基于真实性情境的问题链教学策略研究①——以“动量定理”为例

江 瑶 谢婉君 汪鸿飞 姚关心

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002)

1 引言

问题链教学是师生围绕一定的教学目标进行设疑、释疑的动态交互过程,同时也是基于学生的原有认知围绕一系列问题进行知识建构的过程,[1]前后问题具有关联性、递进性、开放性和主题指向性等鲜明特点。相对于平铺直叙的教学而言,问题链教学具有更强的引导性,让学生带着问题审视物理知识,更容易激发学生的多元智能,进而拓展学生思维的广度、深度。问题链已经引起众多学者和一线教师的重视,但在问题链的设计上,容易忽视真实性情境的重要性。教育的最终目的是使学生在未来可以成功地解决真实情境中的复杂问题,[2]“问题链”教学有必要重视真实性情境的创设。

“动量定理”是人教版高中物理教科书选择性必修第一册的第1章第2节,常用来解决碰撞类问题,与生产、生活联系紧密,是与STSE教育契合度较高的素材。本文以“动量定理”为例,探讨基于真实性情境的问题链教学策略。

2 基于真实性情境的问题链教学流程

基于真实性情境的问题链的教学可分为课前预设、课堂教学和课后反思三个环节,旨在优化情境问题的关联性、递进性和指向性,提升课堂教学的有效性,教学流程如图1所示。

图1

2.1 课前预设

在学生已有经验的基础上“增长”新知识,运用“已知”探“新知”,是使知识“活化”的重要途径。教师在上课前应了解学生的知识基础、思维方式以及学习方法等,对课标和教材进行研读,以确定教学目标。将教学目标与学生已有经验相结合,立足生活实际,创设具有启发性、真实性的问题情境,考虑每个子问题解决中的学生活动。

2.2 课堂教学

在教学过程中,教师导入设计好的初始问题,引发学生的探究欲望,再拆分问题,引导学生深入思考,逐步解决子问题,达到解决初始问题的目的。正如钟启泉教授所言:“核心素养不是直接由教师教出来的,而是需要学生在具体的问题情境中借助问题解决的实践而逐步培养和发展起来的。”[3]

2.3 课后反思

对学生而言,总结反思是自我监控活动的重要组成部分,也是学习能力的核心。在每节新课结束后,学生如果能够自发地进行知识总结和对学习行为进行反思,可以更高效地完成知识的同化顺应,提高学习能力。同样,教师也需要总结反思,例如,问题情境的创设是否合理?问题链是否起到脚手架的作用?课堂把控是否得当?只有不断地进行反思,才能实现教学相长的目标。

3 “动量定理”教学目标及教学策略的应用

3.1 教学内容分析

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》对本节的内容要求为:“通过理论推导和实验,理解动量定理,能用其解释生产生活中的有关现象。”[4]再结合教材和学情分析,确定本节课的教学目标。

(1) 在新课导入中创设“学生踢足球”的情境,提出问题:动量变化量与什么有关?要求学生提出猜想,并利用问题链引导学生设计实验方案、得出结论,从而提高学生的科学探究和合作交流能力。

(2) 通过公式推导和实验探究,认识到力与时间的乘积具有特殊意义,促进学生深刻理解动量定理的物理意义。

(3) 在真实性问题的驱动下,理解动量变化的原因是力的冲量,能用动量定理解决多种缓冲问题。

(4) 在“扮演生活角色”等活动中,体会物理学与生活的联系和在生活中的应用,提高学生的迁移能力。

(5) 在解决与“911事件”相关的原始问题中,学生经历分析推理、模型建构、原理选用以及赋值运算等过程,切实提高他们的科学思维能力和问题解决能力;引导学生进行质疑和验证,培养学生基于证据进行逻辑推理、质疑的能力,促使他们养成实事求是的科学态度。

3.2 教学策略应用

3.2.1 紧密联系生活,引入新课主题

情境:春天是一个美丽的季节,同学们会经常到操场踢足球。

初始问题：在踢球过程中,脚和球的接触可以看作一次碰撞,球的动量变化量与哪些因素有关呢?

子问题1：脚每次使球停下的力都相同吗?

子问题2：有时候球的速度过快,你能让它停下吗?

子问题3：球在脚下缓冲一会也可以停下,这说明什么呢?

学生通过思考,提出猜想(表1)。

表1

设计意图：从熟悉的情境引入新课,根据学生的亲身体验设计问题,不仅起到了激趣的作用,还体现了“从生活走向物理,物理走向生活”的课程理念。[5]以层层递进的问题为学生搭建台阶,使学生提出动量变化量与力、力的作用时间相关的猜想。

3.2.2 体验真实情境,设计探究实验

实验器材：两个完全相同的橡皮泥小球、硬板、泡沫塑料盒等。

初始问题：如何利用这些器材探究动量变化量与时间是否有关?

