高中物理问题链设计策略研究

2024-06-09杨发茂

教育观察 2024年8期

杨发茂

(兰州市永登县西铁中学,甘肃兰州,730334)

一、引言

高中物理是一门对思维能力要求较高的学科,需要采用有效的教学策略引导学生深入思考和理解物理知识。问题链作为一种教学策略,能通过一系列具有逻辑联系的问题,逐步引导学生深入思考和理解物理知识。基于高中物理教学的问题链设计,以提升学生学习能力为目标,紧密结合教学内容精心设计问题,既能提升学生学习能力,又能将学生所学的知识运用在实践中,达到学以致用的目的。如何基于学生学习需要设计有效的物理问题链,仍是一个值得探讨的问题。本文旨在研究基于提升学习能力的高中物理问题链设计,以期为高中物理教学提供新的思路和方法。

二、设计价值

(一)激趣

问题链是教师将验证性物理知识有效转化为问题集群的过程,不仅主题意蕴鲜明,而且层次等级分明,并以链条的方式将问题串联起来。这既能促进学生学习能力从低到高发展,又能激发和维持学生的求知欲。尤其是问题切换时,前后两个问题的关联性较强,更能持续不断地激发学生对物理的学习兴趣,在问题链的引领下习得物理知识。例如,在讲解“牛顿第二定律”这一知识点时,教师设计了以下问题链:什么是牛顿第二定律?牛顿第二定律的表达式是什么?牛顿第二定律说明了什么?质量和加速度之间有何关系?如何应用牛顿第二定律解决实际问题?这些问题链的层次逐渐递进,从基础概念到实际应用,能够循序渐进地引导学生逐步深入理解牛顿第二定律。通过问题链的引导,学生接触的不再是难以理解的复杂公式,而是从基础概念出发,理解其背后的原理和应用,有利于维持学习兴趣。

(二)驱动

当前,在高中物理教学中,部分学生存在不理解记不住、记住但不会用、会解答但无法迁移到新问题中等问题。这些学生经常处于被动听、机械记、反复练的不良循环中,缺乏驱动力。学生学习成为浅层学习,学习行为以机械记忆与反复训练为主,学习成果以复制的方式为主,在学习过程中思维缺乏深度训练,迁移知识与深化理解的难度较大。学生学习能力的提升,不可一蹴而就,需要教师引导学生逐渐掌握自主、合作、探究等学习方式。问题链不仅为学生提供了持续的会话情境,还能由浅入深地引导学生逐步思考,整个过程能够让学生在较小的压力之下持续不断地思考。在问题链的驱动和引导下,学生能够逐步养成良好的主动学习习惯,学会主动思考,能够主动思考。[1]

三、设计原则

(一)聚焦性

聚焦性是指教师在设计问题链时应始终聚焦于核心知识。教师应深入解读教材,紧密结合新课标指导、教材内容与学生学情,明确需要学习的核心知识,明确核心知识关联的内容,使设计的问题链将核心知识串联起来。在问题链串联完成后,形成完整的问题链条,使问题链有效发挥激趣、驱动作用。以高中物理教学中的“力学”内容为例,教师首先需要深入解读教材,明确“力学”的核心知识,包括力的概念、力的合成与分解、牛顿运动定律等。之后,教师结合新课标指导和学生学情,确定学生需要掌握的核心知识点及其层次关系。例如,在力的合成与分解这一知识点中,教师设计了以下问题链:什么是力的合成与分解?力的合成与分解的基本原理是什么?如何应用平行四边形定则进行力的合成与分解?生活中有哪些实例说明力的合成与分解的应用?力的合成与分解在实际问题中的应用有哪些?通过这一系列问题,教师引导学生逐步深入地思考和理解力的合成与分解这一核心知识。问题链的设计既关注了知识本身的逻辑层次,又考虑了学生的认知发展规律,有助于激发学生的学习兴趣和探究欲望。同时,问题链的设计也有助于培养学生的思维能力和解决问题的能力,为提升综合学习能力提供了有力支持。

