基于原始物理問題培養科學思維的探討

葛建光 滕建強

(江蘇省溧陽中學,江蘇 常州 213300)

在傳統教學中,課堂追求知識的積累與傳遞的高效.在物理課堂中,教師常常以條件清晰、數據完善、結構良好、經人為加工過的問題為載體,引導學生推理演算,強化訓練.這雖在一定程度上訓練了學生的解題能力和熟練程度,但忽略了真實情境的創設、物理問題的提出和模型建構的過程,弱化了學生主體地位與思維的生成,表現出淺層學習的傾向.

新課標強調“高中物理教學應體現物理學科本質,要鼓勵學生從生活中積極發現和提出問題;引導學生從物理現象中分析事物的各個要素和結構,抓住事物的關鍵要素和本質特征,建構物理模型;引導學生應用物理知識解決生產、生活中的實際問題,增強問題解決和實踐創新的能力”.這就需要我們從真實的物理現象和實際情境出發,為學生提供原始物理問題,引導學生分析思考、建立物理模型,通過科學推理和論證,實現問題解決,培養科學思維,從而促進對物理學科本質的理解,增強理論聯系實際的能力.

1 原始物理問題解決與科學思維的關系

原始物理問題,是指自然界及社會生活、生產中客觀存在、能夠反映物理概念、規律本質且未被加工的典型物理現象和事實.與加工后的結構良好的問題相比,原始物理問題具有真實性、生態性、穩定性、遷移性和開放性等特點.它只是對客觀現象的描述,沒有任何程度的抽象,因此提供給學生的是一個真實開放的物理情境.

科學思維,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.科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等要素.

在原始物理問題解決過程中,學生需要把生活中的物理現象經文字、圖像提煉出相關的原始物理問題,再經過分解、轉化、抽象、加工,變為物理模型,這就是模型建構過程;根據已有的知識和經驗,綜合運用物理規律和數學方法進行演算、推導,從而得出結論,這就是科學推理過程;利用已有的證據對得到的結論進行檢驗、評價和提出新觀點、新思路、新方法,這就是科學論證和質疑創新過程(如圖1所示).

原始問題教學為學生科學思維的培養提供了重要的范式.在物理課堂中,我們可以從真實的物理現象出發,為學生呈現原始物理問題,引導學生建立物理模型,通過科學推理和論證,進而實現問題解決,培養科學思維能力.以下通過具體案例,探討在高中物理課堂中基于原始物理問題培養科學思維的教學策略.

2 基于原始物理問題培養科學思維的策略

2.1 運用“聯想—抽象”策略提升模型建構能力

原始物理問題保留了物理現象的“原汁原味”,學生在面對這種信息復雜、客觀真實的物理情境時,很難找到可以直接參考的原型,也無法運用定理、公式通過邏輯思維直接進行推導.在這種情況下,非邏輯思維作用凸顯.在課堂中,教師可以引導學生根據已知的事實和已有的知識經驗,運用聯想、想象、猜測、類比、相似、外推等非邏輯的方法來對問題進行探索;通過對物理現象和過程的分析,抓住其主要因素,忽略次要因素,抽象出研究對象的本質,從而建構理想化的物理模型,確立物理研究的起點.

案例1.“彈性碰撞和非彈性碰撞”教學片段.

活動1.提出原始問題.

教師播放臺球比賽視頻,并提出原始物理問題：白球撞擊彩球,為使彩球進洞,臺球運動員應如何擊打白球?學生觀看比賽視頻后,自主分析,提出各自的觀點.

設計意圖：本環節教師通過展示臺球比賽過程,以直觀的物理現象吸引學生的注意力;同時,通過提出開放性的原始物理問題激發學生思考,訓練學生的聯想和發散思維.

活動2.建構物理模型.

教師組織學生開展小組合作、討論并設計解決方案.

學生設計方案白球擊打彩球類似于碰撞過程,應該可以利用碰撞有關知識來解決.

教師針對方案引導學生進一步分析.

問題1：該過程涉及什么物理現象?你聯想到什么物理模型?

問題2：該模型可用什么物理方法解決?需要知道哪些物理量?

問題3：我們需要進行一些理想化假設嗎?

問題4：你打算如何測量你所需的物理量呢?

設計意圖：本環節首先通過開展小組合作,引導學生討論并設計解決方案,培養學生交流合作能力;同時針對學生給出的方案,引導學生聯想所學的物理模型,并以此為依據抓住問題的主要特征,抽象出問題的本質,通過加工和簡化,從而建構理想化的物理模型.

活動3.加工賦值,形成物理習題.

根據方案中建構的碰撞模型,教師將其加工為以下學生容易解決的具體的物理習題：在臺球比賽中,運動員將白球迅速用力擊出,白球撞擊彩球,彩球進洞(如圖2所示).若把球的碰撞近似看作一維彈性碰撞,不計摩擦.經測量兩球質量均為140 g,被撞后彩球用時0.025 s,運動20.0 cm進洞.試求：擊出后白球的速度多大?

圖2 白球撞擊彩球過程

學會根據彈性碰撞規律,自主進行如下求解.

設計意圖：本環節教師基于學生建構出的理想化模型,對相關物理量進行賦值,加工為學生容易解決的具體的物理習題;教師引導學生運用已有的物理知識進行演算和推導,得出正確結論,從而實現學生對原始問題的抽象與解決.

2.2 運用“多元—論證”策略培養推理論證能力

以上方案的設計與解決促進了學生問題解決能力的提升,但在某些情境中,即使針對同一問題,學生給出的方案也并不唯一.由于原始物理問題最初是沒有任何限制條件的,所以不同學生可能會建構不同的物理模型,對此,教師應引導學生多元思考,鼓勵學生勇于展示和論證自己的觀點,從而實現科學思維的過程.

