基于原始物理问题培养科学思维的探讨

葛建光 滕建强

(江苏省溧阳中学,江苏 常州 213300)

在传统教学中,课堂追求知识的积累与传递的高效.在物理课堂中,教师常常以条件清晰、数据完善、结构良好、经人为加工过的问题为载体,引导学生推理演算,强化训练.这虽在一定程度上训练了学生的解题能力和熟练程度,但忽略了真实情境的创设、物理问题的提出和模型建构的过程,弱化了学生主体地位与思维的生成,表现出浅层学习的倾向.

新课标强调“高中物理教学应体现物理学科本质,要鼓励学生从生活中积极发现和提出问题;引导学生从物理现象中分析事物的各个要素和结构,抓住事物的关键要素和本质特征,建构物理模型;引导学生应用物理知识解决生产、生活中的实际问题,增强问题解决和实践创新的能力”.这就需要我们从真实的物理现象和实际情境出发,为学生提供原始物理问题,引导学生分析思考、建立物理模型,通过科学推理和论证,实现问题解决,培养科学思维,从而促进对物理学科本质的理解,增强理论联系实际的能力.

1 原始物理问题解决与科学思维的关系

原始物理问题,是指自然界及社会生活、生产中客观存在、能够反映物理概念、规律本质且未被加工的典型物理现象和事实.与加工后的结构良好的问题相比,原始物理问题具有真实性、生态性、稳定性、迁移性和开放性等特点.它只是对客观现象的描述,没有任何程度的抽象,因此提供给学生的是一个真实开放的物理情境.

科学思维,是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格.科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素.

在原始物理问题解决过程中,学生需要把生活中的物理现象经文字、图像提炼出相关的原始物理问题,再经过分解、转化、抽象、加工,变为物理模型,这就是模型建构过程;根据已有的知识和经验,综合运用物理规律和数学方法进行演算、推导,从而得出结论,这就是科学推理过程;利用已有的证据对得到的结论进行检验、评价和提出新观点、新思路、新方法,这就是科学论证和质疑创新过程(如图1所示).

原始问题教学为学生科学思维的培养提供了重要的范式.在物理课堂中,我们可以从真实的物理现象出发,为学生呈现原始物理问题,引导学生建立物理模型,通过科学推理和论证,进而实现问题解决,培养科学思维能力.以下通过具体案例,探讨在高中物理课堂中基于原始物理问题培养科学思维的教学策略.

2 基于原始物理问题培养科学思维的策略

2.1 运用“联想—抽象”策略提升模型建构能力

原始物理问题保留了物理现象的“原汁原味”,学生在面对这种信息复杂、客观真实的物理情境时,很难找到可以直接参考的原型,也无法运用定理、公式通过逻辑思维直接进行推导.在这种情况下,非逻辑思维作用凸显.在课堂中,教师可以引导学生根据已知的事实和已有的知识经验,运用联想、想象、猜测、类比、相似、外推等非逻辑的方法来对问题进行探索;通过对物理现象和过程的分析,抓住其主要因素,忽略次要因素,抽象出研究对象的本质,从而建构理想化的物理模型,确立物理研究的起点.

案例1.“弹性碰撞和非弹性碰撞”教学片段.

活动1.提出原始问题.

教师播放台球比赛视频,并提出原始物理问题：白球撞击彩球,为使彩球进洞,台球运动员应如何击打白球?学生观看比赛视频后,自主分析,提出各自的观点.

设计意图：本环节教师通过展示台球比赛过程,以直观的物理现象吸引学生的注意力;同时,通过提出开放性的原始物理问题激发学生思考,训练学生的联想和发散思维.

活动2.建构物理模型.

教师组织学生开展小组合作、讨论并设计解决方案.

学生设计方案白球击打彩球类似于碰撞过程,应该可以利用碰撞有关知识来解决.

教师针对方案引导学生进一步分析.

问题1：该过程涉及什么物理现象?你联想到什么物理模型?

问题2：该模型可用什么物理方法解决?需要知道哪些物理量?

问题3：我们需要进行一些理想化假设吗?

问题4：你打算如何测量你所需的物理量呢?

设计意图：本环节首先通过开展小组合作,引导学生讨论并设计解决方案,培养学生交流合作能力;同时针对学生给出的方案,引导学生联想所学的物理模型,并以此为依据抓住问题的主要特征,抽象出问题的本质,通过加工和简化,从而建构理想化的物理模型.

活动3.加工赋值,形成物理习题.

根据方案中建构的碰撞模型,教师将其加工为以下学生容易解决的具体的物理习题：在台球比赛中,运动员将白球迅速用力击出,白球撞击彩球,彩球进洞(如图2所示).若把球的碰撞近似看作一维弹性碰撞,不计摩擦.经测量两球质量均为140 g,被撞后彩球用时0.025 s,运动20.0 cm进洞.试求：击出后白球的速度多大?

图2 白球撞击彩球过程

学会根据弹性碰撞规律,自主进行如下求解.

设计意图：本环节教师基于学生建构出的理想化模型,对相关物理量进行赋值,加工为学生容易解决的具体的物理习题;教师引导学生运用已有的物理知识进行演算和推导,得出正确结论,从而实现学生对原始问题的抽象与解决.

2.2 运用“多元—论证”策略培养推理论证能力

以上方案的设计与解决促进了学生问题解决能力的提升,但在某些情境中,即使针对同一问题,学生给出的方案也并不唯一.由于原始物理问题最初是没有任何限制条件的,所以不同学生可能会建构不同的物理模型,对此,教师应引导学生多元思考,鼓励学生勇于展示和论证自己的观点,从而实现科学思维的过程.

