科学思维导向下的课堂情境的设计研究

许光辉

摘要：以自由落体运动为例，以科学思维的模型构建、科学推理、科学论证、质疑与创新四大要素为导向，阐述了的课堂情境的设计策略。

关键词：科学思维;情境;自由落体运动以

核心素养是现阶段新课程综合改革的首要目标，科学思维是物理学科核心素养的第二要点，是指学生在学习物理知识、规律和方法后生成认知事物的思维品质，是学生通过物理学习后逐步形成的关键能力，是实现学生今后走上社会后可持续发展必不可少的条件。因此，高中物理的教学应注重知识的生成过程，使学生在学习过程中促进认知的发展，应注重物理科学方法的教育，使学生在潜移默化中习得良好的思维品格。

一、科学思维对课堂情境的依赖关系

科学思维包含模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新四大要素，显然，这些能力不可能来自于空想和头脑风暴，也不是依靠纯理论的分析而习得的，而是源于实践，是基于事实与证据的方法与思想的升华。

情境创设能让现实重现于课堂，学生置身于鲜活的场景，在真实的问题情境中激活隐藏于大脑深处的思维因子，从而充分调动自己对世界已有的元认知。“学始于思，思源于疑”，学生在批判地学习新知识的同时，提升了学科素养，因此，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。（摘自《课程标准》）

二、“自由落体运动”教学中的实践

自由落体运动是匀变速直线运动的特例，属于运动模型范畴，运用科学思维框架下课堂情境与任务设计可实现课堂教学的优化。

1、 模型构建

该阶段设置三个教学任务：探究空气阻力对落体运动的影响;探究相同空气阻力影响下的落体运动规律;建立自由落体运动模型。以生活场景、演示实验、物理史料作为课堂情境，通过改变条件的方法逐步从情境中抽象出自由落体运动模型。

情境1：课堂伊始，播放短视频： “树叶飘落”和“石块坠落”;教师演示：一张纸（与硬币一样大小）和一个硬币从同一高度静止开始同时下落;教师讲述：亚里士多德从生活现象中总结出了重物比轻物下落得更快的结论。进而提出问题：为什么重物会比轻物下落得快呢？

通过受力分析，发现轻物之所以下落得慢，是因为空气阻力对轻物的影响更大。

情境2：追问：如果轻的物体下落中受的空气阻力影响也很小，是否会与重的物体下落得一样快呢？下面我们通过亲手做实验来看看其运动的快慢。学生们把事前准备好小纸片叠放在同样大小的硬币上面，用手举高后静止开始释放，硬币和纸片同时落到地面，刹时，教室里出现了惊呼声，部分学生好奇的重复着实验。

實验中由于纸片“躲”在硬币后面，所以空气阻力由二者共同“承担”，可见，如果空气阻力对落体的影响一样大，重物与轻物会下落得一样快。

情境3：再追问：如果空气阻力小到可以忽略，那么重物与轻物下落的快慢又会是怎样的呢？教师介绍牛顿管并演示橡胶块与羽毛同时下落的实验。师生从实验中总结出自由落体概念：物体只在重力作用下从静止开始的落体运动叫自由落体运动。实际上，即使是牛顿管，也存在很小的空气阻力，所以 “只有重力作用”这一条件只能无限趋近而无法实现，自由落体运动是一种理想化的运动模型。

2、 科学推理

伽利略关于落体运动的逻辑推理与归谬法可以说是物理学史上科学推理的经典，经历这一推理过程可以很好地培养学生的科学思维与批判精神。

情境4：亚里士多德关于重物比轻物下落得快的论断一直被世人奉为经典，直到二千多年后被用伽利略用逻辑推理推翻，现在让我们也来当一回伽利略，重温其推理过程，挑战亚里士多德的权威：假定一个大铜球下落的速度为8，一个小铜球从同样高度下落的速度为4，当把二个球捆在起时，请大家分析落地时的大球速度和整体的速度，你会得出怎样矛盾的结果呢？

