通过科学探究 培养高阶思维能力——以“机械能守恒定律”一课教学为例

马云秀

(苏州工业园区星海实验中学,江苏 苏州 215021)

1 问题背景

“机械能守恒定律”这节课是高中力学部分一节很重要的规律探究课,它的内涵抽象、条件复杂、应用多样,一直是教学的重点和难点．如何让学生经历探究过程,自己得出规律,并理解规律的内涵和外延,从而提高学生解决问题的能力和培养学生的科学思维,是这节课教学值得探讨的问题．然而,教师往往在教学中,不注重规律的得出过程,而重在规律的验证,甚至有的重在规律的应用上,这样的教学方式,导致学生的思维停留在识记、理解和应用低阶思维水平上,却错过了学生高阶思维能力的培养契机．就拿笔者来说,每次执教这节课都有新的思考,新的启发.2018年3月笔者在苏州市名师共同体活动中执教了公开课“机械能守恒定律”,探讨了如何引导学生在科学探究中培养学生的高阶思维能力,以期有所教益．

2 科学探究与高阶思维能力

科学探究是物理学科素养的4个重要方面之一,《普通高中物理课程标准》(2017年版)中明确指出:通过高中物理课程的学习,学生应具有科学探究的意识,能在观察和实验中发现问题、提出合理的猜想与假设;具有设计探究方案和获取证据的能力,能正确实施探究方案,使用不同方法和手段分析、处理信息,描述并解释探究结果和变化趋势;具有交流的意愿与能力,能准确表述、评估和反思探究过程与结果．这对高中物理教学提出了很高的要求,对学生的思维提出了很高的要求,需要教师引导学生在发现问题、提出问题和解决问题的过程中运用分析、评价和创造等高阶思维收集和处理信息,寻求证据,运用逻辑对问题作出合理的解释．

高阶思维是按照思维的水平层次和性质特点划分的一种思维类型．所谓高阶思维,是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力．布卢姆教育目标分类将认知目标划分为“知识”和“认知过程”2个维度,其中认知过程分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造6项,前面3项属于认知过程低阶思维能力,后3项属于高阶思维能力．高阶思维能力直接影响到科学探究的水平,而高阶思维能力的训练,也离不开科学探究活动．在科学探究的过程中,学生经历以分析、评价和创造为主的思维过程,对其思维会起到潜移默化的影响,使思维具有严谨性、深刻性、批判性、独创性和灵活性等特点,从而训练了科学的思维方法,发展了高阶思维能力．

3 教学过程及策略分析

教学环节1:依据生活情境有所联想,萌生探究问题．

师:在日常生活中有很多能量相互转化的实例,请同学们联想生活情境,用给定的器材演示动能和势能转化的运动过程,并说明动能和势能的转化情况．(各组器材分别是:小球、不易形变的绳子和小球、过山车轨道和小球、弹性绳和钩码、会弹跳的小人．)

生1:联想到竖直上抛的情境(同时演示:将小球竖直向上抛出),上升过程动能转化为重力势能,下降过程重力势能转化为动能．

生2:联想到荡秋千情境(同时演示:将绳一断固定,另一端的小球拉离平衡位置,松手释放)．上升过程动能转化为重力势能,下降过程重力势能转化为动能．

生3:联想到过山车情境(同时演示:将小球从倾斜轨道上某处释放)．上升过程动能转化为重力势能,下降过程重力势能转化为动能．

生4:联想到蹦极情境(同时演示:将钩码向上抬到某一位置松手释放)．下降过程重力势能减少,弹性绳绷紧后,弹性势能增加,动能先增加后减少．

生5:联想到蹦床情境(同时演示:将弹跳人向下压,然后松手释放,小人弹起)．上升过程重力势能增加,弹性势能减少,动能先增加后减少．

师:同学们列举的情境中有势能转化为动能,也有动能转化为势能,物理学上,将动能、重力势能和弹性势能统称为机械能,这些例子说明机械能的转化具有双向性．

师:同学们列举的后面4种情境都是往返运动,它们往返运动过程中到达的最高点有何特征,据此,你对动能和势能相互转化过程中机械能的总量有什么判断?