(二)真实性

物理学科是一门自然科学类学科,日常生活中经常会遇到各种不同的物理现象与规律,因而教师设计物理问题时,要具有较强的真实性,与学生实际生活相结合。这有助于唤起学生现有认知,在激趣的基础上增强学生求知欲望,让学生在真实的问题链引领下学习。例如,在讲解“电磁感应”这一知识点时,教师设计了以下真实性问题链:生活中哪些电器应用了电磁感应原理?电磁炉和电烤箱在工作时有哪些区别?为什么有些金属物品不能在微波炉中加热?电磁感应在生产生活中有哪些重要应用?这些问题与学生日常生活密切相关,能有效引发学生的思考和探究。通过解决这些问题,学生不仅能深入理解电磁感应的原理和应用,还能提高观察、分析和解决问题的能力。

(三)互动性

教师设计的问题链应注重与学生的互动,让学生通过互动主动、深入学习物理知识,使问题链在螺旋上升的过程中启发学生的互助合作。此外,教师还应设计层次性高、开放性强的问题链,利用小组讨论、角色扮演等形式增强学习的互动性,激发学生的学习兴趣,提高学生的参与度,培养学生的合作精神和批判性思维。[2]例如,在讲解“电场与磁场”这一知识点时,教师设计了以下互动性问题链:电场和磁场有哪些相似之处和不同之处?请各小组讨论并总结电场和磁场的性质和应用。磁场和电场之间是否存在相互转换的关系?请举例说明。小组间互相交流讨论结果,尝试提出新的问题和观点。通过小组的讨论、比较、总结和交流等互动形式,学生能够更加深入地理解电场和磁场的知识,提高合作精神和批判性思维。同时,这种互动性问题链的设计也有助于培养学生的语言表达能力和倾听能力,促进其全面发展。

四、设计准备

(一)加强教材分析

曲线运动是人教版高中物理必修二第五章第一节的内容,属于基础知识,学习目标是使学生切实掌握曲线运动的速度与方向和物体曲线运动的条件。在本章中,曲线运动属于开篇内容。教师应对曲线运动的特点进行梳理,明确运动轨迹是曲线的运动就叫做曲线运动,曲线运动属于变速动作。教学重点如下:质点在做曲线运动时,某个点的速度方向会顺着曲线上这一点的切线方向;在物体曲线运动时,其运动条件是物体所受作用力和速度方向并不处于一条直线。教师应明确通过本节知识的学习,使学生理解和掌握平抛和圆周运动等特殊曲线运动,为后续学习奠定基础。本小节为曲线运动的特点,是后续几个小节的分支。就章节知识体系的视角而言,具有普遍到特殊的趋势。

(二)强化学情分析

学生在学习必修一机械运动的相关知识后,对日常生活和物理中常见的运动现象有了基本认识,能描述直线运动物体,但对非直线运动物体的理解较少。因此,教师可以将实际生活经验作为切入点,基于运动物理引领学生理解直线运动的客观本质。教师需要在问题链设计中指导学生学习、总结和归纳曲线运动特点,让学生形成科学思维,深化学生对高中物理研究方法的认知,使学生能基于物理实例研究和理解物理知识。但是学生对曲线运动形成条件的认知存在一定的差异,因而教师在问题链设计时,要引导不同理解水平或学习水平的学生学会认识和判断曲线运动的方法,鼓励学生在日常生活中强化对曲线运动的探究,提高学生对运动学与动力学等物理模型的感知能力。综上所述,教学这一章的学情为:学生已经学习了直线运动的相关知识,对运动的基本概念和规律有了初步的了解。但曲线运动较为复杂,学生在理解时可能存在一定的困难。因此,教师在设计问题链时,可以从学生的最近发展区出发,通过实验、观察和归纳等方式引导学生逐步深入理解曲线运动的概念和规律。

(三)明确学习目标

就物理观念方面的学习目标而言,学生应理解曲线运动的根本条件,能够借助牛顿定律对曲线运动条件展开分析,学会分析速度与合外力方向及曲线弯曲的关系,初步形成对曲线运动的物理观念。就科学思维方面的学习目标而言,学生应在探究过程中体会和总结得出结论所需的科学方法。就科学探究方面的学习目标而言,学生应在实验探究过程中总结曲线运动的速度与方向,并充分给出理论证明。就科学态度与责任而言,学生应能体会变与不变、曲与直的统一性,在一定程度上理解辩证唯物主义世界观。

