创设单元情境问题发展学生科学思维能力

王小明 田成良 李春雷

摘 要：培养学生的科学思维能力是高中物理课程的重要目标，创设单元统摄下的真实情境问题，学生在解决真实情境问题的过程中经历模型构建、分析和推理，同时针对结果进行检验和修正，可以发展学生的科学思维能力.

关键词：大单元;情境问题;科学思维

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）15-0022-04

基金项目：北京市教育委员会科技计划一般项目（项目编号：KM201810028022）;首都师范大学2021年本科教学建设与改革项目-初等教育学院;首都师范大学研究生教育项目.

作者简介：王小明（1979-），女，内蒙古通辽人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

田成良（1974-），男，山东泗水人，本科，中学高级教师，中学特级教师，硕士生导师，物理教研员，研究方向：物理过程教学、物理科学方法教育、课堂教学艺术;

李春雷（1979-），男，内蒙古赤峰人，博士，副教授，研究方向：科学教育.

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出“学科内容要重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养落实”，这里要求学生学习以大概念为核心即在单元统摄下，解决真实情境下的真实问题，学生在此过程中，分析真实情境下的真实问题，经历物理模型的构建，在构建模型基础上进行分析和推理，进而解决问题，同时还需要对分析的结果进行检验分析，在这样的过程中提升学生的科学思维能力.如何在大单元统摄下设置真实情境问题提升学生科学思维能力？本文以人教版必修二“抛体运动”单元为例，结合教学实践，介绍教师如何创设单元情境问题促使学生在大单元统摄下的真实情境下解决问题从而提升科学思维能力的过程.

1 抛体运动单元规划

1.1 教材分析

“抛体运动”这一章内容是运动学和动力学知识在曲线运动中的应用，是学生所学运动学和动力学知识的进一步拓展和延伸，通过对机械运动形式从简单的直线运动到相对复杂的曲线运动以及物体做曲线运动原因的分析，逐步深化运动和相互作用观念.本章内容有模型的建立及分析推理过程，也有通过实验获取平抛运动特点的探究过程.通过这些内容可以培养学生的科学思维和科学探究素养.在本单元的学习过程中，要突出物理概念、规律的得出过程，用丰富的实例引导学生在事实经验的基础上，逐步经历抽象、概括、推理的思维过程.同时引导学生经历先定性、后定量的一般认识过程，也要关注科学思维方法的育人价值，引导学生逐步体会极限思想和等效思想.

1.2 单元目标和重难点分析

本单元的目标如下：

（1）通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件;

（2）通过实验，探究并认识平抛运动的规律;

（3）会用运动合成与分解的方法分析平抛运动，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想，能分析生产生活中的抛体运动.

本单元的教学重难点是做曲线运动条件的掌握，体会极限的思想研究做曲线运动物体的速度方向，通过情境分析，建立模型，通过理论和实验结合，形成对运动的合成与分解的认识;实验分析中会记录做曲线运动物体位置随时间变化的信息，通过分析数据，得出规律;理论探究中矢量运算，先分解后合成，体会研究复杂运动的思想方法从而发展科学思维.

2 抛体运动单元结构图及情境任务

首先，教师要创设指向单元目标的真实情境，在这样的情境中设置统摄单元学习目标的真实情境问题，学生在解决真实情境问题的过程中经历模型构建、科学推理和论证等过程，提升学生的科学思维能力.抛体运动单元的各部分内容之间是循序渐进的逻辑关系，并且滲透了物理学的研究方法，本单元各节之间的逻辑关系如图1所示.

根据本单元的核心知识，确定了单元情境任务和课时情境任务（见表1）.

3 单元视角下真实情境问题引领的教学实施促思维提升

在“抛体运动”单元中，根据课程标准的要求，同时高中学生对篮球运动都非常熟悉并且感兴趣，也是体育课上的必修内容，因此创设了这样的大情境问题“如何提高篮球的命中率？”这个情境问题引出了本单元的学习内容，同时也指向了本单元的问题核心.这样的大情境问题既符合学生的认知特点，又能激发学生学习的积极性，同时对于学生而言，这个大情境问题也有一定的挑战性.

3.1 情境任务一：如何描述篮球的运动

活动一：播放篮球比赛视频，观察视频中篮球的运动轨迹和速度方向分别是什么？

问题1：物体做直线运动，速度方向在轨迹所在的直线上;篮球做曲线运动时，速度方向又是怎样的呢？

问题2：怎样确定篮球在不同位置的速度方向？

设计意图：通过观看篮球比赛视频等曲线运动的物体实例，说明做曲线运动的物体的速度方向是时刻变化的.

问题3：实验上如何探究做曲线运动物体的速度方向？从不同出口处滚出的小球留下的轨迹得到什么规律？

设计意图：用一个具有普遍意义的曲线轨道进行实验，说明小球在脱离轨道后运动沿切线方向.

问题4：理论上如何分析曲线运动的速度方向？

设计意图：以上关于物体做曲线运动的速度方向分析，通过情境问题—猜想—实验探究—理论探究—得出结论.这个过程重视物理结论形成过程的优化，让学生经历一遍科学知识的得出过程也是对学科科学素养提升的过程，更是科学本质教学的一部分，在这样的过程中学生的科学思维能力得到提升.

问题5：抛出去的篮球为什么做曲线运动？物体做曲线运动可能跟什么因素有关？用实验我们该如何探究？

设计意图：分析做曲线运动的篮球的受力情况和初始条件，再经过对比实验分析物体做曲线运动的条件，得出物体做曲线运动的条件.

