借助“問題鏈”探究教學 培養學生的科學思維——以滬科版《萬有引力定律》一課為例

張 磊

(上海市新中高級中學 200436)

高中物理的核心素養是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個維度構成.其中，基于問題的“質疑創新”的課堂教學，對于幫助學生形成以問題為載體、在解決問題的過程中培養學生科學思維能力，無疑起著重要作用.這也就需要教師在問題設計上多下功夫，提出富有具有啟發性和挑戰性的問題，引導學生由淺入深地進行思考、探究，從而提升學生的物理核心素養.以下我就自己在《萬有引力定律》一節中的嘗試進行總結與反思，懇請各位同行指正.

一、教材分析

本節課是滬科版基礎性教材第十三章《宇宙》的第一節，與人教版教材不同,本節課由于沒有牽涉到向心力的計算，因此在教學過程中應該避免這方面問題.另外，在滬科版教材中,有關萬有引力與天體運動間的定量關系也是放入拓展性教材的，因此也不宜涉及.所以本節課設定在知識與技能層面的教學目標主要是在于萬有引力定律的發現過程以及萬有引力定律的內容及表述.也正因為如此，有時教師在進行本節課教學時會操之過急：既然現階段無法與其最重要的應用——天體運動相聯系，那就干脆在很快的引出萬有引力定律后，將大部分時間放在對于公式的應用方面.實際上，萬有引力定律的發現過程蘊含著富有創造而又嚴謹的科學思維，如能將“萬有引力定律”從問題的提出、猜想、演繹、推理、結論的得出等這些內容生動的展現在學生面前，將是發展學生思維能力難得的好材料.

二、學情分析

從學生已有知識儲備來講，他們對這節課的內容最耳熟能詳的就是關于牛頓的蘋果落地的故事，但對科學家的事例、研究方法、牛頓發現萬有引力定律的過程和科學思想的了解不夠系統和準確.因而我在教學過程中，主要是立足于借助教學問題的設計，引導學生重走前輩科學家探究之路的基礎上，著重于對學生科學思維的培養.

三、問題設計

考慮本節課的教學重點既不在于公式的推導與應用過程；也不在于實驗探究或驗證，所以我采用的是問題鏈探究式教學模式,在逐層深入的問題探究中破解概念建立的難點.借助這一方式，一方面可以調動學生的自主思維體驗；另一方面幫助學生建構新的認知知識結構.

1.問題一——當我們在談蘋果落地時，我們在談什么？

師：“當我們談到萬有引力定律的時候，大家首先會想到什么呢？”

生：“蘋果落地”.

師(追問)：“大家有沒有想過，為什么是牛頓而不是別人發現萬有引力定律呢?”

這個問題一提出，教室里陷入了短暫的沉默.事實上，從牛頓的“蘋果落地”到萬有引力定律的發現，這是一個復雜的思維運動和科學研究的過程.看到蘋果落地現象，只是一個起因，要得出最終結論關鍵在于能夠從現象引出問題并進行推理.在地球上，物體受重力落到地面這樣的一個事實，對大多數人來說只是一個常識.而對牛頓來講，則構成了他思考萬有引力問題的起點——這個故事的價值正是緣自于此.

2.問題二——如果蘋果樹長“高”了…… ？

師：“正常情況下蘋果樹一般也就幾米高，我們不妨做個假設，如果這棵蘋果樹能長到100米，蘋果脫離樹枝后還會落地嗎?”

生：“因為蘋果受到地球重力的作用，所以還是會落地.”

師：“那咱們的膽子再大一點兒，假設這棵蘋果樹能長到1000米，蘋果還會落地嗎?”

生：“還是會的.”(1000米，離我們似乎太遙遠，學生的回答有些猶豫，但答案還是肯定的，有些學生已經開始思考為什么我會這么問了).

師：“那如果這棵蘋果樹要是長到和月亮一樣高，蘋果是否還會落地?”