五、设计策略

(一)“激趣导入”问题链

在课堂教学中,导入环节具有至关重要的作用。精心设计的导入环节,能迅速吸引学生的注意力,激发学生学习兴趣,为提升学生的学习能力打下坚实的基础。因此,设计“激趣导入”问题链是整个问题链的关键。

“激趣导入”问题链旨在通过有趣的问题,引导学生逐渐进入学习情境。这些问题应与学生的学习生活密切相关,并具有一定的开放性和探索性,能够激发学生的思考和讨论,使学生快速进入学习状态,在解决问题的过程中锻炼思维能力和创新能力。实际中,部分教师设计的问题链虽然与学生的学习生活紧密相连,但开放性与探索性不足。例如,某教师为了确保创设的问题情境与学生的实际相符,在曲线运动的导入环节引导学生结合自身的生活经验进行思考,设计了以下问题链:雨天骑行自行车为什么容易溅水?你有什么好办法避免溅水?虽然学生根据教师提出的问题,结合自身经验分析后发现,骑行速度快、自行车无挡泥板是导致溅水的原因,通过降低骑行速度、增加骑行装备和安装挡泥板等措施就能够达到避免溅水的目的。但是,这样的问题缺乏开放性与探索性,导致学生对物理理论知识的学习较为生硬。为确保“激趣导入”问题链的开放性与探索性,真正发挥“激趣导入”问题链的引领作用,教师需要从多个角度设计问题。

第一,问题多元化设计,避免单一答案。对于问题链中的每个问题,教师应引导学生从多个角度思考,培养其发散性思维。例如,在探究雨天骑行自行车溅水的问题时,除了考虑骑行速度和挡泥板的影响,教师还可以引导学生进一步探究雨滴的形状、风向及自行车轮胎设计等因素。第二,引入未知元素,激发学生的好奇心和探索欲望。例如,在探讨挡泥板的作用时,教师可以引入流体动力学的基本概念,拓宽学生的知识视野。第三,鼓励学生发挥创新精神和批判性思维。问题设计可以要求学生提出解决方案,例如设计一个更好的挡泥板减少溅水。这样的问题能够激发学生的创新思维和批判性思维。第四,设计的问题应与学生实际生活紧密结合,教师可增加真实的、具体的情境,让学生更好地理解和应用所学知识,提高学生的学习积极性。此外,教师应注重反馈和互动。根据学生的回答和反馈,及时提出问题或提供引导,使学生的思考更加深入。这种互动式的教学方式有助于培养学生的自主学习能力,也有助于教师了解学生的学习状况,更有针对性地调整教学策略。

通过“激趣导入”问题链,学生不仅能快速进入学习状态,还能在解决问题的过程中提高自身的思维能力和创新能力。此外,这种导入方式还能鼓励学生从现象出发,深入探究其中的原理,达到由浅入深的学习效果。

(二)“探究驱动”问题链

在学习过程中,学生需要不断地探究和发现新知识。因此,设计“探究驱动”问题链是激发学生持续学习的重要手段。这种问题链旨在通过一系列具有挑战性的问题,引导学生深入探究,潜移默化中帮助学生理解和掌握知识。在设计“探究驱动”问题链时,教师需要注重问题的层次性和逻辑性,通过由浅入深、由易到难的问题设置,引导学生逐步深入探究,不断拓展学生的知识面,提高学生的思维能力。同时,教师应给予学生足够的探究时间和空间,鼓励学生通过自主学习、合作学习等方式解决问题。在这一过程中,学生的批判性思维、创新能力和实践能力得到有效提升。

为引导学生理解曲线运动的概念,教师通过设计层次性的问题链,根据现象引出概念,在逐层递进的过程中,帮助学生理解曲线运动的概念。具体而言,教师可给学生设计以下层次性问题链:雨天自行车车轮上的泥水运动过程是如何形成的?泥水的运动过程与直线运动过程有哪些区别?日常生活中常见的曲线运动在哪些物体上出现?这样的问题链能够逐步引导学生思考直线运动与曲线运动的区别,教师可以引导学生根据直线运动的方向、泥水运动的方向进行判定,让学生根据泥水运动的现象总结曲线运动的概念。