生:生2所演示的情境中小球来回摆动的高度几乎不变,说明小球的机械能总量几乎保持不变．其余的情境中来回往返的高度均原来越低,说明机械能总量越来越少．

师:物理学的研究不仅要描述是什么,更要研究为什么?今天我们就来一起研究为什么机械能的总量在某些情况下保持不变．

教学策略分析.学生在学习机械能守恒定律之前,已经从大量的生活情境和现象中获得了关于动能和势能的感性认识,但对于动能和势能的转化具有双向性没有系统的认识．课堂上,笔者抓住了学生的这一认知特点,给定学生器材,让学生经过思维加工,演示实验,充分体验动能和势能相互转化的物理过程,加深了学生对机械能转化的认识,同时也让学生通过现象的观察、分析和比较,萌生出探究的问题——动能和势能转化过程中,机械能总量为何有些情况下变,有些情况下不变呢?这一教学过程颠覆了传统的教学设计,传统教学中常常将荡秋千、过山车等情境作为动能和势能转化的例证,帮助学生理解、体会机械能的转化这一概念,而笔者引导学生依据生活情境,根据给定的实验器材进行联想,体验动能和势能的转化,在体验中经历联想和创造、分析和比较、提炼和概括的思维过程.这样,不仅深化了概念的理解,更重要的是增强了学生的探究意识,让学生运用高阶思维在观察和体验中发现问题,从而实现低阶思维训练向高阶思维训练的转变．

教学环节2:巧用对比实验引领探究,激活学生思维．

图1 两个乒乓球的对比实验

师:观察实验,如图1,将2个乒乓球(1只空乒乓球,1只装满沙的乒乓球)分别用一根不易形变的悬线悬挂,拉离平衡位置至站立人的鼻尖处由静止释放,观察乒乓球来回运动的高度．

生:空乒乓球来回摆动的高度越来越低,装满沙的乒乓球来回摆动的高度几乎不变,但来回很多次以后高度也在变低．

师:两次乒乓球的机械能变化吗?陈述你的观点并阐明证据．

生:机械能的总量都在减小．因为在最高点速度为0,动能为0,机械能等于最高点的重力势能．最高点的高度变低,重力势能减小,从而机械能在减小．

师:两个乒乓球机械能的减少有什么区别?

生:一快一慢．

师:是什么原因产生这样的区别?

生1:是由于质量不同,装沙的乒乓球质量大初始的机械能大．

生2:按照生1的逻辑,初始机械能越大,物体的机械能就越可能守恒了?

大家陷入了沉思状态,…

师:这个问题质疑的得很好．刚才还有一个重要现象,为何装满沙的乒乓器来回摆动一次高度几乎不变,但随着来回摆动次数的增多高度越来越低呢?

生1:说明与路径有关．

生2:来回摆动,阻力所做的负功越来越多,乒乓球的机械能也就越来越少．

师:为什么2个乒乓球机械能的减少一快一慢呢?机械能在什么情况下保持不变呢?

生:两个乒乓球阻力做功与重力做功相比一多一少．若阻力做功与重力做功相比可以忽略不计,乒乓球的机械能就保持不变．

师:这让我们想起了伽利略的理想斜面实验,小球所受阻力做功可以忽略不计,小球能到达跟初始释放的高度,机械能不变．那是不是只要阻力做功可以忽略,物体的机械能就保持不变呢．

师:演示实验,将小球用一根绳悬挂,上端固定,绳子伸直,将小球拉到一定高度,静止释放,小球来回摆动高度几乎不变．然后,小球在摆动的过程中将上端点也左右移动,发现小球越摆越高,说明小球的机械能增加了．这又是为什么?

生:绳子拉力做了正功．

师:说明阻力做功与重力做功相比可以忽略不计,物体机械能保持不变只是一种特殊情况,我们无法通过实验将机械能保持不变的情况穷尽,大道至简,机械能保持不变的条件应该是简洁而深刻的．下面我们从理论角度推理,寻找机械能守恒的条件．

教学策略分析.高阶思维的训练不是一蹴而就的,需要创设情境,特别是对比情境,更能激活学生的思维,揭示规律的本质．机械能变与不变究竟跟什么有关,教学过程中运用了3次对比,去伪存真,探寻规律．首先是轻重对比,轻重不同的两个乒乓球在摆动过程中机械能的损失为何一快一慢,学生通常认为与乒乓球的质量有关．针对学生的这种认识,教师接着引导学生将装满沙的乒乓球来回运动一次与来回运动多次进行对比,分析得出机械能的损失与路径有关,综合分析应该是与阻力做功有关,是与阻力与重力做功的比例有关,而不是仅仅与受力有关,更不是与质量有关．那是不是只要阻力做功可以忽略不计,系统的机械能就保持不变呢?通过将单摆模型悬点固定与悬点左右移动两种情况下摆球的摆动情况进行对比,分析得出若拉力做了正功,系统的机械能会增加．3次对比加深了学生对机械能变与不变的本质理解,也提升了学生基于证据,运用逻辑分析问题的能力．

