基于学生认知发展的物理问题情境设计

【摘 要】知识需融于情境之中，才能显示活力与美感。学生在丰富的问题情境中学习，才能学得更生动、更主动，认知结构才能不断地发展与完善。不同类型的问题情境可以依照不同的路径展开。具体而言，生活化问题情境，应注重感性到理性的提升；体验式问题情境，应注重表象到本质的深化；开放式问题情境，则需要低阶到高阶的跨越。

【关键词】问题情境；认知发展；高中物理

【中图分类号】G633.7 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2017）35-0054-03

【作者简介】浦建军，江苏省锡东高级中学（江苏无锡，214105）副校长，高级教师。

建构主义理论提出知识是情境化的，个体的认知发展必须关注到个体认知经验（如知识理解、认知策略）和情感体验（如学习信念、自我概念）的发展。任何学习的愿望，总是在一定的情境中发生的。多样化的、适切的问题情境，能更好地激发学生的学习兴趣，激活学生的思维动力，增强学生的情感体验。学生在一定的物理问题情境中经历同化、顺应、自我建构的过程，可以有效加强对物理概念和物理规律的理解。要达到这样的目标，需要教师在教学中对问题情境进行有效设计，优化物理教学，促进学生的发展。高中物理教学可创设的情境是多种多样的，下面具体论述三种类型。

一、生活化問题情境：感性到理性的提升

陶行知先生有过一个精辟的比喻：“接知如接枝。”他说：“我们要有自己的经验做根，以这经验所发生的知识做枝，然后别人的知识方才可以接的上去，别人的知识方才成为我们知识的一个有机部分。”知识的获得首先来自于生活和个人的直接经验，物理教学应突出认知活动与社会生活的融合。在这一过程中，要理顺形象思维与抽象思维、感性认识与理性认识的关系，平衡生活世界与科学世界的关系，进而完善学生认知结构。

[案例1]“液体表面张力”教学中的情境设计

【生活现象情境】教师将一个铁球从容器内的水面静止释放，铁球沉入水底；将铁球换成一木块，木块漂浮在水面；再将木块换成一枚一元硬币，教师问学生硬币会怎样？学生异口同声说硬币沉入水中，结果惊奇地发现硬币漂浮在水面。教师引导学生从物体的浮沉条件分析硬币漂浮的奥秘。

【实验现象情境】

①教师将刚才的那枚硬币在水面下某处静止释放，再问学生硬币会怎样？

②在一个玻璃杯中倒满水（加一点红墨水，便于观察），水面与杯口齐平。学生向杯内加回形针，加到第100个回形针时，杯中水还没有溢出，但是杯口液面已经明显凸起。

③教师将橡皮薄膜紧紧扎在塑料瓶口，向瓶内打气，学生观察到橡皮薄膜凸起。

基于生活经验的对比实验引起了学生的认知冲突，学生看到了真实的问题情景，好奇心被激发，形成了真实的问题，从硬币的浮沉现象到力与物体运动状态关系的分析，促进了学生抽象思维的发展，帮助学生较好地感知液体表面张力的存在。

三个实验现象情境的设计紧扣表面张力的特点，学生能够观察到硬币在水面下释放会下沉，杯口凸起的液面跟鼓起的橡皮膜一样。这些形象直观的现象有效地刺激和激发了学生的想象力，学生在不同实验现象的对比中深刻认识到：表面张力只能在液体表面产生，液面跟橡皮膜一样有弹性并有收缩的趋势。这样的问题情境设计，立足于学生的感性认识，引导学生进行科学抽象，采用比较、分析、综合、归纳等方法，有效地突破了物理概念高度抽象、多重抽象的难点，辅助学生建立相应的物理概念。

二、体验式问题情境：表象到本质的深化

英国学者柯林·比尔德在其著作中论述道：“我们发现，脱离体验谈论学习没有任何意义。体验不能被忽略，它是所有学习的核心思考点。学习建立并源自于体验：不论刺激学习的外部因素是什么——教师、材料、有趣的机会——只有当学习者进行了体验，至少在某种程度上进行了体验，学习才会发生。只有通过转化学习者的体验，这些外部影响因素才能起作用。”在体验之中学习，是同已有认知基础的碰撞与超越，教师不应只看重学生获得知识的对与错、多与少这些有形的结果，还应更关注学生在亲历与体验中对知识的理解程度、解决问题中的能力发展程度、意义建构中的情感丰富程度。