3、 科学论证

在推理、分析等过程中，学生已经对自由落体运动有了充分的定性认识，但依然有不少学生觉得定性推理缺乏说服力，为此，我们需要借助实验及其数据进行论证。

情境5：各小组参照图1安装打点计时器，并从获取的纸带上求出重物下落时的加速度值，随后，教师从学生中挑出二组数据利用EXCEL表格的“添加趋势线”和“显示公式”功能在大屏上画出二条几乎重叠的直线，求出它们的加速度值都约为9.45m/s2，，即不同重物下落的加速度在误差范围内是相等的，重物与轻物下落得一样快。

情境6：有学生对实验中的数据提出质疑。

生甲：为什么各实验小组测得的重力加速度都比9.8m/S2要小，而没有出现比它大的值？

师：由于纸带受到摩擦阻力和空气阻力的作用明显，重物下落的加速度比实际的重力加速度9.8m/S2要小很多，譬如9.4 m/S2甚至更小，即使有实验误差，也不会导致实际测量值超过这个理论值，一旦超过了这个值，基本可以断定不是误差引起的，而实验中出现了错误或不当。

生乙：G=mg中的g与重力加速度g的数值都是9.8，它们是同一个量吗？为什么单位又不一样呢？

师：这二个g其实是同一个物理量，即重力加速度，单位N/Kg与m/s2也是同一个单位，重力G实质是力F，重力加速度g实质是加速度a，所以G=mg就是F=ma的特殊形式，而F=ma是第四章中要学的牛顿运动定律的简式。

显然，二位同学的思维倾向不同，甲同学从观察到的数据中发现了隐藏的规律，擦碰出欲求其因而不得的求知火花，思维的发散性明显，物理学史上曾出现过多个源于对数据质疑的重大发现;乙同学通过新旧知识的对比发现了“问题”，这是基于依据的质疑，有思维聚焦的迹象，是发现物理学规律的又一重要途径。这二位同学都具有科学探究问题的潜质，体现了良好的科学思维品质。物理课应鼓励学生大胆质疑，使学生从敢质疑到能质疑，最后会质疑。

5、创新

情境7：教师通过提出问题激发学生创新。

师：图1装置测得的g值的误差较大，主要来自于摩擦阻力，我们能否设计出更好的实验方案来减小实验误差？

生丙：用秒表测定重物下落的时间，测出下落的高度，用X= 2算出重力加速度g。

生丁： 手机里有加速度传感器，让手机自由落体掉到软的物体上，可直接读出加速度值。

生戊：若用二只光电门分别测出重物下落过程中二个位置的速度及二个光电门间的时间，则用a的定义式可测得重力加速度g，误差应该会更小。

对同一问题的不同回答折射出三种创新的境界，其中丁同学的答案与书本的“做一做”相同，排除引用书本的可能，不得不承认这位同学思维很开阔，且不受课堂教学的禁锢，能灵活应用周边的工具，是三位同学中创新度最高的;丙和戊二位同学按部就班，都变换了测时间的实验器材，但丙同学减小了来自摩擦的阻力但却增加了测量时间的误差，这是典型的操作理想化错误，而戊同学兼顾了影响实验误差的多重因素，虽然创新度不如丁同学，但却是最合理的方案。

合理的课堂情境的设计有利于学生科学思维的培养，将情境融入到课堂教学是新课程改革的需要，也是时代发展的必然趋势，其推广和实施还需要广大教师的共同努力。

参考文献：

[1]郑蔚青 邓飞.基于科学思维的物理情境教学—以“法拉第电磁感应定律”为例.中学物理教学参考2021年第3期

[2]周浅 刘艳妮.基于“科学思维”培养的深度教学—以“牛顿第一定律”为例.中学物理教学参考2021年第2期

[3]林家妍.基于核心素养的科学论证课堂教学设计—以“平面镜成像”为例.中学物理教学参考2021年第9期17E05FE1-08F9-4CCC-8ADA-1A1A410371C9