教学环节3:创设进阶问题自主认知,训练科学思维．

图2

问题.如图2所示,1、2为小铁球下摆的过程中任意两点,设动能分别为Ek1、Ek2,重力势能分别为Ep1、Ep2．不计空气阻力,以最低点为参考平面．

(1) 分析从1到2过程中小铁球动能如何变化以及变化的原因,写出相关的原理表达式;

(2) 分析从1到2过程中小铁球重力势能如何变化以及变化的原因,写出相关的原理表达式;

(3) 分析从1到2过程中小铁球动能和重力势能的转化关系并判断小铁球在1、2两位置机械能的大小关系；

(4) 根据上述分析过程,总结机械能守恒的条件．

生:(1) 1到2过程中重力对小铁球做正功,动能变大．动能定理:WG=Ek2-Ek1.

(2) 1到2过程中重力对小铁球做正功,重力势能减少．重力做功与重力势能变化的关系:WG=Ep1-Ep2.

(3) 根据(1)、(2)原理表达式可知,Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,即小铁球动能的增量等于重力势能的减少量,所以Ek1+Ep1=Ek2+Ep2．

(4) 根据动能定理W合=Ek2-Ek1,重力做功与重力势能变化的关系WG=Ep1-Ep2,可知Ek1+Ep1=Ek2+Ep2的条件是W合=WG,即运动过程中只有重力做功．

追问1:小铁球上升过程中机械能总量是否也保持不变?上升过程和下降过程动能和势能的转化有什么区别?请从功是能量转化的量度解释产生区别的原因．

生:小铁球上升过程中机械能也保持不变．小球上升过程重力做负功,动能转化为重力势能,下降过程重力做正功,重力势能转化为动能．

追问2:上述结论“只有重力做功的物体系统内,动能和势能相互转化,总的机械能保持不变”对物体的运动性质有要求吗?为什么?

生:上述推导过程运用了两个原理,一个是动能定理,另一个是重力做功和重力势能变化的关系,这两个原理适用于任何运动,所以上述结论对运动性质无要求．

师:说明在只有重力做功的系统中,物体的动能和重力势能相互转化,机械能的总量保持不变．

追问3:若除了重力以外,还有其他力做功,机械能的总量将如何变化?

生:根据动能定理WG+W非G=Ek2-Ek1,重力做功与重力势能变化的关系WG=Ep1-Ep2可知W非G=(Ek2+Ep2)-(Ek1+Ep1),若其它力做正功,物体的机械能增加,若其它力做负功,物体的机械能减少．

教学策略分析.把一个复杂的、难度较大的课题分解成若干个相互联系的子问题、或把解决某个问题的完整的思维过程分解成几个小阶段,从而形成的阶梯性问题,能有效地将学生的思维引向一个新的高度．机械能守恒定律的内涵是重力做功促使动能和重力势能相互转化,而且在数量上还存在确定的等量关系,表现为系统的机械能总量保持不变．为了彰显“功是能量转化的量度”这一重要思想以及“重力做功是重力势能和动能相互转化的桥梁”这一内涵,笔者将机械能守恒定律的理论探究通过阶梯性的问题解决组织教学,围绕动能和势能为何会发生转化、转化关系如何、这种关系成立的条件、如果不满足只有重力做功的条件机械能的总量将如何变化等问题组织学生探究,问题的设置循序渐进,环环相扣,符合学生的认知思维特征,问题的解决需要学生运用功能关系对创设的情境进行分析,对推理过程进行反思和评价,才能形成正确的问题答案,涉及的认知维度属于高阶思维．

4 小结

高阶思维的培养离不开教学活动,特别是科学探究活动．在高中物理教学中,应注重科学探究,尤其要注重情境的创设和问题的设置,这对培养学生的高阶思维具有重要的作用．利用实验创设情境时,可让学生在观察和体验后有所发现、有所联想,萌发出科学问题,提出合理的猜想与假设;也可在实验中创设一些任务,让学生在完成任务中运用分析、评价、创造等高阶思维,提炼出需要探究的问题,设计出探究方案．问题的设置应凸显概念的本质、规律的内涵,但问题的解决需要学生寻求证据,经过观察、分析、综合、归纳、猜想和论证等深层次的探究活动,才能获得问题的答案,形成正确的概念和规律．而且解决问题的方法不可一层不变,应该是灵活多变的,这样的探究过程才能促进学生高阶思维的形成．当然,高阶思维的提升,也会反作用于科学探究活动的有效开展．