高中物理概念教学中巧设情境力促科学思维形成

李宁

摘   要：概念教学是物理课堂教学的重要组成部分，科学思维是培养学生物理核心素养的关键要素，任何物理概念的形成都离不开物理思维。文章通过详实的教学案例，着重论述了利用情境创设的方法以概念的形成过程为主线，让学生经历物理概念的生成过程以促进学生科学思维水平发展。

关键词：物理概念；科学思维；情境创设；核心素养

引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：科学思维是物理学科核心素养的核心内容[ 1 ]。物理概念作为物理学科的基石，在高中物理教学中占有非常重要的位置。建构主义理论给我们最大的启示在于学习情境的创设，优质的学习情境不仅可以激发学生学习和思考的主动性，加深学生对抽象的物理概念的理解，还能在概念的建立过程中有效发展学生的科学思维。

笔者以高中物理必修二“势能及其改变”这一节课的教学为例，从概念的引入、形成、应用出发，谈高中物理概念教学中情境创设与物理科学思维培养的有机结合。

1  创设生活情境，体验建模过程

物理概念的形成源于真实的情境，而现实中的物理情境较为复杂，为了便于分析和解决问题，学生需根据教师创设的情境展开思考，提取归纳情境中的重点，将情境进行抽象从而建构物理模型。以上过程可以有效激发学生的建模意识。如在“重力势能”概念引入环节，笔者引用了当时“热度”甚高的北京冬奥会的场景，很快便吸引了学生的注意力。

情境1：以苏翊鸣和谷爱凌夺冠瞬间的画面创设情境

提出问题：“两位选手要完成如此高难度动作需要具备哪些条件？如何才能获得足够大的起跳速度？大家有注意到滑雪赛道有什么特点吗？大跳台的垂直高度（17层楼高）为什么要修建的如此高？

情境2：多媒体课件展示赛道的静态图片（实际情境）和运动轨迹简化图（物理模型）对比。

【设计意图】高一学生对事物的认知处于从形象思维到逻辑思维过渡的过程。在教学中通过给学生营造一个丰富的、感性的物理情境，以情境带问题，激发学生积极主动地进行思考并提出自己的见解。“起跳的速度（动能）需要很大，赛道垂直落差要够大”，在热烈讨论中让学生体会到物理建模的意义和方法，促发建模意识，从实际运动情境中抓住问题的本质共性“与高度有关的能量”。在这些过程中，学生的抽象、归纳、总结能力和模型建构的科学思维都能得到有效发展。

2  创设问题情境，提升科学推理及论证能力

科学思维形成于科学实践，在解决科学问题中起到决定性的作用，学生的科学思维素养在问题的解决过程中体现。

如在“重力做功”及“重力势能”的教学中，从势能的外延入手，通过创设一系列有层次的问题链促使学生主动思考，不断开展推理、演绎与论证，进而形成物理概念，这样既能培养学生的科学思维，又在一定程度上保证了物理课堂的容量。

问题1：重力势能的表达式是什么？能否利用已学的知识推导得出？

问题2：能量的转化可以通过什么方式来实现？

引导过渡：重力势能的大小与高度有关，而当物体的高度发生变化时，重力就要做功，因此认识重力势能不能脱离对重力做功的研究。

问题3：小明从三楼走到一楼，哪种方式他的重力做功最少？（配图展示三种楼梯：升降机、手扶电梯、旋转楼梯）

问题4：（如图1）质量为 m 的小球从 A 位置（高度h1）运动到 B 位置（高度h2），則物体的重力做功表达式WG = ？（g已知）

问题5：物体沿曲线运动（类型3），用已有知识能求出重力做功吗？该如何处理？

问题6：回忆前面学习过的方法，是否可以“化曲为直”？如何做？

教师引导：将整个路径化分成许多很短的间隔。

问题7：怎么进一步计算重力的做功W=W1+ W2+ W3+…

【设计意图】 教学中以学生的最近发展区为起点，将情境与问题链的创设相结合，引导学生自主构建物理模型讨论物体沿三种路径向下运动的重力做功情况，利用极限思想严格证明重力对物体做功与路径无关，分析得出“mgh”是一个具有特殊意义的物理量，定量得出重力势能表达式。密集的问题设置兼具针对性和启发性，前一个问题为后一个问题提供了思维起点，最终串成思维链条。在这个概念形成过程中，学生不仅学会用抽象的符号表达物理现象，其逻辑分析和推理论证能力都得到了快速提升。

