基于真實性情境的問題鏈教學策略研究①
——以“動量定理”為例

江 瑤 謝婉君 汪鴻飛 姚關心

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002)

1 引言

問題鏈教學是師生圍繞一定的教學目標進行設疑、釋疑的動態交互過程,同時也是基于學生的原有認知圍繞一系列問題進行知識建構的過程,[1]前后問題具有關聯性、遞進性、開放性和主題指向性等鮮明特點。相對于平鋪直敘的教學而言,問題鏈教學具有更強的引導性,讓學生帶著問題審視物理知識,更容易激發學生的多元智能,進而拓展學生思維的廣度、深度。問題鏈已經引起眾多學者和一線教師的重視,但在問題鏈的設計上,容易忽視真實性情境的重要性。教育的最終目的是使學生在未來可以成功地解決真實情境中的復雜問題,[2]“問題鏈”教學有必要重視真實性情境的創設。

“動量定理”是人教版高中物理教科書選擇性必修第一冊的第1章第2節,常用來解決碰撞類問題,與生產、生活聯系緊密,是與STSE教育契合度較高的素材。本文以“動量定理”為例,探討基于真實性情境的問題鏈教學策略。

2 基于真實性情境的問題鏈教學流程

基于真實性情境的問題鏈的教學可分為課前預設、課堂教學和課后反思三個環節,旨在優化情境問題的關聯性、遞進性和指向性,提升課堂教學的有效性,教學流程如圖1所示。

圖1

2.1 課前預設

在學生已有經驗的基礎上“增長”新知識,運用“已知”探“新知”,是使知識“活化”的重要途徑。教師在上課前應了解學生的知識基礎、思維方式以及學習方法等,對課標和教材進行研讀,以確定教學目標。將教學目標與學生已有經驗相結合,立足生活實際,創設具有啟發性、真實性的問題情境,考慮每個子問題解決中的學生活動。

2.2 課堂教學

在教學過程中,教師導入設計好的初始問題,引發學生的探究欲望,再拆分問題,引導學生深入思考,逐步解決子問題,達到解決初始問題的目的。正如鐘啟泉教授所言:“核心素養不是直接由教師教出來的,而是需要學生在具體的問題情境中借助問題解決的實踐而逐步培養和發展起來的。”[3]

2.3 課后反思

對學生而言,總結反思是自我監控活動的重要組成部分,也是學習能力的核心。在每節新課結束后,學生如果能夠自發地進行知識總結和對學習行為進行反思,可以更高效地完成知識的同化順應,提高學習能力。同樣,教師也需要總結反思,例如,問題情境的創設是否合理?問題鏈是否起到腳手架的作用?課堂把控是否得當?只有不斷地進行反思,才能實現教學相長的目標。

3 “動量定理”教學目標及教學策略的應用

3.1 教學內容分析

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》對本節的內容要求為:“通過理論推導和實驗,理解動量定理,能用其解釋生產生活中的有關現象。”[4]再結合教材和學情分析,確定本節課的教學目標。

(1) 在新課導入中創設“學生踢足球”的情境,提出問題:動量變化量與什么有關?要求學生提出猜想,并利用問題鏈引導學生設計實驗方案、得出結論,從而提高學生的科學探究和合作交流能力。

(2) 通過公式推導和實驗探究,認識到力與時間的乘積具有特殊意義,促進學生深刻理解動量定理的物理意義。

(3) 在真實性問題的驅動下,理解動量變化的原因是力的沖量,能用動量定理解決多種緩沖問題。

(4) 在“扮演生活角色”等活動中,體會物理學與生活的聯系和在生活中的應用,提高學生的遷移能力。

(5) 在解決與“911事件”相關的原始問題中,學生經歷分析推理、模型建構、原理選用以及賦值運算等過程,切實提高他們的科學思維能力和問題解決能力;引導學生進行質疑和驗證,培養學生基于證據進行邏輯推理、質疑的能力,促使他們養成實事求是的科學態度。

3.2 教學策略應用

3.2.1 緊密聯系生活,引入新課主題

情境:春天是一個美麗的季節,同學們會經常到操場踢足球。

初始問題：在踢球過程中,腳和球的接觸可以看作一次碰撞,球的動量變化量與哪些因素有關呢?

子問題1：腳每次使球停下的力都相同嗎?

子問題2：有時候球的速度過快,你能讓它停下嗎?

子問題3：球在腳下緩沖一會也可以停下,這說明什么呢?

學生通過思考,提出猜想(表1)。

表1

設計意圖：從熟悉的情境引入新課,根據學生的親身體驗設計問題,不僅起到了激趣的作用,還體現了“從生活走向物理,物理走向生活”的課程理念。[5]以層層遞進的問題為學生搭建臺階,使學生提出動量變化量與力、力的作用時間相關的猜想。

3.2.2 體驗真實情境,設計探究實驗

實驗器材：兩個完全相同的橡皮泥小球、硬板、泡沫塑料盒等。

初始問題：如何利用這些器材探究動量變化量與時間是否有關?

