高中物理概念教學中巧設情境力促科學思維形成

李寧

摘? ?要：概念教學是物理課堂教學的重要組成部分，科學思維是培養學生物理核心素養的關鍵要素，任何物理概念的形成都離不開物理思維。文章通過詳實的教學案例，著重論述了利用情境創設的方法以概念的形成過程為主線，讓學生經歷物理概念的生成過程以促進學生科學思維水平發展。

關鍵詞：物理概念；科學思維；情境創設；核心素養

引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出：科學思維是物理學科核心素養的核心內容[ 1 ]。物理概念作為物理學科的基石，在高中物理教學中占有非常重要的位置。建構主義理論給我們最大的啟示在于學習情境的創設，優質的學習情境不僅可以激發學生學習和思考的主動性，加深學生對抽象的物理概念的理解，還能在概念的建立過程中有效發展學生的科學思維。

筆者以高中物理必修二“勢能及其改變”這一節課的教學為例，從概念的引入、形成、應用出發，談高中物理概念教學中情境創設與物理科學思維培養的有機結合。

1? 創設生活情境，體驗建模過程

物理概念的形成源于真實的情境，而現實中的物理情境較為復雜，為了便于分析和解決問題，學生需根據教師創設的情境展開思考，提取歸納情境中的重點，將情境進行抽象從而建構物理模型。以上過程可以有效激發學生的建模意識。如在“重力勢能”概念引入環節，筆者引用了當時“熱度”甚高的北京冬奧會的場景，很快便吸引了學生的注意力。

情境1：以蘇翊鳴和谷愛凌奪冠瞬間的畫面創設情境

提出問題：“兩位選手要完成如此高難度動作需要具備哪些條件？如何才能獲得足夠大的起跳速度？大家有注意到滑雪賽道有什么特點嗎？大跳臺的垂直高度（17層樓高）為什么要修建的如此高？

情境2：多媒體課件展示賽道的靜態圖片（實際情境）和運動軌跡簡化圖（物理模型）對比。

【設計意圖】高一學生對事物的認知處于從形象思維到邏輯思維過渡的過程。在教學中通過給學生營造一個豐富的、感性的物理情境，以情境帶問題，激發學生積極主動地進行思考并提出自己的見解?！捌鹛乃俣龋▌幽埽┬枰艽?，賽道垂直落差要夠大”，在熱烈討論中讓學生體會到物理建模的意義和方法，促發建模意識，從實際運動情境中抓住問題的本質共性“與高度有關的能量”。在這些過程中，學生的抽象、歸納、總結能力和模型建構的科學思維都能得到有效發展。

2? 創設問題情境，提升科學推理及論證能力

科學思維形成于科學實踐，在解決科學問題中起到決定性的作用，學生的科學思維素養在問題的解決過程中體現。

如在“重力做功”及“重力勢能”的教學中，從勢能的外延入手，通過創設一系列有層次的問題鏈促使學生主動思考，不斷開展推理、演繹與論證，進而形成物理概念，這樣既能培養學生的科學思維，又在一定程度上保證了物理課堂的容量。

問題1：重力勢能的表達式是什么？能否利用已學的知識推導得出？

問題2：能量的轉化可以通過什么方式來實現？

引導過渡：重力勢能的大小與高度有關，而當物體的高度發生變化時，重力就要做功，因此認識重力勢能不能脫離對重力做功的研究。

問題3：小明從三樓走到一樓，哪種方式他的重力做功最少？（配圖展示三種樓梯：升降機、手扶電梯、旋轉樓梯）

問題4：（如圖1）質量為 m 的小球從 A 位置（高度h1）運動到 B 位置（高度h2），則物體的重力做功表達式WG = ？（g已知）

問題5：物體沿曲線運動（類型3），用已有知識能求出重力做功嗎？該如何處理？

問題6：回憶前面學習過的方法，是否可以“化曲為直”？如何做？

教師引導：將整個路徑化分成許多很短的間隔。

問題7：怎么進一步計算重力的做功W=W1+ W2+ W3+…

【設計意圖】 教學中以學生的最近發展區為起點，將情境與問題鏈的創設相結合，引導學生自主構建物理模型討論物體沿三種路徑向下運動的重力做功情況，利用極限思想嚴格證明重力對物體做功與路徑無關，分析得出“mgh”是一個具有特殊意義的物理量，定量得出重力勢能表達式。密集的問題設置兼具針對性和啟發性，前一個問題為后一個問題提供了思維起點，最終串成思維鏈條。在這個概念形成過程中，學生不僅學會用抽象的符號表達物理現象，其邏輯分析和推理論證能力都得到了快速提升。