3  创设学习探索情境，激发创新思维

推理是科学思维的基本形式，也是知识创新的必然过程，在初步完成概念建立后，有针对性地创设实例情境引导学生进行自主理论探究，学生不仅可以感悟和体验概念的应用，还可以在逐步完善概念构建的过程中实现科学思维能力的螺旋式上升。

3.1  质疑讨论，完善概念

实例探究1（重力势能的相对性）：多媒体展示情境——世界顶级设计的宛若游龙赛道。

雪车雪橇项目被誉为冰雪运动中的“F1赛车”，是冬奥会速度最快的项目，专业性极强。国家雪车雪橇中心赛道起点海拔高度1017 m，终点海拔高度896 m，垂直高度差121 m，相当于47层楼高。最高设计时速134.4 km，堪称北京冬奥会最快赛道（如图2）。若运动员的质量为50 kg， 起点与终点间垂直高度为121 m，起点与出发区2间垂直高度为69 m，g=10 m/s2。则：

问题1：当运动员在起点处时的重力势能大小？（学生分组计算）

问题2：相对终点，运动员的重力势能是多少？相对“出发区2”，运动员的重力势能是多少？

【设计意图】 通过真实的学习探究情境“雪游龙赛道”提出具体问题，旨在让学生应用本节课的核心概念，进行建模、推理、论证，激发创新思维，具体如下：

（1）学生在解决问题1时，关于高度h的数值代入，出现意见分歧，产生认知冲突；

（2）进而学生发现，由于没有说明物体的高度是以什么位置为零高度（参考面的选取不同），故计算没有唯一的结果。

（3）学生解决问题2后，发现重力势能具有相对性（h是相对零势能参考面的高度），因此在表达重力势能时要指明势能零点的位置，从而在加深对概念本质的理解同时有效促进质疑创新思维。

3.2  拓展训练，深化概念

实例探究2 （重力势能与重力势能改变的区别）：利用上述真实滑雪情境构建模型（如图3）进行拓展训练：

问题1：分别选取图中A、B、C所在平面为参考面，结合数据写出质量为m的运动员在各位置的势能大小和运动员从起点A运动到终点C过程中重力势能变化量。

问题2：将前两问结果填入表1中并分析重力势能Ep与重力势能的变化量ΔEp的区别。

【设计意图】 进一步引导学生进行更深层的实例探究，将重力势能概念进行延伸拓展，学生经过对本实例分析、推理、质疑、探讨得出ΔEp=mgh中“h”含义即高度差，并通过对比发现ΔEp与Ep 表达式中的“h”本质的区别；不仅深化了学生对重力势能相对性的理解，还促使学生自主发现概念之间的联系与区别，能有效训练学生质疑创新能力。

实例探究3（探究概念之间关系）：在实例2基础上提出新问题创设实例如下：

问题1：利用上例表格中数据，计算在整个下落过程中运动员所受重力做功WG的大小。

学生计算得出：WG均为60500 J。

问题2：观察分析WG 、ΔEp 、Ep 之间关系，这几个物理量是否与参考面的选取有关？

问题3：若下落过程中有空气阻力，问题2中三个量的数据是否会变化？

【设计意图】  本实例建立在前两个实例基础上，对学生的科学思维能力提出更高要求，学生需要明确每个物理概念的内涵，再将结果进行对比分析、体会重力势能概念内涵和外延，理清概念之間（Ep与ΔEp，Ep与WG，WG与ΔEp）的关系，自主得出结论。

思维拓展1（保守力做功特征）：重力做功与路径和参考面都无关，其他力（如摩擦力）做功是否也有这种特点？学生联系前后知识对比发现重力做功的特殊性，教师顺势引导出“保守力”的概念。

思维拓展2（势能的系统性）：结合定义式Ep=mgh提出问题：重力势能是谁具有的？物体m的还是地球的？让学生思考并探讨得出Ep是物体和地球共同具有的。

通过以上学习探索情境创设，学生围绕重力势能这一核心概念，在逐级递进的实例探究中，不断地产生新质疑，提出新问题，解决新问题，将前概念学习中的思维和方法进行合理迁移，不仅有效地完善和拓展了概念本质，更在概念的应用中有效实现了学生的创新思维发展。

4  结束语

当然，一堂课的思维训练，不可能尽善尽美，但只要教师有训练学生思维的意识，并在日常物理概念教学中积累素材资源，通过巧妙的情境创设，精心设计问题链，让学生在具体的实例探究中逐步具备模型构建，迁移运用，合理归纳、演绎、类比等科学推理能力，深化对概念的理解和应用，渗透科学思维训练的方法，对学生科学素养的形成必定会起到积沙成塔的效应。

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版）[S] 北京：人民教育出版社，2017.