案例2.“理想气体的状态方程”教学片段.

图3 热杯倒扣吸水实验

活动1.提出原始物理问题.

教师演示热杯倒扣吸水实验(如图3所示).将热的空玻璃杯倒扣在冷水中,发现杯内水面很快上升,似乎被水杯吸了上来.针对此现象,教师启发学生提出问题：这一现象的原因是什么?封闭气体的3个状态参量都发生了怎样的变化?初末状态是否存在定量关系?

活动2.建构物理模型.

思考1：初态到末态的变化路径可能是怎样的呢?(这是一个不确定的问题,使学生意识到原始物理问题具有不确定性)

思考2：是否可以选择一些特殊的路径以方便推理?(控制一个变量,只让两个参量变化,将实际问题理想化,启发学生建立理想化物理模型)

设计意图：运用原始物理问题的不确定性引发学生的思维冲突,引发学生对科学本质的思考,培养学生发现问题、分析问题的能力.

活动3.多元—论证,解决问题.

图4 气体多种变化过程

活动4.多元—论证,方法凝练.

在物理课堂中,每位学生都会基于自身的知识经验来建构对原始物理问题的理解,提出不同的问题解决方案.无论哪一种解决方案,只要其思维方式是严谨的、论证过程是基于科学证据的,那么它们都是对科学本质的合理探究过程.因此,教师应尊重学生思维,鼓励学生发散思考,从而建构多元的物理模型,并以此为基础进行科学推理和问题解决.

2.3 运用“评价—改进”策略培养质疑创新能力

求出结果或得出结论并不是科学思维的终点,结论的合理与否则需要进一步科学论证.原始物理问题教学要求把结论与实际情况进行比照检验,作出合理的评价,并根据评价结果提出改进措施,使结果或结论与真实情况更加吻合.

案例3.“探究平抛运动的特点”教学片段.

活动1.评价教材提供的参考方案.

图5 小球做平抛运动的频闪照片

思考：针对“平抛运动有何特点?”这一原始物理问题,教材中给出了两种探究方案.教材方案1通过一个小球做平抛运动的频闪照片,测量出相同时间间隔T内的水平位移和竖直位移,进而分析小球在水平和竖直方向分运动的特点(如图5所示).方案2先以步骤1(击打弹性金属片让A、B两小球同时分别做平抛运动和自由落体运动)来探究平抛运动竖直分运动的特点(如图6所示),再以步骤2(从斜槽飞出的小球落在上下可调节的倾斜挡板上,挤压背板留下印迹,平滑连接印迹)来探究平抛运动水平分运动的特点(如图7所示).这两个方案各有哪些优点和不足?

图6 实验装置图

图7 实验装置图

总结评价：方案1用频闪照相技术确定小球在各个时刻的位置,偶然误差小,精确度高.但由于缺少必要的对比参照,对小球在水平方向和竖直方向的分运动的特点作出合理猜想,难度较大.方案2步骤1中将A、B两球的运动进行对比,便于对平抛小球在竖直方向的分运动的特点进行猜想.不足之处是： (1) 由于两球的运动时间很短,难以准确判断它们是否同时落地; (2) 通过对比得到平抛运动在竖直方向的分运动的特点只是定性判断,并非定量研究.方案2步骤2中实验直观、可操作性强,但为了确定小球经过的多个位置,需多次调节挡板的高度,并将小球多次从斜槽同一点静止释放,这就增加了实验的不确定性,实验中的偶然误差相对较大.

活动2.提出探究平抛运动特点的改进方案.

思考：综合分析上述两个方案的优劣,尝试设计探究平抛运动特点的改进方案.

改进方案1：在上述方案一的基础上引入水平匀速运动的球和竖直自由落体运动的球作对比参照,得到频闪照片(如图8所示).这样可以非常直观地提出猜想：平抛运动的水平分运动是匀速运动,竖直分运动是自由落体运动.根据照片的比例测量各个频闪周期T内的水平位移与竖直位移,分析得到两个方向分运动的特点.

图8 实验频闪照片

图9 实验装置图

改进方案2：把上述方案2中的小球换成一个能同时向各个方向发射超声波脉冲和红外线脉冲的球A,在它运动的平面内安装一个超声红外接收装置B(如图9所示).让A球从斜槽某位置静止释放,装置B记录A球离开斜槽后各个时刻的位置,与之相连的计算机即时给出A的坐标(如图10所示).这样便可以通过一次实验得到实验所需的各种信息,避免了因多次实验带来的偶然误差,减小了实验的不确定性.

图10 计算机显示A的坐标

设计意图：在以上的教学案例中,通过“评价”环节,鼓励学生大胆质疑,反思已有方案的优劣,从而提升学生综合分析问题的能力;通过“改进”环节,引导学生提出各种新的解决方案,从而提升学生创新意识和综合实践能力.

3 结语

原始物理问题教学并不是为了得到一个所谓的正确答案或结论,而是旨在培养学生的科学思维和问题解决能力.因此,原始物理问题教学作为一种有效的教学策略,为教学的发展提供了一条有益的思路.教师通过综合运用“联想—抽象”“多元—逻辑”和“评价—改进”策略,引导学生主动学习、深入思考,使学生能够在问题的不断分析和解决中发展科学思维,理解学科本质,从而增强创新实践能力,提升物理核心素养.