子问题1：动量变化量、作用力、作用时间是3个不同的物理量,在探究动量变化量与作用时间的关系时,需要用到哪些科学方法?

生:控制变量法。

子问题2：在运用控制变量法时,改变其中一个变量,控制其余变量不变,从而探究这个变量对动量变化的影响。这个实验涉及3个物理量,其中不变量、自变量和因变量分别对应哪个物理量?

当教师提出的问题跨度比较大的时候,学生容易出现思维卡顿的现象。因此授课前教师需要预估学生在问题解决中遇到的困惑,减小问题之间的跨度。

子问题3：从踢足球的体验中我们已经知道,当作用时间相同时,动量变化量与力成正相关。在这个问题情境中,我们是如何运用控制变量法的?

子问题4：如何保持动量变化量不变?

子问题5：硬板、泡沫塑料盒是用来改变哪些物理量的?

当学生经过思考,梳理完实验思路后,教师演示实验:让橡皮泥小球从同一高度释放,分别与硬板和泡沫塑料盒发生碰撞。由于橡皮泥小球弹性差,碰后速度变为0 m/s,所以小球碰撞前后的动量变化量相同。泡沫塑料盒比硬板的弹性好,对球的缓冲作用强,所以小球与它的作用时间较长。学生观察两次碰撞后橡皮泥小球的形变程度,最后发现落在硬板上的小球形变量大,由力的作用效果判断出球与硬板之间的作用力较大。本实验中的不变量、自变量和因变量见表2。

表2

学生通过探究得出结论:当动量变化量一定时,物体间作用时间越短,相互作用力越大。

教师追问:如何从理论角度推导动量变化量、碰撞时间、作用力三者的关系?

设计意图：教师先提出难度较大的初始问题,再拆分为多个子问题,通过对子问题的分析达到解决初始问题的目的。教师提供实验器材,通过问题链的层层引导,学生自主设计实验方案,由教师进行课堂演示。通过理论推导、猜想验证,从感性和理性两方面促进学生理解动量定理。

3.2.3 扮演生活角色,体会物理妙用

情境：你发现家里桌布脏了,于是想帮妈妈清洗,但桌布上摆着好几件重心低且比较重的物品。

初始问题：聪明的你不需搬走物品就拿出了桌布,这是如何做到的呢?

生:沿桌面以很快的速度抽出桌布。当桌布与物品的作用时间很短时,物品的动量变化量也很小,物品不会从桌面掉落。

师:同学们能从物理学角度解决和解释生活中遇到的问题了!提醒大家一点,由于外在因素的影响和人为操作的不确定性,同学们在操作时要注意桌上的易碎、贵重物品。

设计意图：在学生习得新的物理原理之后,再将知识引向生活,深化知识理解,体会知识来源于生活等。角色扮演不仅让学生感受到知识的重要与作用,提高知识应用能力,还能促进内在动机的产生,提高学习物理的兴趣。

3.2.4 聚焦时事热点,养成科学态度

情境：2001年发生的“911事件”震惊世界,美国纽约世贸中心被两架客机损毁,大楼采用钢架结构,十分坚固,能够承受7.5×107N的力,[6]从理论上分析,客机几乎不可能将大楼撞倒,大楼“坐塌”以及“不是撞后立即倒塌”等事实也能证明大楼不是被撞倒的。

根据相关资料,波音767客机的质量约为156 t,低空飞行的速度为500～600 km/h,取其最大速度600 km/h,约为167 m/s。从录像画面看,飞机没有穿透大楼,大楼宽不超过100 m,飞机在大楼内运动约50 m。

初始问题：怎么证实上述观点?

生:求出碰撞时的冲击力,比较它与大楼最大承受力之间的关系。

子问题1:怎么求碰撞时间?

子问题2：怎么求碰撞时的冲击力?

生:运用动量定理求,由Ft=mv,得:F≈4.34×107N<7.5×107N。4.34×107N的力不足以撞倒世贸中心,因此推断是正确的。

设计意图：为了巩固新知和训练学生的迁移能力,教师可以多挖掘生活素材作为原始问题。这道题使用的都是较为真实的数据,但考虑到撞击过程涉及更为复杂的知识,又须考虑到计算结果的可靠性,对过程做了简化处理。在冲击力计算的过程中,学生需要从原始问题里忽略次要影响因素,建构出物理模型,选用合适的公式进行赋值计算。当分析出结果时,每个人都被如此庞大的数字所震惊:当质量大、速度快的飞机与大楼发生碰撞时,会产生多么可怕的力量。同时学生对遇难者的遭遇更加感同身受,深感悲痛,教师再对学生进行安全、情感教育,培养学生的核心素养。

4 结语

通过“动量定理”的教学可以看出,以真实性情境为问题背景,以问题链为驱动,引导学生自主进行知识建构,能够有效提高他们的科学思维和问题解决能力。