为了引导学生掌握曲线运动的形成条件,就需要设计以下“探究驱动”问题链:泥水从车轮上飞出时的受力情况是怎样的?泥水从车轮上飞出后的运动方向与之所受重力方向的关系是什么?物体在曲线运动中的速度一定会发生变化吗?物体在曲线运动中存在加速度吗?物体在做曲线运动中一定在受力吗?物理受力时必须做曲线运动吗?物体在曲线运动时的条件有哪些?在问题链抛出之后,教师应及时引导学生结合牛顿第二定律的相关知识,即加速度方向与力方向相同这一知识点,鼓励学生自主画出泥水受力的示意图。教师则继续引入情境问题,展示不同形状和设计的挡泥板,引导学生思考为什么挡泥板需要弯曲,再引出相关的物理知识点,讲解与挡泥板设计相关的物理知识点,如流体动力学、空气阻力等,让学生深入了解这些因素如何影响挡泥板的设计。

在此基础上,教师可组织学生进行实验,让学生观察不同设计的挡泥板在相同条件下的表现,并记录实验数据,分析实验结果,引导学生从实验中得出结论,理解挡泥板设计的物理原理。此外,教师可将学生分组,让小组根据所学的物理知识和实验结果,设计符合特定要求的挡泥板。在学习过程中,教师应鼓励学生发挥创意,提出个性化的设计方案,并通过及时的讨论和反馈,让学生不断完善自己的设计方案。最后,组织学生展示和交流方案,从功能、美观、成本等方面评价自己和他人的设计方案,并引导学生将所学的知识和技能应用到实际生活中,讨论将挡泥板的设计应用到其他场合或产品中的方式方法,使学生从物理知识走向生活实际,切实提高学生解决实际问题的能力。整个问题链的探究过程在问题的驱动下循序渐进,从速度到加速度,从加速度到受力,逐步引导学生掌握物体在曲线运动时的形成条件,引导学生总结自行车泥水的动力学特征和曲线运动的动力学特征,使学生能够主动、自然地将物体曲线运动的条件总结出来。[4]

(三)“互动迁移”问题链

学习的最终目的是将所学知识运用到实际生活中解决实际问题。因此,“互动迁移”问题链是持续提升学生学习能力的关键环节。这种问题链旨在通过一系列具有实践性的问题,引导学生将所学知识迁移到现实生活中,提高学生解决问题的能力。

在“互动迁移”问题链的设计中,教师需要注重问题的现实性和互动性。现实性就是通过设置与现实生活密切相关的问题,引导学生运用所学知识解决实际问题。互动性就是鼓励学生通过交流、讨论等方式合作学习。在这一过程中,学生的团队协作能力、沟通能力和实践能力都将得到有效提升。

为了引导学生深化对所学知识的理解,教师可以要求学生设计一款经济适用的自行车挡泥板,实现理论与实践的结合。教师可以设计以下“互动迁移”的问题链:挡泥板的主要功能是什么?挡泥板设计应遵循哪些原则?市场上的自行车挡泥板的优缺点有哪些?设计趋势是什么?挡泥板设计中的经济适用性具体体现在哪些方面?如何平衡挡泥板的功能、美观和成本?请制作一个简单的挡泥板模型,并进行实地测试,记录测试结果。根据测试结果,如何优化挡泥板的设计,请与其他团队分享你们的设计理念和经验并探讨如何改进设计流程。

学生在这个问题链的引领下,能够通过知识的互动迁移,运用所学的知识解决实际问题,切实感受物理知识与实际生活的关系。在这一过程中,教师可以引导学生从防止泥水飞溅、降低噪声、提高安全性三个功能上设计定位,秉承功能性、轻量化、结构简单、耐用美观等原则,对简易型、折叠式、可调节式的挡泥板的功能进行区分,并从材料、生产等成本与市场接受度等方面优化设计。在该问题链中,学生既要明确功能需求,又要降低设计成本,设计与品牌形象相符的外观等,能够锻炼学生的综合能力。教师可根据学生要求,带领学生制作一个简单的挡泥板模型,并进行实地测试。在测试时,首先,教师要选择具有代表性的路况和天气条件;其次,教师应提示学生观察挡泥板在不同速度和角度下的表现;最后,学生要记录挡泥板的安装、拆卸、清洁和维护的便利性,根据测试结果对挡泥板的设计进行优化改进,例如调整角度、增加防护措施等。通过理论知识与实践设计的结合,达到学以致用的目的。[5]