以“问题解决”教学为载体,培养学生物理思维能力

高秀丽

(广州市花都区教育局教研室,广东广州 510800)

1 问题的提出

传统教学中过于重视结论性知识学习,忽视学生思维过程的激发和思维能力的培养,一般是教师先把结论呈现给学生,然后为了帮助学生理解和巩固这些结论性知识,提供一定量的练习来训练他们对知识的熟练运用.在这样的教学中,学生处于被动接受的地位,他们在课堂上没有时间和空间对结论产生的过程进行深入的探索和推敲.用这种教学模式培养出来的学生可能记住了很多的表层知识,但却往往缺乏灵活运用知识解决实际问题的能力.在需要他们提出问题、分析问题、解决问题时,常常表现出思维能力的薄弱.因此,激发和促进学生的高水平思维,让他们能够自由地去思考问题、建构知识、形成“见识”,就是最自然也是最有效的一种教学路线.

波利亚在《如何解决》(How to Solve)一书中对“问题解决”提出了他的见解.他认为,所谓“问题解决”是人们有意识地寻找某些能达到已经有了明确的构想、但又无法立即达到的目标之行动;找出这样的行动,即是“问题解决”.通俗的地说,“问题解决”就是由一定情景引起的,按照一定的目标,应用各种认知活动、技能等,经过一系列思维操作,使问题得艺解决的过程.按照建构主义理论,在新旧经验之间双向的相互作用得以更充分、更有序地进行,这使得学习活动真正切入到学习者的经验世界当中,而不只是按照教学设计者预先确定的框架和路线来生成知识间的联系.问题解决为新旧经验间的同化和顺应提供了理想的平台.

图1

近来,我区一些学校进行课堂教学改革,努力改变传统教学模式,尝试“先学后教,先练后讲”的教学实践,把课堂的主体地位还给学生,在一些课型中采用“问题解决”式的教学.在这种教学中,教师针对所要学习的内容提出具有思考价值的、有意义的问题,先让学生带着问题进行课前预习、思考和尝试解决问题,上课时组织学生讨论、交流,小组讨论完毕后,各小组代表发言,在此基础上,教师再进行提炼和概括,力求使学生所建构的知识更明确、更系统,取得一定的成效,但也存在较多有待解决的问题.概括起来他们的教学思路可由图1反映.

针对上述6个环节,笔者根据多次听课调研,发现其中有多个共性的应注意的问题.下面尝试通过一个教学案例来加以分析和说明,期盼能抛砖引玉,找到进一步解决问题的方法.

2 “问题解决”教学实践中6个环节要注意的问题

2.1 设计问题,布置预习环节

问题的设计是“问题解决”教学的关键.一个好的问题情境,能够激发学生的学习兴趣和求知欲望,引起学生认知结构上的“不平衡”,造成学生心理上的悬念,因此,教师应认真分析教学内容,根据内容设计一定的问题情境,“把知识变成问题”,提出要重点解决的问题.问题情境的设计要注意“简单”、“根本”和“开放”,因此,应做到:

(1)问题情境的设置要围绕课堂教学的核心知识

问题中应蕴含着学习的基本概念和原理,让学生通过问题的解决来建构起对这些概念、原理的理解,体现既简单又根本的原则.

(2)问题情境的设置要有一定的挑战性

问题所需要的核心知识应该是没有讲解过的,但学生具有一些相关的知识基础.它对学生具有一定的挑战性,但又符合学生的最近发展水平,即“跳一跳,摘得到”.

(3)问题的设置形式要多样化

问题的设置不要千篇一律化,应该根据教学的内容、特点灵活采用不同的形式.如可以采用习题、预习提纲、内容与内容之间的类比、联系实际的问题、有趣的小实验等,体现问题形式多样和一定的开放性.

2.2 自主预习环节

学生带着教师布置的问题利用文本或课程资源进行预习,目的在于让学生在上课前能对上课内容有所思考和准备,为课堂上发挥学生的主体地位提供保障.由于学生的自学能力有差异,不要求所有学生都能很好地完成布置的问题,但所有学生都必须对所布置的问题进行过尝试性的思考,体现“先学”的思想.

2.3 分组讨论和交流环节

因为学生已经预习,至少是有了对问题解决的初步想法,上课时就可先让各小组进行讨论和交流,对预习问题达成共识.此环节要注意:(1)分组可以根据班级实际情况采用灵活的形式,可以按区域分、也可以采用“分分合合”(即只在讨论的时候同一小组的同学才聚在一起)等.

