物理概念教学中发展学生科学思维的问题设计策略

2018-12-29付鹂娟

中学物理·高中 2018年12期

关键词：科学思维问题设计

摘要：核心素养导向下的物理概念教学，不能只教给学生“是什么”，更应关注学生概念形成的过程.在物理概念教学中，如何设置问题探查学生的前概念，厘清学生的迷思概念，引导学生经历概念形成的一系列思维活动，感悟物理的思想方法，最终形成对概念的理解.

关键词：物理概念教学；科学思维；问题设计

作者简介：付鹂娟（1973-），女，湖北人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

建构主义教学观认为，学习者本身并不是“一张白纸”，他们有着丰富的存在着相互差异的经验世界，教师应根据学习者已有的经验设置问题，帮助学生实现自我建构.

概念需要解释事物的本质特征，它具有高度的抽象性和严密的逻辑性，所以我们在进行概念教学时，要引导学生认同概念的产生价值，关注概念的本质特征，经历概念的形成过程.

物理概念的习得过程，应是学生自我建构的过程.学生从已有的认知出发，往往要经历 “观察—比较—概括—抽象—表征—迁移应用”的科学思维过程，有时要反复经历，不断尝试，才能习得科学的物理概念.

在物理概念教学中，如何设置问题促进学生科学思维的发展？本文以《物体运动快慢的描述——速度》一节为例，谈物理概念教学中问题设计的策略.

1探查学生前概念的认知程度，问题情境具有综合性

前测问题的目的并不是指向答案，而是指向对学习者认知程度的探查，探查学生原有概念的认知起点.问题情境的创设综合性较强，让学生在解决复杂问题的过程中展示思维的起点.

通过前测，发现学生对于速度等于路程除以时间这一公式非常熟悉，如果教师的问题是“初中我们学习过速度，什么是速度？”，多数学生能顺利说出答案.但是学生在回答这一问题的过程中，仅仅是通过记忆回顾知识，没有深层次的思维活动.

教学之初利用一段新闻视频提出问题：北京高速公路实行区间测速，参访中发现很多司机对区间测速这一新事物并不了解，“如果你是交警，如何向司机解释区间测速呢？”

学生首先要把这个实际问题抽取为一个物理问题；其次，要应用物理规律分析原理，根据速度等于路程除以时间，已知区间的距离，测出汽车通过的时间，就可以知道汽车的速度；最后，要把这个物理问题还原于实际——测的是汽车的平均时速.这个过程看似简单，学生却经历了建模、迁移和应用等高阶的思维活动.并且通过学生对这个问题的回答，了解到学生很好地掌握了速度公式，对平均速度有一些模糊的认识，认为变速运动的物体路程除以时间就是平均速度.这样可以更加明确这节课的教学重点和教学起点.

2揭示物理概念的本质，问题条件具有隐蔽性

概念的本质往往和概念建立的实际价值密不可分，问题的设计要让学生在应用概念的过程中主动体会概念的价值.这种体验是学生从概念建立的原因去思考，主动认识得到的.因此，问题的设计应具有一定的隐蔽性.

速度的方向性是描述位置变化的一个重要维度.在速度矢量性的教学过程中，如果教师的问题是“一个物体以10m/s的速度向东运动，另一个物体以10m/s的速度向西运动，它们的速度是否相同？”这个问题中“方向”这一要素提示得太明显，没有体现速度的方向性在描述物体位置变化时的实际意义.

教师利用新闻视频提问：“如果已知汽车的平均时速是90km/h，从学校出发，你能否预测1小时之后汽车的位置？”

学生1：平谷（北京市的郊区）.

学生2：学校到平谷的距离是直线距离，你去平谷不能走直线.

教师：很好，这个同学其实谈到了位移和路程的区别.如果假设北京到平谷的距离就是90公里，1小时后汽车一定在平谷吗？

学生3：不一定，因为不知道方向.

教师：汽车可能的位置在哪？

学生4：以学校为圆心，以90公里为半径的圆上（全班笑）.

