基于“问题链”的教学逻辑构建探讨——以高中物理“重心”教学为例

辛 赜 陈燕华

(广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

物理学的核心素养包含物理观念,科学思维,实验探究,科学态度与责任4大方面,是学生在经过物理课程学习后应具备的科学品质．为贯彻核心素养的落实,以学生为课堂中心的“问题链导学”、“探究式教学”等教学形式相继出现,为当前物理学教学带来了新的启示,但仍有些做法值得商榷.

首先,尽管教师在教学中设置了师生交流的问题对话,但由于有的教师组织的问题,或零散孤立,或过于随意,不能形成一条结构严谨,条理清晰,层次鲜明的系列问题链,影响了学生新认知的形成,淡化了学生学习的兴趣．其次,有的教师过于追求课堂的活跃性与参与性,却不能较好地将活动与教材内容相结合,使学生的活动缺乏明确的目标导向,过分沉浸于游戏与竞争之中,难以帮助学生形成物理观念,实现教学目的．基于以上两个方面的原因,笔者在“问题链”教学思想的指导下,以高中物理学“重心”知识点为例,谈谈物理学教学中关于问题与活动的串联设计.

1 问题链教学的设计理念

“基于问题的学习”又称“PBL教学模式”,最早兴起于上世纪60年代的美国．它提出以问题(尤其是在真实情景下的问题)为核心开展教学内容,为学生提供主动获取知识并进行自我建构的情景．尽管因中外学习方式的差异,其理论不宜完全照搬,但“PBL”中强调发展学生自主学习与终生学习的能力,培养学生的内部学习动机等观点,对中国新一轮课改的推进有一定的参考价值．“问题链”教学法在“PBL”以问题为核心的基础上,要求教师能将学习任务与内容设计成一种有组织,有逻辑,相互独立却又层层递进的问题模式,在问题解决的同时能体现有意义学习的过程与科学思想的渗透.

2 问题链与活动课程的逻辑建构

问题链教学法在许多方面与活动课程的理念有相似之处．其一,二者皆提出教学过程应以学生为主体,教师为指导者的角色分配;其次,强调课程要以学生的直接经验为基础,尊重学生兴趣,以现实问题为起点对教学流程进行设计;最后主张摒弃学习过程中的功利性,适当打破教材与学科的界限,合理的扩充学习内容．然而活动安排零散或是片面追求参与度的教学设计显然不能实现活动课程原本的目的.针对这些现象,问题链教学法可为活动课程的逻辑主线构建提供一定的参考.

从笔者阅读的大量“问题链”教学法相关文献来看,问题链教学法一般被运用在教学活动中的某一环节,引导学生对某个知识点的学习．但从问题链教学法追求条理,逻辑,层次的角度来看,以其作为教学活动框架设计的参考也是一种合理的选择．换言之,除了在教学的某个环节设计小问题链之外,整个教学活动的框架也可以设计成一个大问题链,在为课程服务的同时更可供设计者拷问自身,为何要设计这个活动,这个活动的目的是否与其他活动相重叠,这个活动与前后活动有何关联．处理好这些问题的同时,一条清晰严谨,层次鲜明的教学逻辑主线就会浮现出来.

基于“问题链”的活动课程设计就是教师在深入了解学生,透化教材的大备课基础上,紧扣本课教学重难点,沿着知识点主干脉络,将学习内容融入一系列以问题为驱动的探究活动中．要求各活动均为各自所对应的知识点提供支撑,而各活动之间又环环相扣,问题与活动有机融合形成一个整体,共同为实现教学目的服务．学生作为活动的主体,在教师精心设置的问题情境中,主动进行物理观念的建构,并培养其自我探究的科学态度与问题解决的能力,将物理学的核心素养理念贯穿于教学的全过程.

3 “重心”知识点教学设计前分析

3.1 学情分析

初中阶段,学生初次正式接触”重心”概念,此阶段学生只需要了解规则物体的重心在其几何中心,并以该点为作用点作出力的图示．进入高中阶段后,学生不仅要掌握不规则二维物体重心位置的寻找方法,并要求能正确分析重心的动态变化过程.

