基于物理問題解決的學生質疑能力培養

【摘要】文章以高中生在力學、電學學習中提出的幾個物理問題為背景，鼓勵引導學生在實驗操作中發現問題，創設實驗情境，創新實驗設計，充分借助DIS實驗，經歷生疑、論疑、證疑、釋疑的物理問題解決過程，例談在高中物理教學中對質疑能力培養的探索。提出注重學生自主實踐，激發物理問題解決中質疑能力培養的源動力；創新物理實驗情境，提供物理問題解決中質疑能力培養的主陣地；借助經典物理學中問題解決實例，創建物理問題解決中質疑能力培養的模范場，為教學提供參考，以落實學科核心素養。

【關鍵詞】物理教學；問題解決；質疑能力；培養

【中圖分類號】G633.7【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）22—0111—04

創新是科技發展的源動力，創新型人才是科技創新發展的推動力[1]，而創新型人才具有善于質疑發現問題、慣用理性思維等主要行為表現[2]。數學家丘成桐也指出：“創新的基礎在質疑問難。”[3]所以，在中學階段培養學生質疑能力的重要性不言而喻。

一、質疑與問題解決的含義

質疑是指個體在求知欲驅使下，帶著問題意識看待事物，敢于獨立思考、敢于批判、敢于挑戰權威、敢于發表見解、敢于追求真理的一種思維習慣。質疑是創新型人才必不可少的品質，是創造性思維的方法和手段，是探索的起點和創新的前提[4]。

問題解決是一系列有目的指向性的認知操作過程，其過程一般包括發現問題、分析問題、提出假設、檢驗假設、修正假設5個基本步驟[5]。問題解決實質上是對與自身知識經驗不匹配現象的調和，問題解決過程可以認為是“生疑”“論疑”“證疑”“釋疑”的心理和行為歷程。可以看出，問題解決無不展現質疑背后的邏輯推動，它們之間的關系可以用圖1表示。問題解決促進質疑能力發展，質疑能力又反作用于問題解決，催生新問題產生。

二、例談基于物理問題解決的學生質疑能力培養

（一）輕繩模型中的彈力突變問題

問題背景：如圖2所示，用長為L的輕繩將質量為m的小球懸掛于固定的O點，先將小球拉到一定高度A點，使輕繩與水平方向的夾角θ=30°，再由靜止釋放小球，當小球運動到B點時，輕繩瞬間繃直，此后小球在豎直平面內做圓周運動，已知重力加速度為g，求：小球擺到最低點C時繩所受的拉力。

生疑：輕繩繃直后，小球沿繩方向的分速度為零，輕繩繃直瞬間，為什么不考慮小球重力？

論疑1：繩子繃直瞬間沿著繩子方向的彈力發生突變，遠遠大于小球的重力，故忽略小球重力。

證疑1：創設實驗情境，應用DIS實驗力傳感器測量具體情境中繩子拉力的大小，判斷重力是否遠遠小于拉力。

學生對于什么時候忽略重力，什么時候不能忽略重力的問題經常一頭霧水。在解決該問題時，通過實驗探究引導學生建立理想輕繩模型，發展學生的科學思維。

實驗器材：力傳感器、數據采集器和安裝配套軟件的電腦、尼龍繩、鐵架臺、小球和量角器。

實驗一：將采樣頻率設置為5KHZ，并對力傳感器進行調零。將拴有尼龍繩的小球懸掛于固定在鐵架臺上的力傳感器下端，測量繩子拉力F（懸點到球心的距離為80cm，小球重力為0.07N）。

1.實驗操作：使尼龍繩恰好伸直，且與豎直方向夾角為30°，由靜止釋放小球，得實驗數據如圖3所示。

2.數據分析：繩子剛繃直時，拉力F=4.05N，重力沿繩子方向的分力為mgsin60°=0.0606N，兩者之比為66.8。

3.實驗結論：根據數學知識分析知，若要忽略重力沿繩子方向的沖量，至少需要滿足：繩子的張力為重力沿繩子方向分力的100倍。本實驗中，兩者之比小于100倍，可見重力沿繩子方向的分力不能忽略。

論疑2：繩子繃直時拉力與重力沿繩子方向的分力之比未達到預期數值，可能與繩子的材料有關，小球速度突變時，繩子的形變量不夠小。

實驗二：將實驗一中尼龍繩換為0.285mm規格的漁線，重復操作，實驗數據如圖4。

1.數據分析：漁線繃直時，漁線最大拉力F= 4.19N，重力沿漁線方向的分力為mgsin60°= 0.0606N，兩者之比為69.1。

2.實驗結論：漁線繃直時的拉力與重力沿漁線方向的分力之比仍未達到100倍，但是在接近100倍。

釋疑：漁線比尼龍繩形變量小，推理可得，對于理想輕繩，小球速度突變時，繩上拉力遠大于小球重力沿繩子方向的分力，可以忽略重力。

評述：創設實驗情境，用力傳感器引導學生設計實驗方案，鼓勵學生自主探究，進而使學生體驗建構理想輕繩模型的過程，并體會“抓住主要因素，忽略次要因素”的物理思想。教學中要充分發掘動手操作在培養學生發現和提出問題能力方面的潛在價值，讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想，萌發出科學問題。動手操作能給學生的質疑提供方式，培養學生自信心。學生在實驗操作中容易發現更多解決問題的方式，這既是學生思維深層次發展的過程，也是對已有知識進行創新的高階思維過程。

