的高度？（2）小球在左側斜面同一位置多次釋放，當右側斜面傾角減小時，小球在右側斜面上運動的距離和高度如何變化？

如果私募股權投資公司對于創業項目有興趣，認為創業者有資格獲得投資，接下來就是投資條件協商談判。在這個過程中，初創公司往往處于被動地位。在盡職調查結束后，投資公司就會提出相關的報價與條件。在雙方達成一致后，就可以簽署協議。

問題情境4：如果沒有摩擦，（1）上述兩種情景如何？（2）如果此時右側斜面傾角減為0，小球運動有什么特點？（3）你看到了嗎？

設計意圖：在探究實驗過程中，如果完全放手讓學生自己去探究，就容易導致探究方向偏離或探究面太廣，進而偏離或淡化探究主題，使課堂教學效率偏低.我們在分組實驗的基礎上，創設問題情境，適當降低實驗的開放程度，通過問題導航學生活動的目標指向性；通過問題情境促進學生學習的主動性；通過問題情境引領科學推理的過程.問題情境1基于真實實驗，問題情境2基于理想實驗，“真實”與“理想”的對比產生了新問題，促成科學推理的介入.“你看到了嗎”再次提醒學生結論是理想的，現實看不到、摸不著，想得到結論必須給出科學合理、符合邏輯的解釋，這就促成“理想實驗+邏輯推理”研究方法的自然誕生，學生通過積極合作、小組討論最終形成科學的解釋“小球是要追尋初始釋放位置的高度而一直運動下去的”，學生經過科學推理過程的磨煉，科學推理已經從“知識的結論”內化為學生的“科學思維能力”.

2.1.3 明確思維取向，體驗抽象概括

思維取向是科學思維的基本立場、基本范式要求和價值觀.科學思維取向含有豐富的育人內涵，它既承載了“以實證為判斷尺度、以邏輯做辯論武器、以懷疑作為審視出發點”的科學精神，又承載了實事求是、客觀公正的科學態度和責任.

問題情境5：笛卡爾、牛頓對力和運動關系做了怎樣的表述？在研究力和運動關系的歷史進程中，我們如何認識和評價亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓的貢獻？

設計意圖：學生帶著問題情境5的問題閱讀課本，解決問題，既體驗牛頓天才式的抽象概括能力，又理解“牛頓是如何站在巨人的肩膀上的”；通過對比4位偉人對“探索力和運動關系”的貢獻，作出客觀公正的評價，幫助學生樹立正確的科學思維取向.

2.1.4 融合現代科技，推動思維可視

問題情境6：（1）牛頓第一定律能否用實驗來驗證？（2）物體什么時候可以看做不受力，舉例說明.

設計意圖：讓學生認識和理解牛頓第一定律所描述的物體不受外力的狀態是理想化狀態，是不能用實驗來驗證的；可以用合力為零的狀態代替不受外力的狀態，并舉例說明，主要著眼于物理研究方法“等效替代法”的應用，同時也為用氣墊導軌近似演示牛頓第一定律做好鋪墊.用氣墊導軌、位移傳感器（如圖3）近似演示牛頓第一定律得到“位移-時間”圖像（如圖4）所示，不僅源于科學推理的理想狀態下物理的運動變得可視，而且使學生感受科學思維的強大魅力.

圖3

圖4

2.2 創設生活實踐情境，物理規律遷移應用

《中國高考評價體系》指出，生活實踐情境與日常生活以及生產實踐密切相關，考查學生運用所學知識解釋生活中的現象、解決生產實踐中的問題的能力.學生在自主學習牛頓第一定律后，運用它解決生產生活中的問題，既可以加深理解，又可以培育科學思維能力.

2.2.1 優化教材實驗，嘗試模型建構

演示實驗1：如圖5所示.

圖5

演示實驗2：拿出兩個外表近似相同的雞蛋，一個生雞蛋，一個熟雞蛋，先讓學生思考如何判斷，然后分別旋轉兩個雞蛋，按住并立刻松開，再讓學生根據現象判斷哪一個是熟雞蛋.

演示實驗3：在氣墊導軌的滑塊上自制一個實驗裝置，將小球下按使彈簧壓縮，在裝置上安裝一個觸發延時開關，滑塊在氣墊導軌上運行2 s后，開關打開，小球被彈簧彈出，上升、下落后，準確無誤地落到彈出時的位置（如圖6）.

圖6

設計意圖：3個演示實驗涵蓋固態靜止的物體、液態運動的物體、動態過程中的物體.一方面情境從簡單到復雜，不斷增加模型建構的難度，另一方面從不同情景、狀態等角度建構“慣性”模型，并對實驗現象做出解釋，為歸納概括出“一切物體都有慣性”奠定基礎.為了增強趣味性，“以境生情”激發學生主動學習、積極合作，演示實驗2在實驗情境的基礎上，采取游戲化操作，學生做出哪個是熟雞蛋的判斷后，讓學生自己把雞蛋砸開看看，如果學生砸開的是生雞蛋，則鼓勵他勇于實踐的精神，“以情潤境”鼓勵他積極思考，做出正確解釋，并把熟雞蛋作為獎品獎勵給他；如果學生砸開的是熟雞蛋，則表揚他猜想正確，引導他做出正確的解釋并把熟雞蛋作為獎品讓他當場吃掉.

2.2.2 融合科學探究，觸發科學論證

物理學科核心素養的4個元素之間沒有嚴格的界限，將它們一個或幾個有機融合起來，可以實現“共生相長”.在探究物體慣性與質量關系的教學環節，融合科學探究，觸發科學論證.

實驗器材：小車、彈簧、直尺等.

探究過程：（1）觀察視頻（大貨車和小客車同時啟動，同時剎車的情境）；（2）猜想“物體慣性大小與什么因素有關”；（3）設計實驗；（4）進行實驗；（5）得出結論.

設計意圖：對于“慣性大小的決定因素”的探究，絕大多數教師選擇演示實驗，幾乎沒有教師選擇學生分組實驗，而學生的科學論證能力需在真實的科學探究中才能更有效地得到錘煉和提升.因此，筆者運用生活中常見器材對教材實驗進行拓展創新，為學生提供科學探究的機會，學生設計方案如圖7、8，增強學生的證據意識（基于證據的猜想，基于數據分析的結論等），培養學生科學論證能力.

圖7

圖8

3 教學反思

德國學者第斯多惠認為，“教育藝術的本質不在于傳授本領，而在于對學生思維能力的喚醒與自信心的鼓勵”.就培育科學思維的高中物理問題情境課堂而言，培養和發展科學思維是目標，在物理情境中分析、解決問題是主體，激勵評價、有效問題情境是保障.以此為“綱”，以問題情境為路徑，以多樣化方式為著力點，根據教學需要，靈活變通實施，培育科學思維的高中物理問題情境課堂就能有效建構.