基于科学思维能力提升的问题情境设计策略
时间：2023-02-27 23:05:04 来源：千叶帆 本文已影响人
潘国盛
（盐城市亭湖高级中学，江苏 盐城 224000）
“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，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，概括起来包含：模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新.学生通过参与活动、习得知识、掌握技能，进一步积极地尝试方法，反思自己的认知和理解过程.这样的一个过程其实就是不断提升思维能力的过程.而这样的过程能否持续发生，主要依赖于问题情境的设计是否科学合理、适时有效.教师在教学中可以从以下4个方面进行教学设计（图1）.
图1 问题情境设计策略示意图
所谓原始物理问题，泛指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的涉及物理学科内容的实际问题.它来源于客观现实中的物理现象，只是对自然或社会现象客观朴素的描述.在解决原始物理问题的过程中，学生需将现实的物理现象与物理知识相结合，根据解决问题的需要，抓住主要因素、忽略次要因素、排除无关因素、构建理想的客体，即抽象出合理的物理模型.
例如在“超重和失重”这节课的教学设计中，可以让学生站在体重计上做上、下蹲动作，通过观察体重计示数的变化来引入新课，学生从而建立起支持力和重力大小关系，形成超重和失重的定义.在“重力势能”的教学中，可以从禁止高空抛物的警示牌或者高空抛物危害的新闻引入.从这一原始问题开始，学生开始思考一个很小的物体为什么会有那么大的破坏力，从而建构重力势能的概念.这类课堂引入的方式从一系列原始问题引入，不仅激发学生的兴趣，更是让学生体验到从生活中发现问题、寻找解决问题的方法，经历解决问题的科学探究过程，在获得知识的同时培养科学思维.
从这些原始物理问题中，学生经历了好奇、探索、分析、抽象等一系列过程，建立了基本的物理模型，从真实情境中总结出的知识模型对学生来说是终身受益的，比起直接告诉学生知识，知识建构更能增强学生的能力.当学生再次遇到同种类似情境时，可以再现这个模型的建立及探究过程，从而能够达到思维方法迁移的效果.
科学认识是一个由个别到一般又由一般到个别的反复认识过程.通过个别认识到一般认识的主要思维方法是归纳，通过一般认识到个别认识的主要思维方法是演绎.科学思维是归纳与演绎的辩证统一.问题的构造是一堂课的“灵魂”所在，学生与教师之间的互动是建立在探讨问题基础上的，教师必须充分依靠情境，在“学生的最近发展区”设计出富有思维含量的问题，通过这些问题的解决，逐步发展学生的科学推理能力.
例如，在“万有引力”的教学中，可以通过设计层层递进的问题让学生体验万有引力的推导过程.要得到太阳和行星间的引力大小表达式，你会建立怎样的运动模型？利用哪些物理规律进行？学生会想到圆周运动的向心力公式，从而得到行星运动所需的向心力.对于上述表达式，我们能否通过天文观测进行验证？学生根据开普勒的运动规律可以观察行星运动的周期.力和距离之间存在怎样的关系？力与距离的平方成反比，太阳对行星的作用力只与行星质量有关吗？怎么解决？学生从牛顿第三定律的角度出发，在引力性质上，行星与太阳的地位完全相当，从而得到力应该与两者质量的乘积成正比.具体的教学过程可以这样进行.
师：（播放行星绕太阳运行的视频或动画），大家现在看见的是什么场景？这些行星在做什么运动？
生：看见了行星绕太阳运动.
师：根据你的体会，你认为太阳与地球的绕行关系是怎样的？
生：地球围绕太阳运行.
师：是的，从地心说到日心说，确立了行星绕太阳运行的模型.那么有谁能回顾一下开普勒三定律？
生1：所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上.
生2：行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等.
生3：行星绕太阳一周的时间平方与轨道长半轴立方成比例.
师：圆周轨道是椭圆轨道的特例，如果认为行星是近似做圆周运动，同学们能否简化这三定律？
生1：太阳位于行星运动的圆心.
生2：行星绕太阳做匀速圆周运动.
生3：行星周期平方与轨道半径3次方之比相等.
师：行星为什么会这样运动？
师：（播放历史猜想），最终牛顿在前人奠定的基础上，通过自己的分析运算，得出了万有引力.那么要得到太阳和行星间的引力大小表达式，你会建立怎样的运动模型？
生：构建质量为m的行星绕距离为r的太阳做匀速圆周运动模型.
师：这样的运动模型遵循哪些物理规律？
生：圆周运动的运动学规律和牛顿第二定律.
师：要求万有引力F，该如何消除式子中的周期T？
生：运用开普勒定律.
师：请大家进行推导演算.
师：力和距离之间存在怎样的关系？
生：和距离的平方成反比.
师：行星对太阳有引力吗？你是怎么想的？
师：对于上述表达式，我们是否能够通过天文观测验证？
生：上述实验可以通过天文观测证明，我们可以采用月地检测证明.
师：如果有一天万有引力突然消失，世界会发生什么变化？
生1：那可能我们的地球会直接“碎”掉.
生2：我们会飘起来.
生3：月球会离开我们.
通过问题的讨论让学生发生深度学习，这样由表及里、由浅入深、循序渐进的推理，提升了学生的推理能力.学生在逐步递进的一系列问题解决中，经历了思考、知识的联系与应用、追问，再思考解决问题的循环过程，发展了自己的推理能力和逻辑思维能力.
