创设问题情境 启迪学生思维

惠广俊

(浙江省杭州第十四中学,浙江 杭州 310006)

《普通高中物理课程标准》2017版指出:在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设．创设情境进行教学,对培养学生的物理核心素养具有关键作用．物理概念的建立需要创设情境,关键是创设体现概念本质特征的情境,发展学生的科学思维;物理规律的探究需要创设问题情境,学生从情境中发现和提炼问题,对问题的可能答案作出假设,并根据问题情境运用已有知识制订探究计划,选择符合情境要求的实验装置进行实验,获取客观、真实的数据,通过对数据的分析形成关于物理规律的结论;应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境,运用物理知识解决实际问题能力的高低,往往取决于学生将情境与知识相联系的水平．[1]

问题是物理教学的核心．[2]高效课堂两个最深刻的判断标准,一是学生参与的主动性,二是学生思维的深刻性．有意义的学习活动总是凭借一定的教学情境来实施的,学生对知识的感悟、乃至素养的提升也只有在与情境的互动中才能达成．值得提倡的教学路径是:情境→问题→探究→结论，即以情景引问题,以问题导探究,以探究求新知．

1 创设联系生活的情境,开启学生思维

“生活是教学的源泉,是科学世界的根基,教学只有联系生活,走进生活,才能使人真正体验和理解知识的内在意义和价值．”[3]实际生活是学生学习的最好情境,它有助于学生感悟到物理就在自己身边,形成从生活中学习、从实践中学习的习惯,并养成把物理认知应用于解决生活问题的能力．

例如“运动的合成与分解”教学,我们可结合实际生活提出一些饶有兴趣的问题引发学生思考．比如问:杭州到上海的高铁以300 km/h的速度向前疾驶,你能跑得比它还快吗?学生起初会哄堂大笑,感到不可思议,但通过积极思考,还是会想到,人只要在奔驰的高铁上,朝着车行方向哪怕是慢慢地走,不就比高铁跑得更快了吗?这样就很自然地引入同一直线上运动的合成与分解．

至于互成角度的运动合成与分解,同样可借助于生活情境,如问学生:你在雨天应怎样撑伞才能避免淋湿?开始时,不少学生会根据雨滴向下,人往右行,作出如图1(a)所示的矢量合成,从而得出雨伞应向后撑的结论．但这显然与生活实际相悖,从而迅速激发了学生的思维．通过思考与讨论,他们找到了问题的结症所在:原来图1(a)的v1与v2分别对应的是雨滴和人,把这样两个不同对象的速度合成,犹如 “牛头不对马嘴”,自然是错误的．

图1

于是,学生根据同一性原则,以雨滴为对象,它相对于人是有竖直向下和水平向左两个分速度v1与v2,可作出如图1(b)所示的速度合成,从而得出正确的雨天撑伞方案．

生活化趣味经验和现象是物理教学的一个个“开关”,联系生活的问题情境可以快速地建立师生共同学习的“学习场”,贴近学生思维“最近发展区”,帮助学生快速从生活经验建立物理认知．

2 创设引发冲突的情境,激活学生思维

心理学上认知冲突是指原有的认知与新感受到的客体之间的对立性矛盾．创设的情境引发认知冲突后,就会引起学生产生解决认知冲突获得心理平衡的动机,从而有效地激活学习动因,使得学生的智力及其情感等方面因素迅速调动起来,投入到新知的学习活动中去．所以,高明的教师会充当学生思想助产婆的角色,也会给学生“找麻烦”,设置实际情境,先 “问迷糊”再“教明白”是一种高明的教法．

引发学生认知冲突一般有两种方法,一是设置知识陷阱,二是营造知识台阶．

图2

例如“静电平衡”教学,为了验证处于静电平衡状态时导体的电荷分布规律,都会演示法拉第圆筒实验．如图2,用拾电球分别与带电金属圆筒的内、外表面接触,再经过验电器的检验,就可得出静电平衡时导体电荷只分布在外部的结论．至此,一般的实验演示也就结束了．

为了使学生能对静电平衡下导体电荷的分布规律有更深刻的理解,除了上述正面的演示实验外,我们还可以从反面补充一些实验．如图3,导线的一端与拾电球相连,先问学生,若将导线的另一端与验电器接触,验电器的箔片会张开吗?多数学生都认为此时拾电球在圆筒内部并不带电,因而验电器的箔片也不会张开,但实验结果却与之相反．这种反常的现象引起了学生极大的兴趣,经过深入思考与讨论,最终做出了合理的解释:原来拾电球虽然在圆筒内部,但是与之相连的导线却有一段处在圆筒的外部,于是就会有电荷的分布．

