基于對教材質疑的視角開展高中物理深度教學

馬朱林

（江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011）

新課改以來，學界眾多專家發出了“為思維而教”的呼吁，認為要使思維能力培養真正成為教育教學的核心目標和最終追求.批判性思維的培養和質疑能力的提升是一切思維習慣和思維能力培養的前提和基礎.明代哲學家陳獻章說過：“前輩謂學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進.”質疑是培養創新思維的突破口，物理核心素養的形成也必須建立在質疑之上.然而，在實際教學中發現“唯書唯上”卻成為不少學生的學習習慣，缺乏思考的盲從削弱了學生自主質疑和思辨的能力，從而對學習新知的興趣漸淡，更無從談起主動探究和深度學習.

高中物理教材是實施課程教學的重要載體，有著很好的科學性、嚴密性、系統性.和初中物理相比，高中物理的概念較為抽象，規律的邏輯性較強，一些生產、生活現象的物理解釋與實際的生活體驗差距較大，再受到認知水平的局限，學生對教材中呈現的物理概念和規律的闡述質疑.教材中提供的無論是演示實驗還是學生實驗在方案設計、器材選擇、可操作性等方面還有更優化更創新的方案.這些內容可以成為學生批判性研究教材、開展深度學習的重要資源.

1 通過對研究邏輯的質疑，建立嚴謹的科學方法觀

物理學不僅是一門揭示和研究物質結構和運動規律的學科，其在發展過程中所積累、總結出的科學方法對推動科學的發展起了積極的作用，尤其是研究方法的邏輯性.伽利略是物理科學研究方法論的創始者，其創建的研究方法對經典物理學發展起到巨大作用并一直沿用至今.經典物理學研究方法的基本邏輯如圖1所示.

圖1

高中物理知識基本上屬于經典物理學范疇.按照《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出的學科核心素養的要求，學生在高中物理學習中除了形成“物理觀念”外，更重要的是掌握準確的“科學方法”，并能運用科學方法研究物理學和其他領域的問題.在物理課堂教學中，除了引導學生運用正確的科學方法來探究物理原理、定律外，更要引導學生對教材所呈現的研究邏輯的合理性進行質疑與思考，建立合理的研究邏輯，形成嚴謹的科學方法觀.

人教社2019年版教材中“力的合成與分解”一節在編排上和前一版有所不同.老版教材中主要是從“實驗驗證”的視角得到平行四邊形定則，而2019年版的編寫意圖是通過實驗對平行四邊形定則形成“猜想”，再進一步通過實驗對猜想進行探究，進而“驗證猜想”，即“實驗觀察—提出猜想—理論探究—實驗驗證—修正推廣”.這是符合科學研究的一般邏輯.如圖2所示，教材通過兩個互成角度的力F1、F2拉橡皮條和一個單獨的力F拉橡皮條，兩次實驗中橡皮條長度和方向相同，再用力的圖示法構造出F1、F2和F之關系，如圖2（丁）所示，進而讓學生猜想F1、F2合成為F所遵循的規則.學生通過F1、F2和F所構造出的圖形很容易就可以猜想到平行四邊形，但是這只是猜想，按照科學研究的邏輯，猜想過后需要通過理論和實驗對猜想進行驗證.教材中用了一句“通過多次的實驗探究我們會發現，……”對“實驗檢驗”這一環節簡述之.編者簡述是由于“實驗檢驗”和“實驗猜想”方案幾乎相同，無須贅述.然而，這會讓學生對教材所呈現的科學研究的邏輯性質疑.這樣的質疑恰恰是開展深度學習最好的資源.

圖2 探究二力合成規律實驗示意圖

教學片段：

師：同學們，剛才通過實驗，大家對將兩個分力F1、F2合成為一個力F的“運算”規則提出了猜想，即平行四邊形定則.但是，這只是通過這一個實驗提出的猜想，并沒有得到驗證，不一定具有普適性，所以，需要通過理論和實驗的驗證才能說明猜想的正確性.當然，教材中有一句話“通過多次的實驗探究我們會發現，……”對猜想作了肯定.

生1：一句話太敷衍了.

師：平行四邊形定則作為另一種運算規則在沒有得到確切驗證時，我們難以欣然接納.既然教材中的一句話難以說服你們，就請你們拿出驗證的方法說服自己.

（學生討論）

生2：我可以繼續從實驗的角度驗證平行四邊形定則的正確性.

生2：實驗的整個操作過程和剛才基本一樣，只是在數據處理上不同.

（生2走上講臺，在黑板上板演，如圖3所示）

圖3

生2：以F1、F2為鄰邊作平行四邊形，作該四邊形的對角線，記作F′，按照比例標度量出F′的大小，F′就是F1、F2的合力，也就是這個實驗的計算值.將F′與真實值F作比較，我們看到計算值F′和真實值F的大小近似相等，方向近似一致.這就驗證了平行四邊形定則的正確性.