(2)分组应该做到“组内异质,组间同质”,以便小组与小组之间真正能够达到良性竞争.

(3)组长应该做好组员预习问题的完成情况检查和督促,以保证组内真正做到分享、合作.

(4)由于组内学生层次差异较大,组内优秀学生必要时应该担负起辅导差生的责任,即“兵教兵”,在此过程中无论是优秀生还是差生都会得到提升.

(5)在各小组讨论交流时,教师应该积极巡视,了解各小组讨论的情况,看他们的困难在哪里,在哪一点上有模糊认识或错误观念等.必要时,教师可以提供一定的支持和引导,如提供必要的信息(解题的关键点等),引导学生正确理解和明确问题,激活有关的知识经验,乃至思路上的点拨等.

2.4 小组代表发言环节

在组内充分交流讨论达成共识、统一意见的基础上,要求各小组派代表发言.在各小组发言或板演时,其他组或其他学生都要认真倾听,及时质疑或纠错.此时教师要做好洞察者、促进者和引导者的角色,一般不直接评价学生的想法,不做盖棺定论,而是先鼓励学生之间相互质疑,提出不同看法,然后教师把其中主要的观点展示出来,维持和促进他们之间的讨论.

2.5 教师讲解和点拨环节

这一步对学生系统掌握知识非常重要.孔子曰:“不悱不启,不愤不发”,就是说,只有学生通过自己的思考对问题达到了“愤”“悱”这种思而不解的程度时,教师才给予必要的讲解、点拨和概括.

在学生经过积极的讨论和交流之后,听教师的讲解已成为他们的迫切需求.讲解时教师要针对学生感到困难的地方、不能统一意见的地方和教材关键的地方重点讲解,要讲在点子上,讲在学生还模糊的地方.把重要、关键的知识点总结和概括出来,表述清楚,并加以强调.

2.6 应用和拓展环节

要使学生形成对知识的真正理解,建构起融会贯通的知识体系,实现广泛的知识迁移,就必须通过一个不断巩固和深化的过程.因此,在上述核心问题解决的基础上,还需要教师设计若干后续问题,帮助学生对新知识形成更深刻、更灵活的理解,并具有灵活应用知识的能力.后续问题不是对现有知识的简单套用,而是对知识应用的变通和拓展.

3 教学案例说明

教学内容:粤教版必修1课本第4章第4节“机械能守恒定律”

图2

课前预习问题:如图2所示,一个质量为2 kg的物体在高空中由静止开始下落,经过离地面高度为20 m的A点时速度为10 m/s,经过离地面高度为5 m的B点时速度为13 m/s,请你通过计算说明物体的机械能是否守恒(g取10 m/s2).如果不守恒,判断是什么原因.

这个预习问题围绕本节课“机械能守恒定律”这一核心知识展开.在此之前,学生已经学习了“动能定理”和“机械能”,可以通过计算得出物体处在 A、B两点时的机械能.对比较“机械能是否守恒”来说,学生懂一些,能做一些,但又不全懂,对学生来说有一定的挑战性,能激发起学生求知的强烈欲望.这就为机械能守恒定律内容、适用条件和表达式等的正确理解埋下了伏笔.

上课后教师要求各小组讨论和交流意见(该班分成8小组,并且学生是按小组就座的),同时教师积极巡视.各小组统一意见后,将小组讨论的结果板演到黑板上.各小组的解法概括起来有如下3种:

ΔEp=mghB-mghA=2×10×5 J-2 ×10×20 J=-300 J;

ΔEk+ΔEp=69 J+(-300)J=-231 J≠0,所以物体的机械能不守恒.

接着教师引导学生们评价和点评各小组的解法,尤其对解法3着重给予评价,然后教师提出问题引发思考.

师:“物体机械能守恒”是什么意思?

生甲:只有重力做功的情况下,物体只发生动能和势能之间的相互转化,物体的机械能守恒.

学生甲虽然照搬书本上的文字表述,但也说明了“机械能守恒”的其中一种理解方法和判断依据.

还有其他理解机械能守恒的方法和判断依据吗?教师继续追问.

生乙:分析重力做的功是否等于动能的变化.

生丙:分析动能变化是否等于重力势能的变化.

学生经过预习问题的思考、解决和讨论交流,加之教师对各组学生解题方法的点评和追问,接下来教师的概括和讲解已经非常必要了.