学生观看篮球比赛视频，知道曲线运动的瞬时速度方向，能运用极限思想理解瞬时速度方向，并能在轨迹图上标出，知道物体做曲线运动的条件，能运用运动的分解与合成的方法分析曲线运动.

3.2 情境任务二：如何分析篮球的运动

问题1：怎样用位置和速度描述篮球所做的曲线运动？

问题2：怎样用玻璃管中蜡块的运动模拟两个方向的分运动？

设计意图：研究直线运动我们建立了坐标轴，现在研究一段视频中篮球的运动（如图2）和蜡块的运动，选择平面直角坐标系，仿照力的合成与分解的方法可以将物体在平面上的运动分解为互相垂直的两个方向的运动进行研究.

通过运动的分解来研究复杂运动是高中物理中重要的思想方法，也是本节课的重点和难点，通过真实情境的体验、演示、理论分析，让学生经历运动的合成与分解思想分析过程，通过对篮球运动的合成与分解，形成把复杂运动分解为简单运动的物理思想.

3.3 情境任务三：如何通过实验探究篮球的运动

问题1：平抛运动的轨迹是曲线，我们应用什么方法来研究曲线运动？

问题2：平抛运动应分解为哪两个方向的运动？为什么？

问题3：根据竖直方向上的受力和运动情况，你认为平抛运动在竖直方向上的分运动应是什么运动？

问题4：若要证明你的结论，你需要哪些器材？如何操作？

设计意图：学生阅读教材，可以选用给出的实验器材进行实验探究，学生可以参照教材给出的实验方案进行探究.在具体教学过程中，有的学生采用慢动作拍摄篮球运动的视频，然后进行篮球运动的分析.在这样的过程中，学生先猜想，然后确定实验方案和研究对象，进而进行实验并分析推理，加深了对所学运动合成与分解方法的理解.在这样的过程中，不仅提升了学生的实验探究能力，更是发展了学生科学思维的过程.

3.4 情境任务四：篮球的运动满足什么规律

问题1：在篮球比赛中，你是否曾为没有进球感到惋惜，你觉得提高定点投篮命中率应该考虑哪些因素？

问题2：从抛出的篮球运动到最高点算起，并以此为坐标原点，水平向右及竖直向下为两坐标轴的正方向，你能写出速度表达式吗？

问题3：篮球运动的轨迹方程是什么？如果初速度增大，轨迹形状如何改变？如果初速度相同，在月球表面和地球表面投篮，有什么不同？

设计意图：以投篮的轨迹为真实情境，分析抛体运动物体的受力特点，理解篮球做抛体运动的规律，认识平抛运动中等效替代的思想和“化繁为简”的思想，并能研究抛体运动.在整个分析过程中，学生以篮球为研究对象，进行运动的分析和推理，得出结论后，又从物理学角度深入理解轨迹也是对研究结论的验证过程.

4 设计单元视角真实情境下的评价促进思维提升

单元视角下的真实情境问题解决的过程，评价已经嵌入其中，当然每个课时任务结束我们也可以根据课时教学目标进行诊断，在“抛体运动”单元中，可以设置表2单元评价量表.学生在完成这样的作业过程中，其实是根据所学的知识和方法，进行新的情境下问题的解决，在这样的过程中，学生既是对所学知识的巩固，也是再一次经历了模型构建、分析推理的过程，这样的过程不仅是对所学内容的评价检验，也是再一次拓展提升，当然也是发展科学思维的过程.新教材给我们提供了很多优质素材，我们在教学过程中要教会学生阅读教材，发挥教材中例题和习题的作用.当然，在单元学习完成后一定要回到我们最初设置的大情境，针对这个大情境可以让学生提出一些新的问题，再次引导学生思考解决.

5 结束语

单元的大情境问题设计完成后，源于单元情境问题下的课时情境问题设计就显得尤为重要，能引发学生积极参与且深度思考的问题设计可以提升学生的思维能力.在“如何提高投篮命中率？”这样的单元情境问题中，学生在这样的情境问题学习的过程中建构单元知识，感受知识间的联系，为解决更复杂的问题奠定基础.这样的层层递进的问题设计也促进学生主动思考，点燃学生思维的火花.

根据课程标准的要求，我们要将课堂教学从“教师的教”转向“学生的学”，在单元统摄下的情境问题教学过程中，根据课程标准和学生学情，确定单元学习目标，在此基础上确定单元目标相应的真实情境，并提出物理问题，根据真实情境下的物理问题设计学生活动和单元评价方案，最后根据课堂教学的实施情况再进行改进.学生在真实情境中解决真实问题的学习过程一定是有效的，真实情境下问题解决的过程也会激发学生的学习兴趣，通过问题链的形式引导学生思考，整个过程对发展学生的科学思维具有十分重要的意义.单元视角下的情境问题设计是以课程标准中要求掌握的知識为载体，让学生在真实情境中经历问题解决的过程，在这样的过程中，从实际问题到物理问题的构建发展了学生的学科核心素养，充分体现物理学科的学科特点和育人价值.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]田成良，张亚明.真实情境下任务驱动式教学实践—以“串联和并联”为例[J].中学物理，2020，38（14）：53-56.

[3]赵锦程，刘馨.基于大概念的“1+X”问题群单元整合设计[J].中学生物学，2020，36（11）：75-76.

[4]崔允漷.学科核心素养呼唤大单元教学设计[J].上海教育科研，2019（04）：1.

[5]田成良.高考评价体系在高考试题中的体现及启示——以2020年物理全国卷为例[J].物理教师，2020，41（08）：70-73+77.

（收稿日期：2021-04-28）