以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)淺探

以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)淺探

劉興[摘要]采用以問題為導(dǎo)向（Problem-BasedLearning）的教學(xué)模式開展教學(xué)，需要教師能夠把控課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。實(shí)際教學(xué)中，教師可以通過情境設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識。文章以“自由落體運(yùn)動”教學(xué)為例，對以問題為導(dǎo)向的物理教學(xué)進(jìn)行分析。[關(guān)鍵詞]以問題為導(dǎo)向;自由落體運(yùn)動;物理教學(xué)[]G633.7[]A[]1674-6058（2020）35-0040-03一、以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式以問題為導(dǎo)向（Problem-BasedLearning，以下簡稱PBL）的教學(xué)模式是在教學(xué)過程中，以問題為中心，以學(xué)生小組合作討論解決問題的方式開展教學(xué)[1]。自然界中的落體運(yùn)動紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著簡潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。學(xué)生面對真實(shí)復(fù)雜的落體運(yùn)動，在教師指導(dǎo)下，通過自主探究、小組合作構(gòu)建自由落體運(yùn)動的理想模型，在不斷探索總結(jié)的過程中，主動建構(gòu)新知，發(fā)展關(guān)鍵能力。二、PBL課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路PBL課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖l所示。在PBL課堂教學(xué)中教師仿佛是項(xiàng)鏈設(shè)計(jì)師，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，擬定主題，設(shè)計(jì)好各教學(xué)環(huán)節(jié)，費(fèi)盡心思將這些環(huán)節(jié)、主題打磨成精致的一顆顆“珠寶”，串起來成為一條美麗的“項(xiàng)鏈”。同一個(gè)主題，項(xiàng)鏈設(shè)計(jì)師總能設(shè)計(jì)出不同且驚艷的款式;同一節(jié)課，教師也要有能力打造出不同魅力的課堂。自由落體運(yùn)動是對生活中常見的落體運(yùn)動的觀察和研究后得出的理想模型，它源于生活，高于生活。通過情境設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生從觀察生活現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，不斷探索，不斷總結(jié)，直至理想模型的建立，形成物理觀念。如何引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)掌握的知識巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究物體自由下落規(guī)律，體驗(yàn)探究過程并獲得相應(yīng)規(guī)律，是本節(jié)課的難點(diǎn)，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維素養(yǎng)的抓手。鼓勵學(xué)生把所學(xué)知識運(yùn)用于實(shí)際問題，學(xué)以致用則是本節(jié)課的目的。讓學(xué)生主動參與探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中，逐步建構(gòu)新的知識，在新的情境中運(yùn)用自由落體運(yùn)動規(guī)律。三、基于PBL的“自由落體運(yùn)動”課堂教學(xué)實(shí)踐1.創(chuàng)設(shè)情境，生成問題[環(huán)節(jié)一]展示常見的落體運(yùn)動。[問題]偉大的哲學(xué)家亞里士多德對落體運(yùn)動有怎樣的觀點(diǎn)？[學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)]通過實(shí)驗(yàn)證明“重的物體比輕的物體下落快”是錯(cuò)誤的。[教師演示實(shí)驗(yàn)]兩根外形幾乎一樣的羽毛下落快慢不一樣，引發(fā)學(xué)生思考。[問題]提出疑惑：兩根羽毛所受的空氣阻力近似相同，重的羽毛比輕的羽毛下落快，也就說明亞里士多德的觀點(diǎn)是正確的，對不對？[設(shè)計(jì)意圖]落體運(yùn)動是自然界中比較普遍的現(xiàn)象，學(xué)生的前概念里已經(jīng)有了輕重不同的物體同時(shí)落地的印象，認(rèn)為亞里士多德的說法都是錯(cuò)誤的，通過實(shí)驗(yàn)引發(fā)認(rèn)知沖突，發(fā)現(xiàn)物體的下落是非常復(fù)雜的，亞里士多德的觀點(diǎn)也是符合很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，通過演示實(shí)驗(yàn)認(rèn)識到空氣阻力對輕重不同物體的影響程度不一樣，使學(xué)生認(rèn)識到空氣阻力是影響輕重不同物體下落快慢的因素，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。2.問題分層，細(xì)化過程[問題]當(dāng)物體所受的空氣阻力跟它的重力相比非常非常小時(shí)，輕重不同的物體下落快慢是怎樣的呢？[牛頓管演示實(shí)驗(yàn)]（1）里面有空氣;（2）當(dāng)場抽出部分空氣;（3）再次抽出更多空氣;（4）播放央視視頻，慢放鏡頭，對比羽毛和鐵球下落快慢;（5）播放視頻：月球上鐵錘、羽毛自由下落。