高中物理概念教學(xué)中巧設(shè)情境力促科學(xué)思維形成

李寧

摘? ?要：概念教學(xué)是物理課堂教學(xué)的重要組成部分，科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素，任何物理概念的形成都離不開物理思維。文章通過詳實(shí)的教學(xué)案例，著重論述了利用情境創(chuàng)設(shè)的方法以概念的形成過程為主線，讓學(xué)生經(jīng)歷物理概念的生成過程以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維水平發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物理概念；科學(xué)思維；情境創(chuàng)設(shè)；核心素養(yǎng)

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容[ 1 ]。物理概念作為物理學(xué)科的基石，在高中物理教學(xué)中占有非常重要的位置。建構(gòu)主義理論給我們最大的啟示在于學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)情境不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的主動性，加深學(xué)生對抽象的物理概念的理解，還能在概念的建立過程中有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

筆者以高中物理必修二“勢能及其改變”這一節(jié)課的教學(xué)為例，從概念的引入、形成、應(yīng)用出發(fā)，談高中物理概念教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)與物理科學(xué)思維培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

1? 創(chuàng)設(shè)生活情境，體驗(yàn)建模過程

物理概念的形成源于真實(shí)的情境，而現(xiàn)實(shí)中的物理情境較為復(fù)雜，為了便于分析和解決問題，學(xué)生需根據(jù)教師創(chuàng)設(shè)的情境展開思考，提取歸納情境中的重點(diǎn)，將情境進(jìn)行抽象從而建構(gòu)物理模型。以上過程可以有效激發(fā)學(xué)生的建模意識。如在“重力勢能”概念引入環(huán)節(jié)，筆者引用了當(dāng)時(shí)“熱度”甚高的北京冬奧會的場景，很快便吸引了學(xué)生的注意力。

情境1：以蘇翊鳴和谷愛凌奪冠瞬間的畫面創(chuàng)設(shè)情境

提出問題：“兩位選手要完成如此高難度動作需要具備哪些條件？如何才能獲得足夠大的起跳速度？大家有注意到滑雪賽道有什么特點(diǎn)嗎？大跳臺的垂直高度（17層樓高）為什么要修建的如此高？

情境2：多媒體課件展示賽道的靜態(tài)圖片（實(shí)際情境）和運(yùn)動軌跡簡化圖（物理模型）對比。

【設(shè)計(jì)意圖】高一學(xué)生對事物的認(rèn)知處于從形象思維到邏輯思維過渡的過程。在教學(xué)中通過給學(xué)生營造一個(gè)豐富的、感性的物理情境，以情境帶問題，激發(fā)學(xué)生積極主動地進(jìn)行思考并提出自己的見解。“起跳的速度（動能）需要很大，賽道垂直落差要夠大”，在熱烈討論中讓學(xué)生體會到物理建模的意義和方法，促發(fā)建模意識，從實(shí)際運(yùn)動情境中抓住問題的本質(zhì)共性“與高度有關(guān)的能量”。在這些過程中，學(xué)生的抽象、歸納、總結(jié)能力和模型建構(gòu)的科學(xué)思維都能得到有效發(fā)展。

2? 創(chuàng)設(shè)問題情境，提升科學(xué)推理及論證能力

科學(xué)思維形成于科學(xué)實(shí)踐，在解決科學(xué)問題中起到?jīng)Q定性的作用，學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)在問題的解決過程中體現(xiàn)。

如在“重力做功”及“重力勢能”的教學(xué)中，從勢能的外延入手，通過創(chuàng)設(shè)一系列有層次的問題鏈促使學(xué)生主動思考，不斷開展推理、演繹與論證，進(jìn)而形成物理概念，這樣既能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，又在一定程度上保證了物理課堂的容量。

問題1：重力勢能的表達(dá)式是什么？能否利用已學(xué)的知識推導(dǎo)得出？

問題2：能量的轉(zhuǎn)化可以通過什么方式來實(shí)現(xiàn)？

引導(dǎo)過渡：重力勢能的大小與高度有關(guān)，而當(dāng)物體的高度發(fā)生變化時(shí)，重力就要做功，因此認(rèn)識重力勢能不能脫離對重力做功的研究。