案例2.“理想氣體的狀態方程”教學片段.

圖3 熱杯倒扣吸水實驗

活動1.提出原始物理問題.

教師演示熱杯倒扣吸水實驗(如圖3所示).將熱的空玻璃杯倒扣在冷水中,發現杯內水面很快上升,似乎被水杯吸了上來.針對此現象,教師啟發學生提出問題：這一現象的原因是什么?封閉氣體的3個狀態參量都發生了怎樣的變化?初末狀態是否存在定量關系?

活動2.建構物理模型.

思考1：初態到末態的變化路徑可能是怎樣的呢?(這是一個不確定的問題,使學生意識到原始物理問題具有不確定性)

思考2：是否可以選擇一些特殊的路徑以方便推理?(控制一個變量,只讓兩個參量變化,將實際問題理想化,啟發學生建立理想化物理模型)

設計意圖：運用原始物理問題的不確定性引發學生的思維沖突,引發學生對科學本質的思考,培養學生發現問題、分析問題的能力.

活動3.多元—論證,解決問題.

圖4 氣體多種變化過程

活動4.多元—論證,方法凝練.

在物理課堂中,每位學生都會基于自身的知識經驗來建構對原始物理問題的理解,提出不同的問題解決方案.無論哪一種解決方案,只要其思維方式是嚴謹的、論證過程是基于科學證據的,那么它們都是對科學本質的合理探究過程.因此,教師應尊重學生思維,鼓勵學生發散思考,從而建構多元的物理模型,并以此為基礎進行科學推理和問題解決.

2.3 運用“評價—改進”策略培養質疑創新能力

求出結果或得出結論并不是科學思維的終點,結論的合理與否則需要進一步科學論證.原始物理問題教學要求把結論與實際情況進行比照檢驗,作出合理的評價,并根據評價結果提出改進措施,使結果或結論與真實情況更加吻合.

案例3.“探究平拋運動的特點”教學片段.

活動1.評價教材提供的參考方案.

圖5 小球做平拋運動的頻閃照片

思考：針對“平拋運動有何特點?”這一原始物理問題,教材中給出了兩種探究方案.教材方案1通過一個小球做平拋運動的頻閃照片,測量出相同時間間隔T內的水平位移和豎直位移,進而分析小球在水平和豎直方向分運動的特點(如圖5所示).方案2先以步驟1(擊打彈性金屬片讓A、B兩小球同時分別做平拋運動和自由落體運動)來探究平拋運動豎直分運動的特點(如圖6所示),再以步驟2(從斜槽飛出的小球落在上下可調節的傾斜擋板上,擠壓背板留下印跡,平滑連接印跡)來探究平拋運動水平分運動的特點(如圖7所示).這兩個方案各有哪些優點和不足?

圖6 實驗裝置圖

圖7 實驗裝置圖

總結評價：方案1用頻閃照相技術確定小球在各個時刻的位置,偶然誤差小,精確度高.但由于缺少必要的對比參照,對小球在水平方向和豎直方向的分運動的特點作出合理猜想,難度較大.方案2步驟1中將A、B兩球的運動進行對比,便于對平拋小球在豎直方向的分運動的特點進行猜想.不足之處是： (1) 由于兩球的運動時間很短,難以準確判斷它們是否同時落地; (2) 通過對比得到平拋運動在豎直方向的分運動的特點只是定性判斷,并非定量研究.方案2步驟2中實驗直觀、可操作性強,但為了確定小球經過的多個位置,需多次調節擋板的高度,并將小球多次從斜槽同一點靜止釋放,這就增加了實驗的不確定性,實驗中的偶然誤差相對較大.

活動2.提出探究平拋運動特點的改進方案.

思考：綜合分析上述兩個方案的優劣,嘗試設計探究平拋運動特點的改進方案.

改進方案1：在上述方案一的基礎上引入水平勻速運動的球和豎直自由落體運動的球作對比參照,得到頻閃照片(如圖8所示).這樣可以非常直觀地提出猜想：平拋運動的水平分運動是勻速運動,豎直分運動是自由落體運動.根據照片的比例測量各個頻閃周期T內的水平位移與豎直位移,分析得到兩個方向分運動的特點.

圖8 實驗頻閃照片

圖9 實驗裝置圖

改進方案2：把上述方案2中的小球換成一個能同時向各個方向發射超聲波脈沖和紅外線脈沖的球A,在它運動的平面內安裝一個超聲紅外接收裝置B(如圖9所示).讓A球從斜槽某位置靜止釋放,裝置B記錄A球離開斜槽后各個時刻的位置,與之相連的計算機即時給出A的坐標(如圖10所示).這樣便可以通過一次實驗得到實驗所需的各種信息,避免了因多次實驗帶來的偶然誤差,減小了實驗的不確定性.

圖10 計算機顯示A的坐標

設計意圖：在以上的教學案例中,通過“評價”環節,鼓勵學生大膽質疑,反思已有方案的優劣,從而提升學生綜合分析問題的能力;通過“改進”環節,引導學生提出各種新的解決方案,從而提升學生創新意識和綜合實踐能力.

3 結語

原始物理問題教學并不是為了得到一個所謂的正確答案或結論,而是旨在培養學生的科學思維和問題解決能力.因此,原始物理問題教學作為一種有效的教學策略,為教學的發展提供了一條有益的思路.教師通過綜合運用“聯想—抽象”“多元—邏輯”和“評價—改進”策略,引導學生主動學習、深入思考,使學生能夠在問題的不斷分析和解決中發展科學思維,理解學科本質,從而增強創新實踐能力,提升物理核心素養.