[學(xué)生總結(jié)]觀察實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步感受輕重不同物體下落快慢的影響因素，總結(jié)自由落體運(yùn)動概念。[問題]生活中是否有自由落體運(yùn)動？[設(shè)計(jì)意圖]通過現(xiàn)場對牛頓管抽氣的對比實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的極限思維，通過實(shí)驗(yàn)歸納，使學(xué)生感受“突出主要因素，忽略次要因素”的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，建立理想模型的科學(xué)思維，學(xué)生自主建構(gòu)出自由落體運(yùn)動的觀念。雖然它是一種理想化模型，在自然界中并不真實(shí)存在。實(shí)際生活中，在重力比空阻力大得多，空氣阻力對物體下落影響很小的情況下，物體從靜止開始下落可以近似看作自由落體運(yùn)動。舉出生活中的自由落體運(yùn)動實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)建立物理模型的過程，提煉出物體可以看成自由落體運(yùn)動的條件。3.自主研究，探索規(guī)律[問題]自由落體運(yùn)動作為最簡單的落體運(yùn)動，它的運(yùn)動性質(zhì)是怎樣的呢？[猜想]初速度為零的勻加速直線運(yùn)動。[學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案]小組合作討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，展示實(shí)驗(yàn)方案：（1）使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;（2）使用頻閃照片;（3）使用光電門。[方案優(yōu)化]（1）和學(xué)生一起梳理每種實(shí)驗(yàn)方案需要哪些實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)步驟是什么？優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？（2）指導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證自由落體運(yùn)動的性質(zhì)。4.小組合作，科學(xué)實(shí)驗(yàn)[學(xué)生]小組合作，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究自由落體運(yùn)動規(guī)律，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入電腦的excel表格，生成物體自由下落的v-t圖像，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討自由落體運(yùn)動的性質(zhì)。[教師]（1）巡視，指導(dǎo);（2）評析各小組實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等情況。[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]大量精確的實(shí)驗(yàn)表明，自由落體運(yùn)動的確是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動。[設(shè)計(jì)意圖]（1）在協(xié)同合作中完成實(shí)驗(yàn)，觀察思考，收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得到自由落體運(yùn)動規(guī)律。培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，及進(jìn)行歸納和總結(jié)的能力，引導(dǎo)結(jié)合合理的邏輯推理，逐步掌握探索自然規(guī)律的方法，增強(qiáng)科學(xué)探究能力;（2）重物除了常見的鐵錘，教師有意識地準(zhǔn)備了帶夾子的裝滿水的礦泉水瓶，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，進(jìn)一步強(qiáng)化自由落體運(yùn)動觀念。結(jié)合勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自由落體運(yùn)動性質(zhì)，計(jì)算出自由落體加速度，為自由落體運(yùn)動的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。5.問題拓展，評估反饋[問題情境]疑案追蹤：高空墜物現(xiàn)象被稱為“懸在城市上空的痛”。近年來，高空墜物致人傷亡的案例不斷見諸報(bào)端。假設(shè)有這么一起案例，一高樓某層陽臺上墜下一花盆，砸壞了下面的車輛。恰好樓下有一個(gè)攝影愛好者對著天空連拍，發(fā)現(xiàn)有幾張照片中有花盆，我們能不能根據(jù)這些有限的資料幫助警方推測花盆大概從哪里掉下的？[學(xué)生]小組討論，設(shè)計(jì)方案。[教師現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)?zāi)M]（1）現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境：燈箱上面固定一個(gè)電磁鐵，小鐵球吸在電磁鐵上。讓電磁鐵斷電，小球自由下落。通過CoPro運(yùn)動數(shù)碼相機(jī)連拍。將照片導(dǎo)人電腦，通過PS軟件的堆棧功能，將幾張照片合成為一張照片。（2）提出問題：你能根據(jù)所學(xué)的知識分析小球從哪個(gè)位置下落嗎？學(xué)生小組討論，設(shè)計(jì)方案。根據(jù)照片分析思路：（1）可以通過照片和相機(jī)的連拍數(shù)據(jù)計(jì)算出某一小球的速度，再根據(jù)y2=2gh，計(jì)算高度^;（2）利用v=gt，h=1/2gt2計(jì)算高度^。