3.2 前概念分析

如图1所示，学生在幼童期可能接触过不倒翁,平衡鸟等玩具,或曾尝试玩一些平衡游戏,如独木桥、踩高跷等.这些都为重心教学提供了丰富的素材．生活经验让学生拥有了重心越低物体越稳定和物体翻倒是因为重心不稳两个前概念．但通过初中的学习后学生对物体重心与平衡面之间的关系尚不清楚．当学生被问及不倒翁为何能“不倒”时,学生能够回答因为不倒翁重心低;但在追问为何重心低就能“不倒”时,往往难以回答．这个差异就形成了高中“重心”概念的最近发展区.

图1 各学情阶段学生对重心认识的问题链

3.3 教材分析

出于泛用性的考虑,现行的高中物理学教材内容较为单薄,这对教师如何丰富和充实教材内容提出了新的挑战．笔者通过查阅各个版本的高中物理教材,发现在“重心”一节均未解析重心与平衡面之间的关系,在复习过重心的概念后直接转到了重心位置的确定．缺少重心与平衡的过渡,将带来两个问题.其一,学生对重心的认识没能深化,在初中阶段学生就已经认识到重心越低的物体越稳定,经过高中课程的学习后仍在原地踏步;其二,导致活动安排缺乏粘合,学生虽掌握了不规则物体重心的寻找方法,但并不知其原理,也因不明白寻找重心有何意义而缺乏兴趣．这些问题对教师如何有效把握教材主干,吸纳相关信息,有机整合梳理教材内容提出了更高的要求.

4 “问题链”教学法指导下的“重心”活动课程设计流程

图2 “问题链”设计

问题链教学法将对学情态势及教材内容作针对性的设计．从“重心”知识点中提取出6个大问题组成图2所示的问题链结构,以学生在生活中的经验为问题链的开端并以解释该生活现象为收尾,将本节的3个知识点,重心与平衡之间的关系,重心位置的确定,重心的动态变化有

序地插入其中．图3则在图2问题链的指导下,依据问题链的各个环节,为学生安排不同的活动,每个活动的设计都对应一个知识点,解决问题链中的一环,由此构建出一套脉络清晰的教学框架.

图3 活动框架安排

4.1 认识重心——探讨重心玩具

课题引入:从重力转至重心后,教师首先带领学生复习初中时所学过的“重心”概念,随后以问题链开始推进,与学生探讨重心对生活产生的影响.

问题1:平时生活中有没有发现过重心为原理的玩具或现象?

生:不倒翁,平衡鸟,走钢丝、踩高跷……等.

教师随意选取一些内容并画出简图,或提前预备PPT.

问题2:为何说这些现象与重心有关?

生:平衡离不开重心,重心越低物体越稳定.

问题3:那么为何说重心低的物体平衡性强?

生:依靠直接经验回答或者无法回答.

设计意图.问题链教学法与活动课程设计的一大共同点在于保证学生的参与．让学生分享直接经验是引入新知的有效手段．许多教案在处理重心的引入时,直接将不倒翁,平衡鸟,走钢丝这些例子堆砌在学生面前.这种处理方式虽简单省时,但会导致学生失去分享经验的机会,淡化了课堂的参与度．若能换一种角度,以提问的方式将讨论的“舞台”交给学生,既能满足学生的表现欲和竞争欲,又能更好地顺应学生的兴趣方向和教师的教学设计思路,提出更深层次的问题.

4.2 体验重心——无法站立(上)

图4

教师提议进行一个小游戏,要求学生保持正坐的姿势坐在椅子上(如图4所示,躯干与小腿均与地面保持垂直)并尝试起立,此时学生会突然发现自己如何挣扎也无法站起来．在反复尝试无果后教师抛出问题,起立是我们重复了无数次的基本动作,看似简单,但为什么加上一点条件限制后就会变得这么困难,我们有没有认真思考过这个熟悉至极的过程呢.

接下来提出两人为一组对该现象进行探究,一人负责完成从正坐至起立的过程,另一人自选角度观察同伴在进行动作时肢体的变化．此时学生发现若能成功起立,应具备两点:一是上体前倾,二是小腿后缩,教师将学生的观察结论记录在黑板上,将该问题作为悬念暂且搁置．并告知学生在通过重心概念的学习后,就能解释这个现象.