教师：可见，要更好地描述物体位置变化的快慢，应该把位移和时间的比值定义为速度.

这一问题，把速度的方向性这一要素隐藏了起来，学生在寻找答案的过程中发现，如果不知道方向就不能描述位置，因而速度的方向性必不可少.这个问题，还凸显了引入速度这一物理量的实际意义——若物体的初始位置一定，只要已知速度和时间就能预测物体的位置，这也是研究物体机械运动的价值.

3引领学生科学思维的提升，问题架构具有层次性

问题的设置应该遵循学生思维发展的序列，注重层次性.

在平均速度和瞬時速度的教学环节中，教师根据学生的思维设置问题串如下.

3.1有效观察——基于实验设计问题

教师展示演示实验：用细线穿着一个珠子，给珠子一个初速度，让学生观察珠子沿水平细线的运动.接着，让水平细线穿过如图1所示的双激光测速仪两端的探头.学生通过观察，发现珠子在离开手之后运动一段时间停了下来.珠子通过仪器两杆之后，左端屏幕上迅速显示一个数值.

问题1：仪器上显示的数据是什么？请设计方案验证你的猜想.

设计意图：一是引导学生进行有效的观察.珠子离开手之后运动一段距离停下来，说明珠子在做减速运动，仪器显示的是一个恒定的数值，一般计时仪器都是连续记录，数值应该不断变化，因此猜测测量的是速度；二是培养学生的证据意识，对实验数据进行合理的分析和解释是基本的科学能力.

如果教师的问题是“这是一个测速仪，请问它的原理是什么？”这样的问题，没有留给学生思维的空间.教师在实验之初并没有强调让学生观察什么，但是学生观察的细致与否很大程度上决定了其能否顺利解决问题.

对于仪器显示的数据，有的学生猜测记录的是时间，也有的学生猜测记录的是速度.提出的验证方案是：可以做两次实验，一次珠子出手时速度大，一次珠子出手时速度小.如果测量数据变小，说明测的是速度，如果数据变大，说明测的是时间.然后学生动手实验，验证自己方案的可行性，发现测量的是速度.教师追问，测量的是什么物体的速度？学生答，是珠子通过两杆之间的平均速度.教师继续追问：是如何实现的？学生答，两杆之间的距离是一定的，只要测出珠子通过两杆的时间，就可以计算珠子通过两杆之间的平均速度，直接显示在屏幕上.

3.2思维过程可视化——基于多重表征设计问题

珠子在做变速运动，测量的是一个恒定的值，这个恒定的数值和变速运动的速度之间有什么样的联系呢？需要学生经历比较、概括、抽象等一系列的思维活动进行分析.

问题2：请画出珠子离开手之后的速度—时间图象，并把平均速度定性地在图象上表示出来.

设计意图：一是建立物体的实际运动和图象语言的联系；二是体会对于一个变速运动的过程，为什么在通过双激光测速仪的过程中只测出了一个“恒定的数据”，初步体会等效思想，从而为理解瞬时速度做好铺垫.

要求学生画出速度—时间图象符合学生的认知.学生虽然还没有瞬时速度的概念，但对珠子做变速运动有直观的认识，而且在初中对于图象也有定性的了解，因此画出珠子的速度—时间图象并不困难，难点在于真正理解图线上每一个点的物理意义.

图2是学生的典型答案，通过学生的答案可以分析学生理解平均速度时的思维障碍.

图2（a）中，学生用图线②表示平均速度，反映出学生虽然能定性知道平均速度的大小，但表征平均速度时，无法将文字表征和图象表征统一起来.

图2（b）中，学生凭直觉认为平均速度应该在中间，但说不出理由.反映出学生仅仅是从数学的角度理解“平均”的含义.

图2（c）中，学生画出的速度—时间图象是曲线，但认为平均速度仍然在中间.反映出这个学生对珠子做变速运动有更加深入的思考，但无法理解平均速度的意义.

教师追问：在画平均速度时，你的依据是什么？

学生：面积相等.

教师追问：为什么？