师:嗯,其实我们看刚才几个小组的解题方法就可以知道,判断的方法通常有这样3种:

(1)分析力做功和能量转化的情况:是否只有重力(或弹力)做功,物体是否只发生动能和势能之间的能量转化.

(2)通过计算,比较两点时的机械能是否相等.

(3)判断两点间动能的变化量是否等于重力势能的变化量.

师:如此说来,机械能守恒定律应该有多少种表达式?

经过刚才教师的点拨,学生们很快写出了机械能守恒的常用表达式:

①Ek1+Ep1=Ek2+Ep2.

②ΔEk=-ΔEp.

师:这两个表达式在使用时要注意什么?

生丁:表达式①需选取零势能面,而表达式②只需计算重力势能的差值,不需选取零势能面.

师:刚才用表达式①的小组有没有注意到这个问题?

教师要求大家回顾刚才几组代表的板演.经检查发现,没有一组注意到要选取零势能面的问题.

师:以后大家在用表达式①时就要注意了.那么,零势能面应该怎么选取呢?

通过学生回顾已经尝试做过的问题中没有留意的细节,提醒学生在以后的解题中要注意的事项,这比直接把结论告诉学生效果会好得多.

于是教师要求学生们对解法2中分别选取A点、B点和地面作为零势能面进行计算,比较选取不同零势能面对计算的影响.通过计算,学生们普遍发现,选取 A点或B点作为零势能面比选取地面作为零势能面计算起来要方便得多.这时教师就进一步引导学生得出:零势能面的选取应该以方便为原则.

接下来为了巩固和拓展学生对机械能守恒定律的理解,教师给出下列问题:

问题1:下列运动物体中机械能守恒的是

(A)电梯匀速下降.

(B)物体在光滑水平面上做匀速圆周运动.

(C)物体沿着斜面匀速下滑.

(D)物体自由下落.

(E)抛出的铅球从抛出到落地前.

(F)起重机吊起重物的过程.

(G)物体由光滑斜面顶端滑到斜面底端.

通过这个问题,教师继续引导学生思考:如何理解机械能守恒定律中的“只有重力做功”这句话,它包含几层含义?

问题 2.如图 3所示,桌面的高度为h,一质量为 m的小球从离桌面高H处自由下落.不计空气阻力,选桌面为零势能面,则小球刚落到地面的瞬间,机械能为

(A)mg(H+h).

(B)mg(H-h).

图3

(C)mgh. (D)mgH.

由此让学生进一步巩固和理解“机械能的大小与零势能面的选取有关”.

问题3.将质量为 m的物体以初速度10 m/s竖直上抛,忽略空气阻力,g取 10 m/s2,请回答:

①物体上升的最大高度是多少?

②在上升过程中,何处重力势能与动能相等?

这个问题是教学中教师经常选用的一道典型题,也是学生解答时常错的题,它既考查竖直上抛运动的有关知识,同时也需要学生对机械能守恒定律灵活变通地应用.

教学实践证明,通过问题解决来学习,是针对当前教学中“满堂灌”等弊端而提出的一种有效的教学改革思路.中学物理课堂教学中,在问题的激发下,学生回顾自己头脑中的相关物理知识,体会自己的“知”与“不知”,“能”与“不能”,通过推理、分析和综合,通过查阅和探索,填补自己的“不知”和“不能”,并进一步把不断涌现的新理解运用到问题的解决之中,不断提高物理思维能力,加深对知识的理解.同时,这种问题教学还能很好地激发学生的求知欲,培养他们的自主学习能力和合作学习能力.

传统教学模式存在不少弊端,课堂教学改革势在必行.一些先行者们已经取得了初步的教学效果和经验,但经验是不可能照搬的,它需要我们一线教师们的积极参与和尝试,需要教师们不怕暴露问题,不断探讨和积累经验.笔者在此所谈所说,肯定也有错漏,目的只是与同行们切磋交流.

1 张建伟,孙燕青.建构性学习——学习科学的整合性探索.上海:上海教育出版社.2005.

2 范永梅.问题课堂——提高物理课堂教学效率的有效途径.中学物理教与学.2009(4).

3 陈立其.用问题教学法突破“交流电有效值”的概念教学难点.中学物理教学参考.2009(6).

4 陈建华.中学物理“问题解决”教学探究.中学物理教与学.2010(5).