師：很好.但是，這兩個實驗有什么區別？

生3：第一個實驗是根據實驗提出猜想，第二個實驗是對猜想的驗證，兩個實驗看似相似，但是處理方法不同，研究邏輯也不一樣.

生4：老師，我還可以從理論上證明平行四邊形定則的正確性.

（學生議論紛紛）

生4：力和位移有相同的特點，既有大小又有方向，所以在運算規則上也應該是相同的.在學習位移時，當物體從A運動到B再到C，這兩段運動的總位移就是從A到C，位移AB＋位移BC＝位移AC，它們之間是三角形關系（如圖4所示），將位移BC平移至AD并連接BC、DC，則組成平行四邊形.也就是說對位移AB和位移BC運用平行四邊形定則進行合成，即可得到位移AC（如圖5所示）.

圖4

圖5

2 通過對演示實驗的質疑，提升實驗創新的能力

實驗是物理學的靈魂.通過實驗能夠引發認知沖突、提振探究欲望和提升實驗能力，所以，實驗教學是高中物理課堂的核心.教材中呈現的演示實驗雖然在設計原理的科學性、教學功能的啟發性、實驗現象的趣味性等方面做了精心的設計，然而，隨著技術的發展，有些實驗在設計、器材、操作、數據收集等方面有著更優化更創新的方案.筆者以此為契機，在不作任何指導的情況下先讓學生按照教材上的要求做實驗，讓學生在實驗操作的過程中去發現問題與困難，進而質疑.疑則思，思則變.筆者再順勢引導學生對實驗方案、操作難度、數據穩定進行優化，同時，還要鼓勵學生自主創新，研究設計不同于教材的實驗方案，自制實驗儀器進行實驗，從而實現真正意義上的科學探究和深度學習.

教學片段：

師：請同學們按照教材中提供的實驗方案進行實驗.

（學生按照圖6所示開展分組實驗，雖經多次實驗，但是效果不理想）

圖6

生1：老師，教材中提供的實驗方案有問題.

（大多數學生對生1的質疑很驚訝，但有部分學生點頭贊同）

師：有什么問題？

生1：我用手拉彈簧秤，難以保證木塊做勻速運動，彈簧秤的示數一直在發生變化.

（大部分學生點頭同意生1的回答）

師：很好.那有什么改進方法嗎？

（學生討論）

生2：我有一個方案.實驗時不用手拉彈簧秤，我用一個小型電動機，用一根細線一端固定在彈簧秤上，一端固定在電動機的轉軸上，電動機勻速轉動時牽引木塊做勻速運動，彈簧秤讀數應該可以穩定.

生3：我覺得生2的方案也有問題.由于彈簧秤有重力，所以彈簧秤和細線肯定不在同一個方向，這樣測量誤差太大.

師：生2解決了木塊勻速運動的問題，那你有什么更好的測量手段？

生3：用力傳感器.將力傳感器固定在木塊上，細線的一端固定在傳感器上，可以從傳感器上直接讀出拉力大小.

（全體學生鼓掌?。?/p>

師：方案很完美！希望同學們課后去做一做這個實驗.

師：可是，很遺憾，我現在能提供的實驗儀器只有木塊、木板、彈簧秤、砝碼，大家再討論討論有沒有什么好辦法.

（學生討論）

生4：可以做.讓木塊靜止不動，拉動木板.根據滑動摩擦力的定義可知，只要木塊和木板之間發生相對滑動，木塊就受到滑動摩擦力.根據二力平衡原理，彈簧秤的拉力大小與滑動摩擦力大小相等，這樣彈簧秤示數就是滑動摩擦力大小.

3 通過對概念表述的質疑，強化對物理觀念的理解

只有加強對物理概念的理解才能建構科學的、系統的物理觀念.物理觀念的形成是培養學科核心素養的基石.考慮到不同學段學生的認知水平和能力要求，編者在編寫教材時對有些物理概念的表述會限定在某個學段的知識范圍內，如初高中教材中對速度的定義就不一樣.初中教材中定義的速度實際上是平均速率，因為矢量觀的建立對初中生是不作要求的.由于前后表述的差別較大，這會讓學生對現有概念與前概念產生認知沖突，從而對教材的表述質疑.有質疑才會有深入的探究，有深入探究就會有學習拓展.在教學時，抓住學生的認知沖突，積極引導學生通過主動查閱文獻、請教教師、同伴討論等方式開展深度學習，進而建構科學、準確的物理觀念，強化對觀念的深刻理解.

人教社2019年版教材必修1第3章第4節“力的合成與分解”中對矢量和標量的定義為：既有大小又有方向，相加時遵從平行四邊形定則的物理量叫作矢量.只有大小，沒有方向，相加時遵從算術法則的物理量叫作標量.除了力和位移以外，速度、加速度都是矢量.在我們學過的物理量中，質量、路程、功、電流等都是標量.