图3

图4

教师不要至此打住,要继续营造冲突情境,如图4,将带有金属长柄的拾电球先与带电圆筒的内壁接触,取出后再问学生这时的拾电球带电吗?大家都肯定的回答不带电,但与验电器接触后箔片竟然张开.再次的意外使学生激起了又一波思维的高潮,通过细致地分析,他们终于找到了原因:由于金属长柄的一部分露出筒外,相当于带电导体的外部,因此也就带上了净电荷．

如此设置知识陷阱,学生数次上当的经历,使他们吃一堑长一智,不但加深了对静电平衡导体电荷分布规律的理解和把握,还使他们懂得了观察、分析物理现象不能光看外表形式,更要善于抓住实质,有助于学生的科学观察和思维能力的培养与提高．

图5

这究竟是为什么呢?学生陷入了极大的困顿之中,这时教师不妨提示:物理是以实验为基础的,我们不妨做个实验来观察一下吧．就在学生期待的目光中教师演示了如图5的实验,结果发现当光线以60°的入射角从玻璃射向空气时,竟然没有折射光线的存在.这种新异的光学现象使学生激起了强烈的求知欲,进而就积极地投入到新课题的学习之中．

巧妙设置冲突情境,促进学生认知在不断冲突中发展．如果下一个物理情境设置得当,引起学生对上一个任务结论的认知冲突,不断形成学生认知冲突的“链式反应”,课堂高潮迭起,学生会积极地和教师一起参与质疑、释疑、共同进行研究和评价的过程,科学思维和科学探究能力得到提升．

3 创设引导探究的情境,深化学生思维

物理学家密立根有句名言:“科学靠两条腿走路,一是理论,一是实验．有时一条腿走在前面,有时另一条腿走在前面．只有使用两条腿,才能前进”．他形象地说出了物理学科的特点,就是在于“物”和“理”．“物”即事实证据,以实验为基础进行探究或检验．“理”即理性思维,进行以思维为中心的探究．

探究一般有两种途径,一是实验探究,二是理论探究．

理论探究的途径在此不加赘述．在实验探究中,除了常规的提出问题、猜想假设、设计实验方案、获取数据信息、基于证据得出结论等要素之外,充分运用“实验变式”,是引导探究不断深入、深化学生思维的好途径．

例如在“静电感应”教学中,教师如果只进行如图6的操作,问“将电棒靠近枕型导体,我们观察到枕型导体两端的箔片都张开了,请大家判断枕型导体两端分别带哪种电荷”.学生会基于初中所学的知识马上判断出“近异远同”．如果实验和问题到此为止,单一化的操作,一步到位的教学,远远没有发挥实验应有的探究功能,不利于学生对物理现象及本质的理解,也难以激发学习的积极性．

为此,我们可以做以下改进:针对同一个实验器材,从不同角度创设探究情景,激发学生深度思考,通过不同的角度去认识物理现象的本质．

图6

实验:如图6,教师手持带电棒,问能使枕型导体带电吗?(学生能回答出将带电棒与导体接触．)

实验变式1:如图6,带电棒与导体不接触,能使导体带电吗?(学生猜测,教师将带电棒移近,但不与导体接触,可见箔片张开)不接触为什么箔片也张开?这时导体两端各带何种电?为什么?

实验变式2:如图6,移走带电棒,箔片为什么又重新闭合?

实验变式3:如图7,带电棒与导体不接触,能使导体上始终带上电吗?(学生能讨论出在移开电棒前先将枕型导体两半分开)

实验变式4:如图7不分割枕型导体,有办法使它始终带上电吗?

其中,实验变式4对于学生有一定难度,为此教师可先以做如图8的实验演示:用手指触碰一下枕型导体再分开,然后移走电棒,则导体始终带电．这实际上是通过实验,引导学生在观察的基础上构建模型,即站在地面上的人与导体接触,就相当于将地球与原导体组成了一个“大的枕型导体”,再按实验前面的原理进行分析即可．

图7 图8

物理知识是形成物理学科素养的载体,是不能直接转化为素养的,实验探究才是形成学科素养的渠道．通过创设实验情境,把学生的思维引向问题最原始的出发点,降低思维起点,引向思维高点,促进学生从抽象思维转化为形象思维、从感性思维转化为理性思维．

4 创设拓展应用的情境,活化学生思维

如果说实验器材是一出戏的道具,情境就是故事的情节.这些实验可以编成一幕幕的连续剧.通过问题把剧情推向扣人心弦的高潮．在物理知识的应用过程中,我们同样可以做到以实验为基础,以思维为中心，以旧知识为依据,通过深层次的问题让学生在情境中创新思考,探索新知,获得解决实际问题的经验,同时发展创新解决问题的能力．