問題3：小明從三樓走到一樓，哪種方式他的重力做功最少？（配圖展示三種樓梯：升降機(jī)、手扶電梯、旋轉(zhuǎn)樓梯）

問題4：（如圖1）質(zhì)量為 m 的小球從 A 位置（高度h1）運(yùn)動到 B 位置（高度h2），則物體的重力做功表達(dá)式WG = ？（g已知）

問題5：物體沿曲線運(yùn)動（類型3），用已有知識能求出重力做功嗎？該如何處理？

問題6：回憶前面學(xué)習(xí)過的方法，是否可以“化曲為直”？如何做？

教師引導(dǎo)：將整個(gè)路徑化分成許多很短的間隔。

問題7：怎么進(jìn)一步計(jì)算重力的做功W=W1+ W2+ W3+…

【設(shè)計(jì)意圖】 教學(xué)中以學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)為起點(diǎn)，將情境與問題鏈的創(chuàng)設(shè)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建物理模型討論物體沿三種路徑向下運(yùn)動的重力做功情況，利用極限思想嚴(yán)格證明重力對物體做功與路徑無關(guān)，分析得出“mgh”是一個(gè)具有特殊意義的物理量，定量得出重力勢能表達(dá)式。密集的問題設(shè)置兼具針對性和啟發(fā)性，前一個(gè)問題為后一個(gè)問題提供了思維起點(diǎn)，最終串成思維鏈條。在這個(gè)概念形成過程中，學(xué)生不僅學(xué)會用抽象的符號表達(dá)物理現(xiàn)象，其邏輯分析和推理論證能力都得到了快速提升。

3? 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)探索情境，激發(fā)創(chuàng)新思維

推理是科學(xué)思維的基本形式，也是知識創(chuàng)新的必然過程，在初步完成概念建立后，有針對性地創(chuàng)設(shè)實(shí)例情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主理論探究，學(xué)生不僅可以感悟和體驗(yàn)概念的應(yīng)用，還可以在逐步完善概念構(gòu)建的過程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維能力的螺旋式上升。

3.1? 質(zhì)疑討論，完善概念

實(shí)例探究1（重力勢能的相對性）：多媒體展示情境——世界頂級設(shè)計(jì)的宛若游龍賽道。

雪車雪橇項(xiàng)目被譽(yù)為冰雪運(yùn)動中的“F1賽車”，是冬奧會速度最快的項(xiàng)目，專業(yè)性極強(qiáng)。國家雪車雪橇中心賽道起點(diǎn)海拔高度1017 m，終點(diǎn)海拔高度896 m，垂直高度差121 m，相當(dāng)于47層樓高。最高設(shè)計(jì)時(shí)速134.4 km，堪稱北京冬奧會最快賽道（如圖2）。若運(yùn)動員的質(zhì)量為50 kg， 起點(diǎn)與終點(diǎn)間垂直高度為121 m，起點(diǎn)與出發(fā)區(qū)2間垂直高度為69 m，g=10 m/s2。則：

問題1：當(dāng)運(yùn)動員在起點(diǎn)處時(shí)的重力勢能大小？（學(xué)生分組計(jì)算）

問題2：相對終點(diǎn)，運(yùn)動員的重力勢能是多少？相對“出發(fā)區(qū)2”，運(yùn)動員的重力勢能是多少？

【設(shè)計(jì)意圖】 通過真實(shí)的學(xué)習(xí)探究情境“雪游龍賽道”提出具體問題，旨在讓學(xué)生應(yīng)用本節(jié)課的核心概念，進(jìn)行建模、推理、論證，激發(fā)創(chuàng)新思維，具體如下：

（1）學(xué)生在解決問題1時(shí)，關(guān)于高度h的數(shù)值代入，出現(xiàn)意見分歧，產(chǎn)生認(rèn)知沖突；

（2）進(jìn)而學(xué)生發(fā)現(xiàn)，由于沒有說明物體的高度是以什么位置為零高度（參考面的選取不同），故計(jì)算沒有唯一的結(jié)果。

（3）學(xué)生解決問題2后，發(fā)現(xiàn)重力勢能具有相對性（h是相對零勢能參考面的高度），因此在表達(dá)重力勢能時(shí)要指明勢能零點(diǎn)的位置，從而在加深對概念本質(zhì)的理解同時(shí)有效促進(jìn)質(zhì)疑創(chuàng)新思維。