设计意图： 问题链的核心在于提出能够有效引发学生求知欲的问题．依据前苏联教育家维果茨基的最近发展区理论,问题的设计应是学生暂时无法解决但却拥有潜能去解决的难度．如果引入问题过难且脱离学生已有经验,则难以引起学生的关注;若提得过于容易,学生已然熟练化的经验会对教师的提问产生抵触．本环节将引发学生对日常极为熟悉的坐站动作产生认知冲突,以激发对该知识点的兴趣．此外,该活动不需要任何额外的仪器和设备,可以适用于任何条件的课堂中.

4.3 重心与平衡的关系——“空中楼阁”(上)

图5

第1步,进行定性探究实验.3-4名学生为一组,小组成员各拿出一本相同的课本或练习簿进行合作搭建比赛．目标是使用最少的相同课本,通过叠加的方法,使最上方的课本的整体完全悬于桌面外(如图5),在此过程中,学生会在多次失败的尝试中体验重心在搭建中起到的作用,并试图寻找重心．该活动结束,让学生分享搭建的经验与诀窍,经过讨论后,能初步将重心位置与临界掉落位置相关联.

图6

第2步,进行定量验证实验:合作小组共同完成两个任务(如图6),任务1,寻找并标记一本书的临界掉落位置及两本书组合体的临界掉落位置.任务2,寻找一本书及二书组合的重心位置,由于两本相同的书无论如何叠放都可视为对称物体,所以重心并不难寻找,将重心位置与临界相比较就能深化学生对重心与平衡之间的关系的理解.

设计意图： 该活动是从儿童的积木游戏和物理趣味题中得到的启发,用以帮助学生理解重心与平衡面间的关系,在条件允许的情况下使用乐高玩具或者成套积木会得到更好的效果．得到“空中楼阁”的最优解比较困难,不宜在课堂上花费大量时间讲解,但可作为定性探究的素材．本阶段活动教师要鼓励学生分享想法,进行争论,呵护学生的创意．但定性探究只能提供一种方向,要让学生真正的理解重心与平衡面的关系,还是要将定性探究转化为简单的定量探究.

4.4 不规则二维物体重心位置的确定——“空中楼阁”(下)

图7

通过4.3的探究,得出两个结论： (1) 物体重心在底面的投影超出支撑面物体就会翻倒; (2) 空中楼阁的最快搭建方法是自上而下,将下一本书放在上方组合的重心位置可以得到最多的伸长量．下一步使用问题链提出新的知识点,即重心位置的确定.

问题1:1本书的重心在其几何中心,2本书由于对称几何中心也容易找到,但现在3书组合体的重心又如何寻找呢(图7中3书组合)?

学生依据已有经验,得出两种意见,第一种是继续通过几何运算,第二种是运用3.3中得出的结论,将组合体放在桌沿以临界掉落位置确定重心.

问题2:这两种方法的差异在何处?哪一种更适合“空中楼阁”的问题?教师可以再举出几例,如寻找规则骰子与不规则平衡鸟的重心,让学生在这两种方法中进行选择.

学生通过分析观察后得知:对规则几何体,第1种方法更有优势,对复杂不均质物体则采用第2种.

问题3:对于复杂的搭建第2种方法更好,但我们用临界法测出的位置是所谓的“重心”么?

该问后学生未必能明白教师想表达什么意思,若出现冷场教师可补充一问“书不超过这条临界边就不会掉下去,那么这整条边都是重心的投影么”．此时学生便能反应过来,这条边只是重心投影所在的一条线而已.

问题4:既然如此,我们如何确定重心的投影究竟是线上的哪一点?

学生思考后可以得出再找一条临界边,两边交点即为重心投影.

问题5:如何验证这一点就是重心的投影?

小组合作活动,思考探索并进行验证,找出重心后将组合体围绕重心旋转一圈,书本不掉落即验证成功.

总结阶段,教师可以以转书游戏的支点再次向学生阐述重心的作用,并与课本活动中的“悬挂法”进行类比教学.