[設(shè)計(jì)意圖]物理源自生活，實(shí)際問題的復(fù)雜性需要學(xué)生學(xué)會抓住主要因素，忽略次要因素的影響，在實(shí)驗(yàn)中尋找解決問題的方案。小鐵球的重力比空氣阻力大得多，可以忽略空氣阻力的影響，小鐵球的自由下落可以看成自由落體運(yùn)動。帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷物理模型建構(gòu)，運(yùn)用物理規(guī)律解決真實(shí)問題。在評估中深化了規(guī)律的應(yīng)用，科學(xué)思維的培養(yǎng)，反饋中讓學(xué)生認(rèn)識高空墜物、高空拋物的危害，做一個(gè)文明人，落實(shí)新課標(biāo)的要求。四、基于PBL的課堂實(shí)踐，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的幾點(diǎn)思考1.基于問題導(dǎo)向，優(yōu)化課堂教學(xué)理念PBL展現(xiàn)的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，以生為本，讓學(xué)生成為課堂的主體，并不是要摒棄講授法，需要教師“精講”。課堂教學(xué)中，教師要盡可能地滿足學(xué)生自身成長的需要，盡可能創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，通過結(jié)構(gòu)不良的問題讓學(xué)生主動去探究，在自主學(xué)習(xí)中尋找方法，解決問題或者解決部分問題，通過小組合作中的思維碰撞，思想交融，讓學(xué)生的能動性表現(xiàn)為積極性，真正成為課堂學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生在自己找尋答案的過程中，教師要舍得給學(xué)生一點(diǎn)空間，讓他自己向前走，或者讓他們小組一起探索，讓學(xué)生在體驗(yàn)中收獲自己獨(dú)特的感悟。教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和啟發(fā)者，不僅僅要呈現(xiàn)物理知識的邏輯結(jié)構(gòu)，更要讓教學(xué)過程符合學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。PBL教學(xué)模式需要教師把握課堂教學(xué)中最重要的資源——學(xué)生。每個(gè)學(xué)生作為一個(gè)獨(dú)立的生命個(gè)體，都擁有不同的有趣的靈魂，蘊(yùn)含不斷成長的潛能，他們在解決問題中總能呈現(xiàn)教師意想不到的結(jié)果，有時(shí)可能是在回答問題中流出的一絲疑惑，一分不自信，教師要能捕捉到，并以此作為自己新的靈感，再根據(jù)學(xué)生的具體情況靈活機(jī)動地調(diào)整教學(xué)，將學(xué)生打造成一顆顆閃亮的寶石。2.基于問題導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)健能力從日常的落體運(yùn)動到自由落體運(yùn)動模型的建立是本節(jié)課的重點(diǎn)之一。通過羽毛下落實(shí)驗(yàn)，設(shè)置認(rèn)知沖突，啟發(fā)學(xué)生思考發(fā)現(xiàn)影響物體下落快慢的因素：空氣阻力。設(shè)置對比實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生思維往極限方向推進(jìn)，建立理想模型，讓學(xué)生體驗(yàn)忽略次要因素突出主要因素的哲學(xué)思想。觀看央視鐵球和羽毛下落視頻和牛頓管實(shí)驗(yàn)，學(xué)生充分感受自然規(guī)律的奇妙。實(shí)際的落體運(yùn)動非常復(fù)雜，它下落快慢既與物體質(zhì)量有關(guān)，也與空氣對物體下落影響有關(guān)，受限于當(dāng)時(shí)的條件，連偉大的亞里士多德也沒能研究清楚，但伽利略認(rèn)為科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)從最簡單之處人手，于是他提出一種純粹的落體運(yùn)動——自由落體運(yùn)動[4]：只受重力，不受空氣阻力，且初速度為零。自然界中的落體運(yùn)動紛繁復(fù)雜，在這些現(xiàn)象的背后竟然隱藏著如此簡潔的規(guī)律，讓我們不得不感嘆自然界的神奇，不得不佩服科學(xué)家敏銳的洞察力。讓學(xué)生充分體驗(yàn)、感悟自由落體運(yùn)動模型的建立，引發(fā)學(xué)生心靈的震撼，培養(yǎng)學(xué)生的洞察力。3.基于問題導(dǎo)向，設(shè)置情境，巧設(shè)實(shí)驗(yàn)釋惑得出自由落體運(yùn)動規(guī)律后，通過例題鞏固新知是常用的方法。本節(jié)課筆者創(chuàng)設(shè)的高空墜物和高空拋物情境是生活中的熱點(diǎn)問題，通過疑案追蹤，讓學(xué)生真實(shí)感受物理來源于生活，又可以應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題。通過相機(jī)拍攝的照片推導(dǎo)物體從哪里下落，涉及的分析過程比較復(fù)雜，學(xué)生很難討論出結(jié)果。巧妙設(shè)計(jì)小球下落實(shí)驗(yàn)，當(dāng)場通過PS軟件堆棧功能將幾張小球照片合成為一張照片時(shí)，你能聽到學(xué)生的驚嘆聲，在這種活躍的課堂氛圍中，學(xué)生解決問題的意愿高漲，進(jìn)而有效提高教學(xué)效果。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)：學(xué)生應(yīng)該主動獲取、加工和重組知識，而不應(yīng)成為知識的被動接受者。教師應(yīng)當(dāng)努力讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過程變成科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅，并從中體驗(yàn)科學(xué)之美，積淀物理素養(yǎng)。[Reference][1]LindaTorp，SaraS