3.2? 拓展訓(xùn)練，深化概念

實(shí)例探究2 （重力勢能與重力勢能改變的區(qū)別）：利用上述真實(shí)滑雪情境構(gòu)建模型（如圖3）進(jìn)行拓展訓(xùn)練：

問題1：分別選取圖中A、B、C所在平面為參考面，結(jié)合數(shù)據(jù)寫出質(zhì)量為m的運(yùn)動員在各位置的勢能大小和運(yùn)動員從起點(diǎn)A運(yùn)動到終點(diǎn)C過程中重力勢能變化量。

問題2：將前兩問結(jié)果填入表1中并分析重力勢能Ep與重力勢能的變化量ΔEp的區(qū)別。

【設(shè)計(jì)意圖】 進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層的實(shí)例探究，將重力勢能概念進(jìn)行延伸拓展，學(xué)生經(jīng)過對本實(shí)例分析、推理、質(zhì)疑、探討得出ΔEp=mgh中“h”含義即高度差，并通過對比發(fā)現(xiàn)ΔEp與Ep 表達(dá)式中的“h”本質(zhì)的區(qū)別；不僅深化了學(xué)生對重力勢能相對性的理解，還促使學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)概念之間的聯(lián)系與區(qū)別，能有效訓(xùn)練學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

實(shí)例探究3（探究概念之間關(guān)系）：在實(shí)例2基礎(chǔ)上提出新問題創(chuàng)設(shè)實(shí)例如下：

問題1：利用上例表格中數(shù)據(jù)，計(jì)算在整個(gè)下落過程中運(yùn)動員所受重力做功WG的大小。

學(xué)生計(jì)算得出：WG均為60500 J。

問題2：觀察分析WG 、ΔEp 、Ep 之間關(guān)系，這幾個(gè)物理量是否與參考面的選取有關(guān)？

問題3：若下落過程中有空氣阻力，問題2中三個(gè)量的數(shù)據(jù)是否會變化？

【設(shè)計(jì)意圖】? 本實(shí)例建立在前兩個(gè)實(shí)例基礎(chǔ)上，對學(xué)生的科學(xué)思維能力提出更高要求，學(xué)生需要明確每個(gè)物理概念的內(nèi)涵，再將結(jié)果進(jìn)行對比分析、體會重力勢能概念內(nèi)涵和外延，理清概念之間（Ep與ΔEp，Ep與WG，WG與ΔEp）的關(guān)系，自主得出結(jié)論。

思維拓展1（保守力做功特征）：重力做功與路徑和參考面都無關(guān)，其他力（如摩擦力）做功是否也有這種特點(diǎn)？學(xué)生聯(lián)系前后知識對比發(fā)現(xiàn)重力做功的特殊性，教師順勢引導(dǎo)出“保守力”的概念。

思維拓展2（勢能的系統(tǒng)性）：結(jié)合定義式Ep=mgh提出問題：重力勢能是誰具有的？物體m的還是地球的？讓學(xué)生思考并探討得出Ep是物體和地球共同具有的。

通過以上學(xué)習(xí)探索情境創(chuàng)設(shè)，學(xué)生圍繞重力勢能這一核心概念，在逐級遞進(jìn)的實(shí)例探究中，不斷地產(chǎn)生新質(zhì)疑，提出新問題，解決新問題，將前概念學(xué)習(xí)中的思維和方法進(jìn)行合理遷移，不僅有效地完善和拓展了概念本質(zhì)，更在概念的應(yīng)用中有效實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展。

4? 結(jié)束語

當(dāng)然，一堂課的思維訓(xùn)練，不可能盡善盡美，但只要教師有訓(xùn)練學(xué)生思維的意識，并在日常物理概念教學(xué)中積累素材資源，通過巧妙的情境創(chuàng)設(shè)，精心設(shè)計(jì)問題鏈，讓學(xué)生在具體的實(shí)例探究中逐步具備模型構(gòu)建，遷移運(yùn)用，合理歸納、演繹、類比等科學(xué)推理能力，深化對概念的理解和應(yīng)用，滲透科學(xué)思維訓(xùn)練的方法，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成必定會起到積沙成塔的效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S] 北京：人民教育出版社，2017.