3? 創設學習探索情境，激發創新思維

推理是科學思維的基本形式，也是知識創新的必然過程，在初步完成概念建立后，有針對性地創設實例情境引導學生進行自主理論探究，學生不僅可以感悟和體驗概念的應用，還可以在逐步完善概念構建的過程中實現科學思維能力的螺旋式上升。

3.1? 質疑討論，完善概念

實例探究1（重力勢能的相對性）：多媒體展示情境——世界頂級設計的宛若游龍賽道。

雪車雪橇項目被譽為冰雪運動中的“F1賽車”，是冬奧會速度最快的項目，專業性極強。國家雪車雪橇中心賽道起點海拔高度1017 m，終點海拔高度896 m，垂直高度差121 m，相當于47層樓高。最高設計時速134.4 km，堪稱北京冬奧會最快賽道（如圖2）。若運動員的質量為50 kg， 起點與終點間垂直高度為121 m，起點與出發區2間垂直高度為69 m，g=10 m/s2。則：

問題1：當運動員在起點處時的重力勢能大??？（學生分組計算）

問題2：相對終點，運動員的重力勢能是多少？相對“出發區2”，運動員的重力勢能是多少？

【設計意圖】 通過真實的學習探究情境“雪游龍賽道”提出具體問題，旨在讓學生應用本節課的核心概念，進行建模、推理、論證，激發創新思維，具體如下：

（1）學生在解決問題1時，關于高度h的數值代入，出現意見分歧，產生認知沖突；

（2）進而學生發現，由于沒有說明物體的高度是以什么位置為零高度（參考面的選取不同），故計算沒有唯一的結果。

（3）學生解決問題2后，發現重力勢能具有相對性（h是相對零勢能參考面的高度），因此在表達重力勢能時要指明勢能零點的位置，從而在加深對概念本質的理解同時有效促進質疑創新思維。

3.2? 拓展訓練，深化概念

實例探究2 （重力勢能與重力勢能改變的區別）：利用上述真實滑雪情境構建模型（如圖3）進行拓展訓練：

問題1：分別選取圖中A、B、C所在平面為參考面，結合數據寫出質量為m的運動員在各位置的勢能大小和運動員從起點A運動到終點C過程中重力勢能變化量。

問題2：將前兩問結果填入表1中并分析重力勢能Ep與重力勢能的變化量ΔEp的區別。

【設計意圖】 進一步引導學生進行更深層的實例探究，將重力勢能概念進行延伸拓展，學生經過對本實例分析、推理、質疑、探討得出ΔEp=mgh中“h”含義即高度差，并通過對比發現ΔEp與Ep 表達式中的“h”本質的區別；不僅深化了學生對重力勢能相對性的理解，還促使學生自主發現概念之間的聯系與區別，能有效訓練學生質疑創新能力。

實例探究3（探究概念之間關系）：在實例2基礎上提出新問題創設實例如下：

問題1：利用上例表格中數據，計算在整個下落過程中運動員所受重力做功WG的大小。

學生計算得出：WG均為60500 J。

問題2：觀察分析WG 、ΔEp 、Ep 之間關系，這幾個物理量是否與參考面的選取有關？

問題3：若下落過程中有空氣阻力，問題2中三個量的數據是否會變化？

【設計意圖】? 本實例建立在前兩個實例基礎上，對學生的科學思維能力提出更高要求，學生需要明確每個物理概念的內涵，再將結果進行對比分析、體會重力勢能概念內涵和外延，理清概念之間（Ep與ΔEp，Ep與WG，WG與ΔEp）的關系，自主得出結論。

思維拓展1（保守力做功特征）：重力做功與路徑和參考面都無關，其他力（如摩擦力）做功是否也有這種特點？學生聯系前后知識對比發現重力做功的特殊性，教師順勢引導出“保守力”的概念。

思維拓展2（勢能的系統性）：結合定義式Ep=mgh提出問題：重力勢能是誰具有的？物體m的還是地球的？讓學生思考并探討得出Ep是物體和地球共同具有的。

通過以上學習探索情境創設，學生圍繞重力勢能這一核心概念，在逐級遞進的實例探究中，不斷地產生新質疑，提出新問題，解決新問題，將前概念學習中的思維和方法進行合理遷移，不僅有效地完善和拓展了概念本質，更在概念的應用中有效實現了學生的創新思維發展。

4? 結束語

當然，一堂課的思維訓練，不可能盡善盡美，但只要教師有訓練學生思維的意識，并在日常物理概念教學中積累素材資源，通過巧妙的情境創設，精心設計問題鏈，讓學生在具體的實例探究中逐步具備模型構建，遷移運用，合理歸納、演繹、類比等科學推理能力，深化對概念的理解和應用，滲透科學思維訓練的方法，對學生科學素養的形成必定會起到積沙成塔的效應。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[S] 北京：人民教育出版社，2017.