培育科学思维的问题情境课堂的构建——以人教版必修1“牛顿第一定律”教学为例

李 威

（江阴市祝塘中学，江苏 江阴 214415）

科学思维是物理学科核心素养的核心元素，是学生发展的重要关键能力，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.在学习过程中，科学思维不会自然发生的，它需要由初始问题引发，由关联性问题维持，问题解决、思维发展是终点.《中国高考评价体系》指出，问题情境是高考评价的载体，具体来说就是创设真实的问题背景即以问题为中心构成的活动场域，考生在情境中进行解决问题.值此新高考新课标新教材落地实施之际，高中物理课堂教学需要与时俱进地进行相应的变革.笔者认为培育科学思维的问题情境课堂教学是培育高中学生科学思维的有效途径，是实现“教、学、考”有机衔接的重要方法.

1 培育科学思维的问题情境课堂设计

培育科学思维的问题情境教学就是从教学的需要出发，将知识问题化，问题情境化，创设系列递进、关联的问题情境，以引起学生积极的态度、行为体验，激发学生勤思、会思、善思，在解决问题的过程中，自主建构知识，发展科学思维的一种教学方法.培育科学思维的问题情境课堂的建构，以创设学习探索情境、生活实践情境为路径，以多样化方式为着力点，激发认知冲突，促成质疑创新；创造实验机会，引领科学推理；明确思维取向，体验抽象概括；融合现代科技，推动思维可视；优化教材实验，尝试模型建构；拓展教材实验，诱发科学论证.

2 培育科学思维的问题情境课堂的实践

新课标（2017年版）指出，教师引导学生经历物理概念的建立过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的重要途径.本文以“牛顿第一定律”为例，进行教学实践.

2.1 创设学习探索情境，自主构建物理规律

《中国高考评价体系》指出，学习探索情境源于真实的研究过程或实际的探索过程，涵盖学习探索与科学探究过程中所涉及的问题.人们对于力和运动关系探索的历史进程，就是学习探索过程，我们通过创设问题情境，促成学生简约地亲身经历这一历史进程，亲身体验这一历史进程中遇到的问题，亲身尝试运用科学思维解决问题，进而实现学生科学思维的培育和发展.

2.1.1 激发认知冲突，促成质疑创新

问题情境1：桌子上放一辆小车，用力推小车、不推它，小车分别处于什么运动状态？

问题情境2：（1）水平桌面上铺上棉布，小车从斜面上滑下；（2）不铺棉布，小车从斜面同一高度滑下.问题：（1）小车停下来的原因是什么？（2）两次小车滑行距离的大小有什么不同？（3）两次小车滑行距离的大小不同的原因是什么？（4）如果没有摩擦力，小车运动情况有什么特点？

设计意图：学生在学习物理概念和规律之前，基于生活和已有的知识，形成了大量的经验情境，这是构建新的物理概念和规律的基础.问题情境1通过实验帮学生建立已有“经验认知”，分析概括得出亚里士多德的观点；问题情境2引导学生自己发现认知存在矛盾，激发认知冲突，学生先通过观察、思考，然后基于事实证据和科学推理对之前错误认知提出质疑和批判，提出创造性见解，既促进学生主动学习意识与能力，也发展了质疑创新的科学思维能力.

2.1.2 创造实验机会，引领科学推理

科学推理是由一个或几个结论推出另一个新结论的思维方式，一般包括归纳推理和演绎推理.学生只有在问题情境中，进行科学推理的磨炼，才能提升科学推理能力.本节内容要学习伽利略的观点，更重要的是学习他独创的“实验+逻辑推理”的科学研究方法.笔者利用目前窗帘PVC轨道自制教具（如图1），制作简单，取材方便，做了20套，开展学生分组实验，给学生创造实验机会，让所有学生都能简约地经历伽利略的研究过程，体验科学推理的过程.

学生实验探究过程：小球在左侧斜面同一位置多次释放（如图1、2），记录每次小球到达右侧斜面的位置（右侧斜面倾角逐渐减小）.

图1

图2

问题情境3：（1）小球在左侧斜面同一位置多次释放，小球在右侧斜面能否回到释放位置的高度？（2）小球在左侧斜面同一位置多次释放，当右侧斜面倾角减小时，小球在右侧斜面上运动的距离和高度如何变化？

如果私募股权投资公司对于创业项目有兴趣，认为创业者有资格获得投资，接下来就是投资条件协商谈判。在这个过程中，初创公司往往处于被动地位。在尽职调查结束后，投资公司就会提出相关的报价与条件。在双方达成一致后，就可以签署协议。

问题情境4：如果没有摩擦，（1）上述两种情景如何？（2）如果此时右侧斜面倾角减为0，小球运动有什么特点？（3）你看到了吗？

设计意图：在探究实验过程中，如果完全放手让学生自己去探究，就容易导致探究方向偏离或探究面太广，进而偏离或淡化探究主题，使课堂教学效率偏低.我们在分组实验的基础上，创设问题情境，适当降低实验的开放程度，通过问题导航学生活动的目标指向性；通过问题情境促进学生学习的主动性；通过问题情境引领科学推理的过程.问题情境1基于真实实验，问题情境2基于理想实验，“真实”与“理想”的对比产生了新问题，促成科学推理的介入.“你看到了吗”再次提醒学生结论是理想的，现实看不到、摸不着，想得到结论必须给出科学合理、符合逻辑的解释，这就促成“理想实验+逻辑推理”研究方法的自然诞生，学生通过积极合作、小组讨论最终形成科学的解释“小球是要追寻初始释放位置的高度而一直运动下去的”，学生经过科学推理过程的磨炼，科学推理已经从“知识的结论”内化为学生的“科学思维能力”.