设计意图： 该环节采用梯度式提问的方式．上部分重点为夯实4.3中获得的经验,下部分则在4.3的基础上,帮助学生发现新知．同时,4.4中寻找重心的方式与悬挂法的原理相似,通过问题链联通前后知识点,学生不仅能明确寻找重心的意义,也能更深刻地理解寻找重心的方法,解决了教材中悬挂法出现比较突然的缺憾.

问题链教学法也对教师的提问设计提出了较高的要求.其一,教师的提问应具有明确的针对性,提问主干应清晰明了;其二,教师要通过换位思考,明确所提问题的内涵,对学生的思考和活动能进行有效的引导;其三,提问应具有有连贯性和逻辑性,使问题能顺应学生的认知过程.

4.5 重心的动态变化——无法站立(下)

在有了4.3与4.4结论的基础上,教师再度分析人体站立的过程．首先向学生展示人体质量分布的比率,躯干占65%,大腿占23%,小腿占12%．数据给出后,教师提议学生以桌沿代替椅子,自寻工具拼搭组成人的坐姿以供探究．可用一把长直尺代替人的大腿,以两三块橡皮代替人的上肢放在直尺的一端,以桌沿代替椅子,最后用一支笔代替小腿从下方顶住尺子,配合人体动作体感进行分析(如图8所示).

图8 模拟人体模型

首先用掉落法找到组合文具的重心,然后将文具重心置于桌内,用笔顶直尺以模拟人体蹬地的过程,学生会发现无论怎么顶都只能将直尺向上举,“大腿”无法落地．此时教师再联系4.1中观察到的两个现象,一身体前倾,二小腿后收,学生分组通过文具与人体对比探究这两种行为对人体重心的影响．随后小组派代表分享结论,并以实验现象证明自己的观点．最后教师总结,身体前倾的作用是将重心前移,小腿后收的作用是缩短支撑面的距离,小腿蹬地的作用是为了支撑起即将倒地的人体.

设计意图： 该环节旨在培养学生建模并进行模型实验的能力,强调技能与方法的传递．在经历了基于事实的理想模型构造过程后,将分析综合,推理论证等科学思维方法在学生心中内化．4.1的活动已经给制造了现实与直接经验的冲突,通过中间几个层层递进的活动,学生经过自主的思维建构和小组共同的探究活动,终于将矛盾化解．不仅帮助学生对生成的物理观念具有更深入的认识;而且通过学生自己的实际体验得出结论,强化了学生对物理学科的认同感,并获得快乐学习的感受.

4.6 总结—解释重心现象

总结环节的处理比较自由,教师可通过学生抢答的方法,运用本节所学知识解释生活中的重心现象,最好能结合4.1中学生自主提出的重心现象进行分析．通过成功解析生活中的奇异现象,学生在巩固知识的同时,在情感上能继续保持对自然与生活的好奇,乐于探索并通过学习解释身边的物理现象,实现多元发展.

5 结语： 寻找“去功利性”与“目的性”的平衡点

高考的压力导致当前高中物理课程学习的时间紧,任务重．为完成教学大纲,许多教师把传授知识作为主要教学目标,更多采用讲授法,压缩时间来完成教学任务．其实,无论课改中如何倡导类似“翻转课堂”“合作学习”等新教学模式,都不否认知识与技能的传授,也不可能在教学设计中做到完全的“去功利性”．物理课程的三维目标将知识与技能放在第一位,可见知识技能的传递在教学中的地位,从这个角度出发,教师在进行教学设计时追求一定程度的“功利性”并没有问题.

问题在于如何更好地转变教育观念,在传递知识经验的同时,多关注学生学习行为,学习态度及学习的主动性和积极性,让学生能真正成为学习的主体,观念的改变一定会引来教育方式方法的创新．以问题链为轴心设计活动课程的出发点,就是在尊重活动课程自由、平等的精神核心上,将零散的活动变得更有逻辑性,将过分自由的活动变得更有目的性和凝聚力.不仅关注教师教什么,更强调学习主体,学什么,怎么学,从而寻找教与学二者之间的平衡点,以追求更高效率的展开活动课程,最终将物理课程的三维目标落实到位.