基于科學思維能力提升的問題情境設計策略

潘國盛

（鹽城市亭湖高級中學，江蘇 鹽城 224000）

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格，概括起來包含：模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新.學生通過參與活動、習得知識、掌握技能，進一步積極地嘗試方法，反思自己的認知和理解過程.這樣的一個過程其實就是不斷提升思維能力的過程.而這樣的過程能否持續發生，主要依賴于問題情境的設計是否科學合理、適時有效.教師在教學中可以從以下4個方面進行教學設計（圖1）.

圖1 問題情境設計策略示意圖

1 利用原始物理問題，培養學生模型建構能力

所謂原始物理問題，泛指自然界及社會生活、生產中未被抽象加工的涉及物理學科內容的實際問題.它來源于客觀現實中的物理現象，只是對自然或社會現象客觀樸素的描述.在解決原始物理問題的過程中，學生需將現實的物理現象與物理知識相結合，根據解決問題的需要，抓住主要因素、忽略次要因素、排除無關因素、構建理想的客體，即抽象出合理的物理模型.

例如在“超重和失重”這節課的教學設計中，可以讓學生站在體重計上做上、下蹲動作，通過觀察體重計示數的變化來引入新課，學生從而建立起支持力和重力大小關系，形成超重和失重的定義.在“重力勢能”的教學中，可以從禁止高空拋物的警示牌或者高空拋物危害的新聞引入.從這一原始問題開始，學生開始思考一個很小的物體為什么會有那么大的破壞力，從而建構重力勢能的概念.這類課堂引入的方式從一系列原始問題引入，不僅激發學生的興趣，更是讓學生體驗到從生活中發現問題、尋找解決問題的方法，經歷解決問題的科學探究過程，在獲得知識的同時培養科學思維.

從這些原始物理問題中，學生經歷了好奇、探索、分析、抽象等一系列過程，建立了基本的物理模型，從真實情境中總結出的知識模型對學生來說是終身受益的，比起直接告訴學生知識，知識建構更能增強學生的能力.當學生再次遇到同種類似情境時，可以再現這個模型的建立及探究過程，從而能夠達到思維方法遷移的效果.

2 設計逐步遞進問題，發展學生科學推理能力

科學認識是一個由個別到一般又由一般到個別的反復認識過程.通過個別認識到一般認識的主要思維方法是歸納，通過一般認識到個別認識的主要思維方法是演繹.科學思維是歸納與演繹的辯證統一.問題的構造是一堂課的“靈魂”所在，學生與教師之間的互動是建立在探討問題基礎上的，教師必須充分依靠情境，在“學生的最近發展區”設計出富有思維含量的問題，通過這些問題的解決，逐步發展學生的科學推理能力.

例如，在“萬有引力”的教學中，可以通過設計層層遞進的問題讓學生體驗萬有引力的推導過程.要得到太陽和行星間的引力大小表達式，你會建立怎樣的運動模型？利用哪些物理規律進行？學生會想到圓周運動的向心力公式，從而得到行星運動所需的向心力.對于上述表達式，我們能否通過天文觀測進行驗證？學生根據開普勒的運動規律可以觀察行星運動的周期.力和距離之間存在怎樣的關系？力與距離的平方成反比，太陽對行星的作用力只與行星質量有關嗎？怎么解決？學生從牛頓第三定律的角度出發，在引力性質上，行星與太陽的地位完全相當，從而得到力應該與兩者質量的乘積成正比.具體的教學過程可以這樣進行.

師：（播放行星繞太陽運行的視頻或動畫），大家現在看見的是什么場景？這些行星在做什么運動？

生：看見了行星繞太陽運動.

師：根據你的體會，你認為太陽與地球的繞行關系是怎樣的？

生：地球圍繞太陽運行.

師：是的，從地心說到日心說，確立了行星繞太陽運行的模型.那么有誰能回顧一下開普勒三定律？

生1：所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上.

生2：行星和太陽的連線在相等的時間間隔內掃過的面積相等.

生3：行星繞太陽一周的時間平方與軌道長半軸立方成比例.

師：圓周軌道是橢圓軌道的特例，如果認為行星是近似做圓周運動，同學們能否簡化這三定律？

生1：太陽位于行星運動的圓心.

生2：行星繞太陽做勻速圓周運動.

生3：行星周期平方與軌道半徑3次方之比相等.

師：行星為什么會這樣運動？

師：（播放歷史猜想），最終牛頓在前人奠定的基礎上，通過自己的分析運算，得出了萬有引力.那么要得到太陽和行星間的引力大小表達式，你會建立怎樣的運動模型？

生：構建質量為m的行星繞距離為r的太陽做勻速圓周運動模型.

師：這樣的運動模型遵循哪些物理規律？

生：圓周運動的運動學規律和牛頓第二定律.

師：要求萬有引力F，該如何消除式子中的周期T？

生：運用開普勒定律.

師：請大家進行推導演算.

師：力和距離之間存在怎樣的關系？

生：和距離的平方成反比.

師：行星對太陽有引力嗎？你是怎么想的？

師：對于上述表達式，我們是否能夠通過天文觀測驗證？

生：上述實驗可以通過天文觀測證明，我們可以采用月地檢測證明.

師：如果有一天萬有引力突然消失，世界會發生什么變化？

生1：那可能我們的地球會直接“碎”掉.

生2：我們會飄起來.

生3：月球會離開我們.

通過問題的討論讓學生發生深度學習，這樣由表及里、由淺入深、循序漸進的推理，提升了學生的推理能力.學生在逐步遞進的一系列問題解決中，經歷了思考、知識的聯系與應用、追問，再思考解決問題的循環過程，發展了自己的推理能力和邏輯思維能力.