科学论证是科学思维的重要组成部分，其内涵是利用证据建立科学的理由以支持科学主张.在物理教学中，对于一些“显而易见”的结论，通过创设认知冲突的问题，使学生产生对立的主张，让学生经历质疑、交流、探究，在理论证明或者实验验证的过程中，形成一致的主张，在这个过程中发展学生的科学论证能力.
例如在实验“探究碰撞中的不变量”的教学中，利用气垫导轨结合光电门先后研究了3种形式的碰撞：动碰静后分开（图2）、对碰（图3）、动碰静后黏合（图4）.
图2 动碰静后分开
图3 对碰
图4 动碰静后黏合
通过研究“动碰静后分开”，学生会发现碰撞前后有两个不变量，再通过“对碰”的研究，学生发现仍然有两个不变量.之所以这样设计，是为了进一步引起思维冲突——是不是所有碰撞中就真的存在两个不变量？然后启发学生进一步进行“动碰静后黏合”的实验探究.通过探究，学生会发现：只有mv之和保持不变.这样设计既提高了学生利用实验进行科学论证的能力，也为后面弹性碰撞、非弹性碰撞的学习埋下了伏笔.
再例如在“自由落体”这一节课，首先讨论了重的物体和轻的物体哪个下落得快？有些学生从生活经验出发会认为重的物体下落得快，但是也有学生阅读过相关史料，认为两者下落得一样快，但是他们可能对其中的原因不是很了解.这时教师可以组织一场辩论，让学生对自己观点进行实验论证，教师还可以再提出一个观点：轻的物体下落得快，这时学生一开始肯定哈哈大笑，认为肯定不可能，然后教师开始做实验验证，将一张纸从处撕下，让的纸展开下落，让的纸揉成纸团下落，结果发现纸团先落地.这时学生立马会产生认知冲突，从而就会开始认真思考下落快慢到底与什么因素有关.
通过创设认知冲突的问题，引发学生的思考，不仅能唤醒学生的求知欲望，而且这些问题的解决过程是学生提高科学论证能力的过程，是解决问题体现成功的过程.
爱因斯坦在他晚年的时候提到教育时说到：教育的第一要义是要培养人的独立思考和判断综合能力，而不是获得某种特定知识.一个人只要掌握了学科的基本理论，并且可以独立地思考、开展创新研究，那么他就一定可以获得一番成就.高中时期，正是学生们思维开阔、充满激情活力的时期，高中物理课程因为充满了科学实验和科学理论而成为了学生培养发散思维、锻炼自主创新能力的重要载体.
开放性问题通常是指那些条件可以不完备、答案可以不唯一，并且能够让学生多角度、多层次进行探索的问题.由于中学生知识与能力的限制，教师只能引入适度开放的问题.教师基于某一物理问题的信息源展开扩散，基于多个维度创设情境以及开放性条件，进而促使学生形成发散性思维，展开多途径、多维度的思考，进一步确保多种物理学方法以及知识点可以在实际问题处理中相互融合与贯通.在这一过程中，一定能够发展学生的创新能力.
例如在高三第二轮复习课的时候，可以引导学生讨论这样一道题：一个物体受3个力作用做匀速直线运动，现在撤去其中一个力，物体将如何运动？说明运动的形式以及对应的条件.由于将“其他两个力保持不变”这个条件删去了，问题具有一定的开放性.学生一开始想法较为单一，可能会出现只考虑剩下两个力的合力与速度方向同向、或相反的情况.但其他学生会质疑，他们可能会考虑不共线等情况.学生在解决问题的过程中，充分运用力的平衡、直线运动、圆周运动、抛体运动、摆线运动等知识，加深了对力与运动关系的理解，整合所有学生讨论的结果，从力与运动的关系角度进行总结，拓展了思维广度，对提升创新能力很有好处.具体的教学过程可以这样展开.
师：请大家看这样一道题：“一个物体受3个力作用做匀速直线运动，现在撤去其中一个力，其他两个力保持不变，物体将如何运动？说明运动的形式以及对应的条件.”认真读题，请大家思考，这个问题的关键之处在哪？
生：考虑加速度方向和运动方向的关系.
师：同学们思考回答.
生：物体在这3个力的作用下做匀速直线运动，即平衡状态，所以这3个力F1、F2、F3的合力为0.我们可以先合成F1、F2，记为F12，那么F3和F12是一对平衡力，在撤去F3后，物体仅受F12.这个力提供的加速度和F3的方向相反，大小由牛顿第二定律给出，若加速度和匀速直线运动方向相同或者相反，则做匀变速直线运动；
若不共线，则做曲线运动.
师：很好，请再看一道题：“一个物体受3个力作用做匀速直线运动，现在撤去其中一个力，物体将如何运动？说明运动的形式以及对应的条件.”
生：这里删去了“其他两个力保持不变”这一条件.
师：没错，这样问题就更加开放，请大家思考作答.
在这样的教学过程中，引入了 适度开放问题，在学生的认知基础上引发思考，体现了问题的价值，能够发展学生的求异思维和创新思维.
科学思维是学生物理核心素养的关键，科学设计问题情境是培育学生科学思维的有效手段.利用原始物理问题、设计逐步递进问题、创设认知冲突问题以及设置适度开放问题的问题情境设计策略，有利于学生科学思维素养提升.
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