在對矢量和標量的定義進行學習時，學生對教材文本的定義是沒有異議的，學生對標量的運算定則和特征有了較為深刻的理解.然而，學生對教材中將“電流”定義為標量會質疑.在初中物理學習中，電流被定義為既有大小又有方向的物理量，高中教材也從微觀的角度對電流方向作了規定，即正電荷定向移動的方向為電流方向.當學生帶著困惑向筆者請教時，筆者沒有向學生作出任何解釋，而是引導學生自主查閱相關文獻資料，如查閱論文、普通物理教材等并展開討論學習.學生通過自主查閱、研究討論，不僅對矢量和標量的定義、特征、應用等有了更深刻的理解，還拓展性地學習了其他物理知識和方法，領悟到物理學的深度與廣度，激發了學生探知物理學奧秘的欲望.同時，讓學生深刻體會到通過教師教來獲得知識是階段性的，只是眾多獲取知識的途徑之一，自主學習才是主要的、終身的也是最有效的學習方式.授人以魚不如授人以漁；授人以漁，不如授人以欲.

4 通過對解法多樣的質疑，培養發散性思維

物理的學習除了對物理觀念的形成需要深刻理解外，還要學會運用相關的物理觀念和方法解決問題，以達到“學以致用”的育人目標.教材中對應用的呈現方式主要是例題和習題，但是解法比較單一，鮮見一題多解.在教學過程中，可以引導學生對教材中的解法進行質疑，除了對解答的合理性的質疑，更重要的是對解法數量的質疑，引導學生從多角度、多路徑去思考解決策略與方法.由于教材中的例題和習題對學生能力的要求比較基礎，為了讓深度學習能真正發生，在教學過程中還可以引導學生在原有基礎上對例題和習題進行改編，形成新的問題并鼓勵學生“一題多解”.在改題中培養學生的思維的嚴謹度和全面性，在“一題多解”中促進學生發散性思維的培養，提升學生深度思考的能力.

以人教社2019年版必修2第5章第2節“運動的合成與分解”練習與應用中習題5為例.

例題.汽艇以18 km／h的速度沿垂直于河岸的方向勻速向對岸行駛，河寬500 m.設想河水不流動，汽艇駛到對岸需要多長時間？如果河水流速是3.6 km／h，汽艇駛到對岸需要多長時間？汽艇在對岸何處靠岸？

教學片段：

生1：老師，我覺得不應該只有一種方法，應該還有其他方法.

師：你說說.

生1：由于垂直河岸方向和平行河岸方向都是勻速直線運動，所以合運動也是勻速直線運動.我們可以通過幾何關系找到汽艇的實際位移和實際航行速度就可以得到時間，這是用了合成的觀念.

生2：還可以通過幾何關系找到沿河岸方向的分位移，用沿河岸方向的分位移除以河水流速得到運動時間，這用了分解的觀念.

師：很好，有3種方法兩種觀念解決渡河問題.那請同學們思考一下，你能否根據題中的條件重新設置情境，求解其他物理問題？

（學生討論）

生3：條件不變，求汽艇渡河的最短位移以及汽艇船身與河岸之間的夾角.

師：請同學們都記下生3重新提出的問題.

生4：條件不變，汽艇船身與河岸上游之間夾角為30°，求汽艇的實際航行速度以及到達對岸的位置.

師：很好.下面我們一起先來討論生3提出的問題.同學們先思考一下，解決這個問題可以從哪幾個角度去分析？

生5：最短位移已定，就是河寬.分析汽艇船身與河岸之間的夾角依然可以從兩個角度去分析，也就是從合成的角度和分解的角度，所以有兩種方法.設靜水中的速度v，水流流速u，汽艇實際航行速度為V，合成法如圖7（a）所示，分解法如圖7（b）所示.

圖7

（生5邊講邊畫）

師：好！下面請同學們用兩種方法處理.

……

5 結語

新課程理念的落腳點在課堂教學，課堂教學的關鍵點在師生、生生思維的碰撞與觀念的創生，而思維的碰撞與觀念的創生的源泉在于質疑.對教材的質疑并非狹義的“懷疑教材、否定教材”，而是對教材中原有觀點多角度、多維度、多層面進行再思考，讓學生思維發散，深入思考，提高品質.學生通過質疑來產生新的問題進而實現知識與方法的拓展延伸，達到“點—線—面”的效果，讓學習產生“鏈式反應”.深度思維與廣度知識的有機融合，讓深度學習真正發生.通過對教材的質疑來培養學生追求真理的科學態度和對真理孜孜以求的科學精神，不唯書、不唯上、只唯實.所以，引導學生合理質疑是踐行新課程理念，培養學生物理核心素養的有效途徑之一.