生：“還是會的，只要在地球的引力場中，一定落地.”(這時，學生的回答反而又變的堅定了).

在這一過程中，隨著蘋果樹“越長越高”，答案似乎也變的有些飄忽不定，但通過對這一串問題的回答，學生發現只要抓住問題的本質——蘋果受到地球重力的作用，那它就會落地.

本節課的第一個思維難點，就是引導學生思考，將“天上的力”與“地上的力”聯系起來.通過前面問題的鋪墊，到最后一個問題的提出，很自然的引導學生聯想到其實月亮也會受到地球的引力，同時也引出了后續問題.

3.問題三——為什么月亮沒落地呢？

師：“既然長到像月亮那么高的蘋果樹上的蘋果還是受到地球的引力，那月亮是否也受到地球的引力呢？(受的)“那月亮為什么卻沒落地呢?”

是呀，為什么月亮沒落地呢？學生自發的就開始討論起來，通過對比分析，很快也有了結果——蘋果和月亮都會受到地球的引力作用，蘋果之所以落地，是因為蘋果沒有初速度；而月球之所以不落地，是因為月球有速度，它在繞地球轉動.

按照教材安排，在之前《勻速圓周運動》一節中，僅僅是講到物體做圓周運動的條件是需要向心力，并沒有對此詳細展開，也沒有講到向心力和線速度的關系，所以在思考這一問題時，學生一方面是通過對比蘋果和月亮之間的顯性區別(有無速度)；另一方面也聯系了地理方面知識，在已有經驗的基礎上進行了合理的外推.

4.問題四——如何讓蘋果也不落地呢？

師：“那既然月亮可以不落地，如果我也不想讓蘋果落地，又該怎么辦呢？”

生：“那就也給蘋果一個初速度.”

講到這里，我用幾個小紙團替代蘋果，在同一高度分別以不同的速度水平扔出.學生通過觀察發現：給紙團的初速度越大，它在水平方向上通過的距離就越長.由此做出大膽的推測，如果給小紙團足夠大的速度，它通過的水平距離也就會無限遠，那就相當于在繞地球運動，就不會落地了.

而這一想法，正是當年牛頓對于牛頓炮彈的設想.他設想在地球上有一座和月球一樣高的山，在山上架起一門大炮，能夠任意發射各種速度的炮彈.這樣，牛頓見到的“豎直落地的蘋果”就變成了“具有水平速度的炮彈”.當炮彈的速度較小時，炮彈做平拋運動；而隨著速度增大，炮彈水平方向運動的距離就越來越遠；當炮彈的速度達到一定的值時，炮彈就不再落到地面，而是圍繞地球旋轉.講到這里，當學生發現自己的想法竟然和牛頓不謀而合，高興之情，溢于言表.

本節課的第二個思維難點，是如何使月球的環繞運動與蘋果的豎直落地運動相聯系？借助“拋紙團”(牛頓炮)這一小實驗做媒介，也很自然的建立了兩者之間的聯系.

5.問題五——天上的引力和地上的引力一樣嗎？

師：“地球對地球上的蘋果有引力的作用，那對地球上的其他物體是否也有引力呢？地球對遙遠的月亮有引力的作用，那對其他天體也會有引力嗎？如果我們的眼光再放遠一些，地球也在繞著太陽轉，它們之間也有引力嗎？”

四、教學反思

萬有引力定律不是實驗的直接結果，它是通過牛頓大膽的假設與嚴格的求證得出的，這也決定了本節課的教學模式是以理論規律探究為主.這種課型往往會流于沉悶或者變成教師的一言堂，而本節課的設計通過符合學生認知結構的的問題鏈設計，把看似零散的概念、規律滲透在問題探究的全過程，依托問題鏈探究激發出學生深層次的思維活動，以符合學生認知結構的問題解決策略不斷強化學生的物理思維方法，從而衍生出完整的知識結構，促進學生科學思維的發展，收到了較好的效果.