[案例2]“静摩擦力”教学中的情境设计

体验1：请学生用两个手指捏住一只空矿泉水瓶，沿着瓶子内壁缓慢加水，要求手指与瓶子之间不能发生相对滑动。请学生谈感受，并分析其中的原因。

体验2：在注满水的矿泉水瓶表面涂上肥皂液，请学生仍用两个手指捏起瓶子。请学生谈感受，静摩擦力的方向怎样判断？

体验3：学生手提书本，沿着竖直方向、水平方向、斜向右上方缓慢运动，分析静摩擦力的大小与方向，谈谈对静摩擦力的“静”的理解。

体验4：提供一袋米、几只不同的杯子（一次性纸杯、玻璃杯、陶瓷杯、不锈钢杯）、几种不同的筷子（竹筷、木筷、塑料筷子、金属筷子），学生随意选择提供的物品重做初中时的“筷子提米”实验。

让学生在头脑中形成直观、概括、可操作的表象，进而进行有效思维，是形成概念的一般步骤。为突破静摩擦力隐蔽性、多变性的难点，4个体验情境从物境到意境逐层深入，学生从捏瓶子的感受中很好地认识到“只有用力捏紧，才能不让瓶子下落，手稍微松一下，瓶子就会往下滑动”。这使得学生对于静摩擦力的产生条件、相对运动趋势、相对静止的理解水到渠成。学生跨越了对静摩擦力的望文生义，由体验到感悟，可谓“以身体之，以心验之”。

三、开放式问题情境：低阶到高阶的跨越

开放式的问题情境，就是在特定的问题情境下，留给学生足够大的思维空间，让学生从不同视角、不同层面去思考、分析、解决问题，发展学生思维力，从低阶思维向高阶思维跨越，将学习的关注点从认知的“了解层”深入到“理解层”，上升到“创新层”；将教与学的目标从“学会”升华到“会学”，帮助学生勤思考、爱思考、能思考，使思考成为一种享受、一种习惯。

[案例3]“斜面+滑块”题型教学

如图1所示，倾角为θ、质量为M的斜面位于水平地面上，斜面未固定，斜面、地面均粗糙。质量为m的木块静止于斜面上，求地面给斜面的支持力和摩擦力。

师：“斜面+滑块”题型是高考常考题型，大家在这类题型上也经常出错。先请大家回想、梳理自己做过了哪些类似的问题，然后我们以“斜面+滑块”为背景进行编题。

（改变条件，求解问题不变）

生1：木块沿斜面匀速下滑而斜面静止。

生2：木块以加速度a沿斜面匀加速下滑而斜面静止。

生3：木块在沿斜面向下的恒力F作用下沿斜面做加速度为a的匀加速运动，斜面静止。

生4：两物体都静止，给木块m施加不同方向的力F时，两物体依然保持静止。

生5：给木块一个沿斜面向上的初速度，经时间t停止。

……

学生求解，比较不同条件下同一问题的求解方法有何不同，思考怎样有效处理一题多变。

（改变模型结构，求解不同问题，如图2）

学生求解，感受物理习题变的“魅力”，思考怎样有效处理发散性问题。

知识是过程性和生成性的，是个体在认知过程中经过思考、联系、感悟并内化形成的，只有这样才能称之为“真知”，这种知识是活化的且具有生长性的，对于个体的成长起到真实的促进和催化作用。本例中，从做题变为编题，从听题到说题，学生先是感到新奇，一试身手的积极学习情绪得到激发，学习动机从浅层的唤发走向深层的唤醒；其次，编题不仅需要对命题条件进行分析，还应有做题时的反省和评价，这需要学生间的思维碰撞。例如有的学生给出的题目條件不严密，经过交流得以补充完善；有的学生借鉴他人的命题思路，通过生成性思维得出了新的题目；有的学生给出了高中阶段尚不能解决的题目，在思辨中将其否定，等等。在旧题新做、熟题新说中提高了思维的变通性，助推了学生的思维生成，也让学生享受到了学习的乐趣、体验到了学习的成果。

物理教学中创设问题情境的策略远不止笔者提出的以上三种，不管哪种方式，问题情境的设计必须符合学生的认知基础，让学习更生动，让学生更主动。

【参考文献】

[1]余文森.有效教学十讲[M].上海：华东师范大学出版社，2007.

[2]张惠钰.《自由落体运动》教学情境设计[J].物理教学，2009（12）.

[3]邹茂全.创设问题情境的实践与探索[J].中学物理教学参考，2012（03）.

[4]石振中.新课程理念下物理教学情境的创设策略[J].中学物理教学参考，2011（08）.

[5]陶昌宏.以创设问题情景为切入点：《物理教学的基本特征》之一[J].物理教学，2010（01）.

[6]郑金洲.课改新课型[M].北京：教育科学出版社，2006.

[7]浦建军.物理教学应基于学生的认知建构过程[J].中学物理教学参考，2012（08）.

[8]柯林·比尔德，约翰·威尔逊.体验式学习的力量[M].黄荣华，译.广州：中山大学出版社，2003.