2.1.3 明确思维取向，体验抽象概括

思维取向是科学思维的基本立场、基本范式要求和价值观.科学思维取向含有丰富的育人内涵，它既承载了“以实证为判断尺度、以逻辑做辩论武器、以怀疑作为审视出发点”的科学精神，又承载了实事求是、客观公正的科学态度和责任.

问题情境5：笛卡尔、牛顿对力和运动关系做了怎样的表述？在研究力和运动关系的历史进程中，我们如何认识和评价亚里士多德、伽利略、笛卡尔和牛顿的贡献？

设计意图：学生带着问题情境5的问题阅读课本，解决问题，既体验牛顿天才式的抽象概括能力，又理解“牛顿是如何站在巨人的肩膀上的”；通过对比4位伟人对“探索力和运动关系”的贡献，作出客观公正的评价，帮助学生树立正确的科学思维取向.

2.1.4 融合现代科技，推动思维可视

问题情境6：（1）牛顿第一定律能否用实验来验证？（2）物体什么时候可以看做不受力，举例说明.

设计意图：让学生认识和理解牛顿第一定律所描述的物体不受外力的状态是理想化状态，是不能用实验来验证的；可以用合力为零的状态代替不受外力的状态，并举例说明，主要着眼于物理研究方法“等效替代法”的应用，同时也为用气垫导轨近似演示牛顿第一定律做好铺垫.用气垫导轨、位移传感器（如图3）近似演示牛顿第一定律得到“位移-时间”图像（如图4）所示，不仅源于科学推理的理想状态下物理的运动变得可视，而且使学生感受科学思维的强大魅力.

图3

图4

2.2 创设生活实践情境，物理规律迁移应用

《中国高考评价体系》指出，生活实践情境与日常生活以及生产实践密切相关，考查学生运用所学知识解释生活中的现象、解决生产实践中的问题的能力.学生在自主学习牛顿第一定律后，运用它解决生产生活中的问题，既可以加深理解，又可以培育科学思维能力.

2.2.1 优化教材实验，尝试模型建构

演示实验1：如图5所示.

图5

演示实验2：拿出两个外表近似相同的鸡蛋，一个生鸡蛋，一个熟鸡蛋，先让学生思考如何判断，然后分别旋转两个鸡蛋，按住并立刻松开，再让学生根据现象判断哪一个是熟鸡蛋.

演示实验3：在气垫导轨的滑块上自制一个实验装置，将小球下按使弹簧压缩，在装置上安装一个触发延时开关，滑块在气垫导轨上运行2 s后，开关打开，小球被弹簧弹出，上升、下落后，准确无误地落到弹出时的位置（如图6）.

图6

设计意图：3个演示实验涵盖固态静止的物体、液态运动的物体、动态过程中的物体.一方面情境从简单到复杂，不断增加模型建构的难度，另一方面从不同情景、状态等角度建构“惯性”模型，并对实验现象做出解释，为归纳概括出“一切物体都有惯性”奠定基础.为了增强趣味性，“以境生情”激发学生主动学习、积极合作，演示实验2在实验情境的基础上，采取游戏化操作，学生做出哪个是熟鸡蛋的判断后，让学生自己把鸡蛋砸开看看，如果学生砸开的是生鸡蛋，则鼓励他勇于实践的精神，“以情润境”鼓励他积极思考，做出正确解释，并把熟鸡蛋作为奖品奖励给他；如果学生砸开的是熟鸡蛋，则表扬他猜想正确，引导他做出正确的解释并把熟鸡蛋作为奖品让他当场吃掉.

2.2.2 融合科学探究，触发科学论证

物理学科核心素养的4个元素之间没有严格的界限，将它们一个或几个有机融合起来，可以实现“共生相长”.在探究物体惯性与质量关系的教学环节，融合科学探究，触发科学论证.

实验器材：小车、弹簧、直尺等.

探究过程：（1）观察视频（大货车和小客车同时启动，同时刹车的情境）；（2）猜想“物体惯性大小与什么因素有关”；（3）设计实验；（4）进行实验；（5）得出结论.

设计意图：对于“惯性大小的决定因素”的探究，绝大多数教师选择演示实验，几乎没有教师选择学生分组实验，而学生的科学论证能力需在真实的科学探究中才能更有效地得到锤炼和提升.因此，笔者运用生活中常见器材对教材实验进行拓展创新，为学生提供科学探究的机会，学生设计方案如图7、8，增强学生的证据意识（基于证据的猜想，基于数据分析的结论等），培养学生科学论证能力.

图7

图8

3 教学反思

德国学者第斯多惠认为，“教育艺术的本质不在于传授本领，而在于对学生思维能力的唤醒与自信心的鼓励”.就培育科学思维的高中物理问题情境课堂而言，培养和发展科学思维是目标，在物理情境中分析、解决问题是主体，激励评价、有效问题情境是保障.以此为“纲”，以问题情境为路径，以多样化方式为着力点，根据教学需要，灵活变通实施，培育科学思维的高中物理问题情境课堂就能有效建构.