3 創設認知沖突問題，發展學生科學論證能力

科學論證是科學思維的重要組成部分，其內涵是利用證據建立科學的理由以支持科學主張.在物理教學中，對于一些“顯而易見”的結論，通過創設認知沖突的問題，使學生產生對立的主張，讓學生經歷質疑、交流、探究，在理論證明或者實驗驗證的過程中，形成一致的主張，在這個過程中發展學生的科學論證能力.

例如在實驗“探究碰撞中的不變量”的教學中，利用氣墊導軌結合光電門先后研究了3種形式的碰撞：動碰靜后分開（圖2）、對碰（圖3）、動碰靜后黏合（圖4）.

圖2 動碰靜后分開

圖3 對碰

圖4 動碰靜后黏合

通過研究“動碰靜后分開”，學生會發現碰撞前后有兩個不變量，再通過“對碰”的研究，學生發現仍然有兩個不變量.之所以這樣設計，是為了進一步引起思維沖突——是不是所有碰撞中就真的存在兩個不變量？然后啟發學生進一步進行“動碰靜后黏合”的實驗探究.通過探究，學生會發現：只有mv之和保持不變.這樣設計既提高了學生利用實驗進行科學論證的能力，也為后面彈性碰撞、非彈性碰撞的學習埋下了伏筆.

再例如在“自由落體”這一節課，首先討論了重的物體和輕的物體哪個下落得快？有些學生從生活經驗出發會認為重的物體下落得快，但是也有學生閱讀過相關史料，認為兩者下落得一樣快，但是他們可能對其中的原因不是很了解.這時教師可以組織一場辯論，讓學生對自己觀點進行實驗論證，教師還可以再提出一個觀點：輕的物體下落得快，這時學生一開始肯定哈哈大笑，認為肯定不可能，然后教師開始做實驗驗證，將一張紙從處撕下，讓的紙展開下落，讓的紙揉成紙團下落，結果發現紙團先落地.這時學生立馬會產生認知沖突，從而就會開始認真思考下落快慢到底與什么因素有關.

通過創設認知沖突的問題，引發學生的思考，不僅能喚醒學生的求知欲望，而且這些問題的解決過程是學生提高科學論證能力的過程，是解決問題體現成功的過程.

4 引入適度開放問題，發展學生質疑創新能力

愛因斯坦在他晚年的時候提到教育時說到：教育的第一要義是要培養人的獨立思考和判斷綜合能力，而不是獲得某種特定知識.一個人只要掌握了學科的基本理論，并且可以獨立地思考、開展創新研究，那么他就一定可以獲得一番成就.高中時期，正是學生們思維開闊、充滿激情活力的時期，高中物理課程因為充滿了科學實驗和科學理論而成為了學生培養發散思維、鍛煉自主創新能力的重要載體.

開放性問題通常是指那些條件可以不完備、答案可以不唯一，并且能夠讓學生多角度、多層次進行探索的問題.由于中學生知識與能力的限制，教師只能引入適度開放的問題.教師基于某一物理問題的信息源展開擴散，基于多個維度創設情境以及開放性條件，進而促使學生形成發散性思維，展開多途徑、多維度的思考，進一步確保多種物理學方法以及知識點可以在實際問題處理中相互融合與貫通.在這一過程中，一定能夠發展學生的創新能力.

例如在高三第二輪復習課的時候，可以引導學生討論這樣一道題：一個物體受3個力作用做勻速直線運動，現在撤去其中一個力，物體將如何運動？說明運動的形式以及對應的條件.由于將“其他兩個力保持不變”這個條件刪去了，問題具有一定的開放性.學生一開始想法較為單一，可能會出現只考慮剩下兩個力的合力與速度方向同向、或相反的情況.但其他學生會質疑，他們可能會考慮不共線等情況.學生在解決問題的過程中，充分運用力的平衡、直線運動、圓周運動、拋體運動、擺線運動等知識，加深了對力與運動關系的理解，整合所有學生討論的結果，從力與運動的關系角度進行總結，拓展了思維廣度，對提升創新能力很有好處.具體的教學過程可以這樣展開.

師：請大家看這樣一道題：“一個物體受3個力作用做勻速直線運動，現在撤去其中一個力，其他兩個力保持不變，物體將如何運動？說明運動的形式以及對應的條件.”認真讀題，請大家思考，這個問題的關鍵之處在哪？

生：考慮加速度方向和運動方向的關系.

師：同學們思考回答.

生：物體在這3個力的作用下做勻速直線運動，即平衡狀態，所以這3個力F1、F2、F3的合力為0.我們可以先合成F1、F2，記為F12，那么F3和F12是一對平衡力，在撤去F3后，物體僅受F12.這個力提供的加速度和F3的方向相反，大小由牛頓第二定律給出，若加速度和勻速直線運動方向相同或者相反，則做勻變速直線運動；若不共線，則做曲線運動.

師：很好，請再看一道題：“一個物體受3個力作用做勻速直線運動，現在撤去其中一個力，物體將如何運動？說明運動的形式以及對應的條件.”

生：這里刪去了“其他兩個力保持不變”這一條件.

師：沒錯，這樣問題就更加開放，請大家思考作答.

在這樣的教學過程中，引入了 適度開放問題，在學生的認知基礎上引發思考，體現了問題的價值，能夠發展學生的求異思維和創新思維.

科學思維是學生物理核心素養的關鍵，科學設計問題情境是培育學生科學思維的有效手段.利用原始物理問題、設計逐步遞進問題、創設認知沖突問題以及設置適度開放問題的問題情境設計策略，有利于學生科學思維素養提升.