子問題1：動量變化量、作用力、作用時間是3個不同的物理量,在探究動量變化量與作用時間的關系時,需要用到哪些科學方法?

生:控制變量法。

子問題2：在運用控制變量法時,改變其中一個變量,控制其余變量不變,從而探究這個變量對動量變化的影響。這個實驗涉及3個物理量,其中不變量、自變量和因變量分別對應哪個物理量?

當教師提出的問題跨度比較大的時候,學生容易出現思維卡頓的現象。因此授課前教師需要預估學生在問題解決中遇到的困惑,減小問題之間的跨度。

子問題3：從踢足球的體驗中我們已經知道,當作用時間相同時,動量變化量與力成正相關。在這個問題情境中,我們是如何運用控制變量法的?

子問題4：如何保持動量變化量不變?

子問題5：硬板、泡沫塑料盒是用來改變哪些物理量的?

當學生經過思考,梳理完實驗思路后,教師演示實驗:讓橡皮泥小球從同一高度釋放,分別與硬板和泡沫塑料盒發生碰撞。由于橡皮泥小球彈性差,碰后速度變為0 m/s,所以小球碰撞前后的動量變化量相同。泡沫塑料盒比硬板的彈性好,對球的緩沖作用強,所以小球與它的作用時間較長。學生觀察兩次碰撞后橡皮泥小球的形變程度,最后發現落在硬板上的小球形變量大,由力的作用效果判斷出球與硬板之間的作用力較大。本實驗中的不變量、自變量和因變量見表2。

表2

學生通過探究得出結論:當動量變化量一定時,物體間作用時間越短,相互作用力越大。

教師追問:如何從理論角度推導動量變化量、碰撞時間、作用力三者的關系?

設計意圖：教師先提出難度較大的初始問題,再拆分為多個子問題,通過對子問題的分析達到解決初始問題的目的。教師提供實驗器材,通過問題鏈的層層引導,學生自主設計實驗方案,由教師進行課堂演示。通過理論推導、猜想驗證,從感性和理性兩方面促進學生理解動量定理。

3.2.3 扮演生活角色,體會物理妙用

情境：你發現家里桌布臟了,于是想幫媽媽清洗,但桌布上擺著好幾件重心低且比較重的物品。

初始問題：聰明的你不需搬走物品就拿出了桌布,這是如何做到的呢?

生:沿桌面以很快的速度抽出桌布。當桌布與物品的作用時間很短時,物品的動量變化量也很小,物品不會從桌面掉落。

師:同學們能從物理學角度解決和解釋生活中遇到的問題了!提醒大家一點,由于外在因素的影響和人為操作的不確定性,同學們在操作時要注意桌上的易碎、貴重物品。

設計意圖：在學生習得新的物理原理之后,再將知識引向生活,深化知識理解,體會知識來源于生活等。角色扮演不僅讓學生感受到知識的重要與作用,提高知識應用能力,還能促進內在動機的產生,提高學習物理的興趣。

3.2.4 聚焦時事熱點,養成科學態度

情境：2001年發生的“911事件”震驚世界,美國紐約世貿中心被兩架客機損毀,大樓采用鋼架結構,十分堅固,能夠承受7.5×107N的力,[6]從理論上分析,客機幾乎不可能將大樓撞倒,大樓“坐塌”以及“不是撞后立即倒塌”等事實也能證明大樓不是被撞倒的。

根據相關資料,波音767客機的質量約為156 t,低空飛行的速度為500～600 km/h,取其最大速度600 km/h,約為167 m/s。從錄像畫面看,飛機沒有穿透大樓,大樓寬不超過100 m,飛機在大樓內運動約50 m。

初始問題：怎么證實上述觀點?

生:求出碰撞時的沖擊力,比較它與大樓最大承受力之間的關系。

子問題1:怎么求碰撞時間?

子問題2：怎么求碰撞時的沖擊力?

生:運用動量定理求,由Ft=mv,得:F≈4.34×107N<7.5×107N。4.34×107N的力不足以撞倒世貿中心,因此推斷是正確的。

設計意圖：為了鞏固新知和訓練學生的遷移能力,教師可以多挖掘生活素材作為原始問題。這道題使用的都是較為真實的數據,但考慮到撞擊過程涉及更為復雜的知識,又須考慮到計算結果的可靠性,對過程做了簡化處理。在沖擊力計算的過程中,學生需要從原始問題里忽略次要影響因素,建構出物理模型,選用合適的公式進行賦值計算。當分析出結果時,每個人都被如此龐大的數字所震驚:當質量大、速度快的飛機與大樓發生碰撞時,會產生多么可怕的力量。同時學生對遇難者的遭遇更加感同身受,深感悲痛,教師再對學生進行安全、情感教育,培養學生的核心素養。

4 結語

通過“動量定理”的教學可以看出,以真實性情境為問題背景,以問題鏈為驅動,引導學生自主進行知識建構,能夠有效提高他們的科學思維和問題解決能力。