创设拓展应用的情境,要关注以“问题链”的方式呈现问题,关注“问题链”间的逻辑张力,关注问题的创新解决．

例如“回旋加速器”的教学,以前课堂中教师将教学目标定位于带电粒子在磁场中运动的知识应用实例,往往是教师作为讲解员,以讲为主,学生被动听讲,看似听明白了回旋加速器原理,但是不明白为什么粒子在回旋加速器中的最大动能和加速电压无关．为此,我们可以把教学目标定位改为 “发明一种新型的粒子加速器”进行教学,步骤如下:

问题1:用什么方法可以加速带电粒子?(设计目标:电场加速)

问题2:如何突破加速电压的限制,使带电粒子获得更大的能量?(设计目标:多级加速)

问题3:对此方案(图9)你发现有什么问题吗?如何解决?(设计目标:静电屏蔽,需解决两个相邻加速电场之间存在减速电场问题)

图9

问题4:为使带电粒子能够一路都加速,电源AB端极性应满足怎样的条件?(设计目标:交变电源)

图10

问题5:如果电源极性改变的频率不变,怎样才能保证带电粒子同步加速?(设计目标:同步条件)

问题6:如果只用一个电场,能否让带电粒子自动返回,且实现多次加速呢?(设计目标:磁场回旋)

问题7:随着带电粒子速度和轨道半径的增大,交变电源频率要改变吗?(图10)(设计目标:同步条件)

问题8:为使带电粒子获得更高的能量,你在设计一台回旋加速器时,打算采取哪些措施?(设计目标:开放性问题、限制条件)

知识的拓展应用情境中,通过有效“问题链”,促进学生感性认识向理性认识转化和升华,能形象的、具体的、有效地刺激和激发学生的想象与联想,促进学生形象思维与抽象思维的互动发展,达到学以致用、还原思维、拓展思维、发展思维,创新解决问题的目的．学生会感觉到这不是在分析回旋加速,而是在发明创造一种新型加速器，也体会到解决问题的快乐.

5 创设促进生成的情境,升华学生思维

爱因斯坦说:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决问题也许仅仅是一个教学上或实验上的技能而已．而提出新的问题新的可能性,从新的角度去看旧的问题,都需要有创造性的想像力”．所以,要关注课堂生成的问题,要给予学生暴露问题的机会．学生如果做对了,有可能只是猜测,学生如果做错了,那绝对是他的原创．学生的错误也是重要的教学情境.

例如在“摩擦力”教学时,在分析如图11所示木块所受的摩擦力时,因为木块的情境过于抽象,学生光靠想象难以进行分析．我们可以把抽象的木块情境更换成如图12所示的学生体验情境,让学生用两手夹住若干册书本,并沿上下、左右各个方向匀速移动．然后思考:联系本节课(摩擦力)所学知识,你能够提出哪些相关的问题?学生七嘴八舌,提出的可能问题有: (1) 夹在两手间书本为什么不会滑落?(2) 书本所受摩擦力的方向与运动方向有关吗?(3) 当手压书本的力增大时,摩擦力也增大吗?(4) 为使书本不滑落,手对书本的压力至少要多大呢?计算这个问题还需要知道哪些条件?(5) 若每本书是一样的,书本之间的摩擦力大小相等吗?怎样计算不同接触面之间的摩擦力?……

图11

图12

学生回答问题的过程暴露对摩擦力的认识观念,学生如果回答错误,不能够区分动摩擦力和静摩擦力、没掌握整体法和隔离法的受力分析,错误的回答就又生成了新的问题,教师只要抓住这些课堂生成,就是抓住了这节课的重难点．

关注课堂生成,鼓励学生表达不同意见,并加以讨论、引导、评价,减少教师提前预设情境中的既定问题,善于从学生的问题中挖掘资源,充分给予学生思考、讨论和发表观点的交流机会,能充分暴露学生的思维问题,促进学生及时修正错误物理认知,有助于物理观念的快速形成．

物理问题情境创设中的“看、想、做、说、听”等不同维度,让学生“看”——理性观察、让学生“想”——体验逻辑推理的科学思维过程、让学生“做”——体验科学探究活动、应用探究方法、让学生“说”——外显科学思维活动过程、让学生“听”——接受同伴合作、交流、评估、反思与总结,为多维度评价学生提供了多元视角．创设问题情境进行教学是培养学生物理学科素养的有效途径,是优化教学过程实现教学目标的有效手段．通过创设有效的物理问题情境,进行高效的学习活动,让学生发展科学思维、发展科学探究的能力、建立自己的物理观念是物理教学的终极目的．