（二）溫度對電阻率的影響

質疑：影響燈絲電阻大小的到底是電壓還是熱效應？

論疑：若要探究影響燈絲電阻大小的到底是電壓還是熱效應，可以控制燈絲的溫度不變，測量不同電壓下的燈絲電阻，以確定電壓對燈絲電阻的影響。

證疑：實驗器材：電流傳感器、電壓傳感器、數據采集器和安裝配套軟件的電腦、小燈泡（3.8V、0.3A）、定值電阻（10Ω、5Ω）、學生電源、開關、滑動變阻器、導線若干。

實驗：將小燈泡的玻璃外殼敲掉，浸泡在常溫水中，利用水的比熱容大，燈絲溫度變化不大，來控制燈絲的溫度不變，利用傳感器測量小燈泡燈絲常溫電阻的I-U圖象。

1.學生操作：按照圖5電路圖連接電路，將燈絲浸泡在常溫水中，記錄不同電壓下的電流值，繪制燈絲電阻的I-U圖象如圖6所示。

評述：通過以上實驗的創新，深化電阻的認識，理解伏安特性曲線的意義，進一步理解歐姆定律。教學中充分利用學生的理解誤區，精心設計優質問題串，創設實驗情境，創新實驗設計，打破學生的常規思維，讓他們在實踐中分析問題。通過學生的驗證、完善等方式，引發思維矛盾，讓他們在嚴謹分析中理清思路，探究解決問題的方案，并能在實踐中提出有價值的新問題，培養學生的質疑思維，形成嚴謹求實的科學態度，促進學生全面發展。

三、總結

一是注重學生自主實踐，激發物理問題解決中質疑能力培養的源動力。質疑能力不是空想發問，而是基于預解決的物理問題，根據自身經驗知識和已習得的專業知識技能，經過思考后，就某一點產生的疑惑，因此，質疑體現出單點性、精確性、深刻性，故質疑能力的培養不是隨意確定主題，僅泛泛提出幾個問題而已。動手實踐是產生質疑最直接、最簡潔、最有效的源動力，鼓勵學生自主實踐，在實踐中應用已獲得的知識、技能、思想方法發現新問題，產生有效質疑。

二是創設物理實驗情境，提供物理問題解決中質疑能力培養的主陣地。科學嚴謹、可重復、穩定的科學實驗是物理問題解決的最有效途徑。在教學中，抓住學生理解誤區，創設物理實驗情境，為學生提供寬松的實驗環境和條件，鼓勵學生進行實驗探究，解決學生疑問，提升學生實驗探究能力；充分利用學生質疑，創新DIS等實驗，讓學生在物理實驗中體會物理問題解決的基本范式，通過實驗解決舊問題，在實驗中發現新問題，培養學生質疑能力，發展物理學科核心素養。

三是借助經典物理學中問題解決實例，創建物理問題解決中質疑能力培養的模范場。在物理學發展的長河中，經典問題的提出與其被創造性地解決比比皆是，例如伽利略對前人關于落體運動認識的質疑，及他對落體運動的研究，不僅僅揭示了落體運動規律，更是提供了通過物理問題解決體現質疑的基本范式。在教學中，向學生展示物理問題解決中質疑細節，讓學生體會前人的做法，為日后相對獨立地解決物理問題提供范本，為質疑能力的發展奠定經驗基礎。

參考文獻

[1]張晶，陳雨凡.教育、科技、人才一體化視域下培養創新型時代新人[J].教育評論，2023（02）：07-13.

[2]任飏，陳安.論創新型人才及其行為特征[J].教育研究，2017（01）：149-153.

[3]丘成桐.創新的基礎在質疑問難[J].中國教育學刊，2021（04）：07.

[4]袁維新.學生質疑精神的缺失與重建——基于教材和教法的視角[J].中國教育學刊，2012（10）：67-70.

[5]李紅偉.基于問題解決的科學思維培養教學策略思考[J].物理教師，2023（05）：09-15.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

（本文系2024年度中央高校基本科研業務費教育研究專項“科學思維學習進階的理論與實踐研究”的研究成果，課題立項號：2024JYYB05）

編輯：張昀