从核心问题的探究中发展学生科学思维公开课.docx

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1、从核心问题的探究中发展学生科学思维以“万有引力定律”教学为例作者：林辉庆/蔡铁权作者简介：林辉庆（1962-），男，杭州市余杭高级中学，浙江省特级教师，正高级教师，主要从事高中物理课程内容研究与课堂教学工作（浙江杭州311100）；蔡铁权，浙江师范大学物理与电子信息工程学院物理系（浙江金华321004）o原发信息：物理教学探讨（重庆）2023年第202312期第11T5,23页内容提要：根据我们的长期研究和实践探索，发现完全由教师提出课堂探究的问题存在着诸多弊端。课堂探究必须确定并围绕学生学习中的核心问题进行，才能促进学生的发展。为此，以“万有引力定律”为教学案例，示范如何确定并围绕核心问题进

2、行探究，并分析其对发展科学思维的作用。关键词：核心问题/探究/科学思维/教学案例期刊名称：中学物理教与学复印期号：2023年04期探究教学的理念已为广大一线教师所接受，在各种公开课和发表的教学设计中，教师都会创设情境，力图让学生以探究的方式进行学习。探究的首要环节是确定探究的问题，而正是在这一点上，实际课堂中存在着很大的问题，那就是探究的问题几乎都是由教师课前预设再在课堂中直接提出的。这至少存在如下几个弊端。第一，教师所提的问题可能与学生的实际问题不吻合。教师基本上是从作为认识结果的知识体系角度提出问题的，而学生学习新知识还必然会产生一些与知识生成过程有关的问题，这就容易出现这样的情况：教师所

3、提的问题，对学生来说可能很容易或者根本就不是一个问题，而学生真正遇到的问题，教师却不会涉及。例如，在“万有引力定律一节中，教科书详细分析了从太阳与行星间的引力跟行星的质量成正比到这个引力跟太阳与行星的质量乘积成正比的推理过程，大多数教师上课时也在此处花了很多时间。而事实上，学生在此处的困惑不在于理解这个推理，而在于为什么要作这个推理（见后面案例）。第二，不利于发展学生发现问题、提出问题这一最重要的科学探究能力。能力只有在需要能力的活动中才能得到培养，而完全由教师提出探究的问题，那就剥夺了学生发现问题、提出问题的机会。第三，不利于学生在学习中获得积极的情感体验。当学生所提的问题被教师和同学重视时

4、，会获得积极的情感体验，自然也就进入到积极主动的探究状态。由教师提出问题，学生就不能获得这种情感体验。在此基础上，经过我们的研究，并在实践中多次验证，提出我们的认识。（一）学生学习中的核心问题学习是一个自主建构的过程，学生在学习中只有不断地解决自己遇到的问题，才能建构起属于自己的知识。学生在学习中会遇到很多问题,有些问题自己能够解决，有些问题自己在短时间内无法解决。后者又分几种情况：有些问题如果得不到解决，学生将不能很好地理解甚至无法理解当前的学习内容；有些问题解决不了不会直接影响对当前学习内容的理解；有些问题虽然超出了当前学习内容的范围，但当前有条件解决，解决了这种问题，能极大地满足学生的求

5、知欲，能使学生对当前的学习内容乃至物理和物理研究获得更深刻的理解。学生学习中真正遇到的、他们自己无法解决的、如果解决不了就不能真正理解当前学习内容的问题，或者虽然超出了当前学习内容，但得到解决后能对学习内容乃至物理和物理研究获得更深刻理解且当前有条件解决的问题，就是学生学习中的核心问题。（二）确定核心问题要确定核心问题，首先要重视学生的问题,应该让学生处于主动的学习状态，发挥自主学习能力，鼓励学生主动提出问题。其次要广泛了解学生的问题，这可以通过学生问题上交、课堂互动和教学经验积累等途径达到。最后要甄别学生的问题，根据教学目标、学生的认知规律、以往的教学经验?教学资源条件等，判断出那些具有普遍

6、性的、对于理解学习内容和提高物理学科核心素养具有重要意义的问题，它们就是学生学习中的核心问题。核心问题是学生学习中遇到的且对学生的学习和发展重要的问题，课堂探究应该围绕核心问题进行。从教师角度讲，探究核心问题，教学的力量自然作用于学生的最近发展区，能真正做到教学走在学生发展的前面，对学生的发展起促进作用。从学生角度讲，核心问题是学生自己的问题，他们能积极主动地参与探究，解决了这些问题，也就理解了相关的知识，培养了相应的能力，提高了有关的素养。二、核心问题探究案例万有引力定律”的教学(一)教学方案本节内容的教学用2课时，教学方案分成自主学习与课堂研讨两部分。1自主学习在上一课时行星的运动”结束时

7、，布置学生课外自学教科书中万有引力定律一节口。要求学生通过学习回答如下问题，并提出自己学习中的疑难问题。(1)从哪些前提、如何推出太阳对行星的引力跟行星质量成正比、跟距离平方成反比？(2)如何推测行星对太阳的引力跟太阳的质量成正比？(3)月一地检验有几个环节？各个环节的具体内容是什么？(4)万有引力定律的内容是什么？它的发现有什么重大意义？(5)人们如何通过测量G值证明万有引力定律是正确的？卡文迪许扭秤实验采用了哪些巧妙的方法放大引力的作用效果？各学习小组的组长收集本组学习中的疑难问题，在下节课前上交教师。指定5个学习小组，在全面学习的基础上分别重点解决(1)(5)中的一个问题，并推举一人在下

8、节课向全班讲解本小组重点研究的问题。2 .课堂研讨先是5个小组按顺序用自选的方式向全班讲解本小组重点研究的问题。每一组讲解后，其他同学可以对讲解的内容进行提问。随后，教师投影课前收集的较有意义的疑难问题，组织学生重点研讨核心问题。(二)教学过程1学生讲解各小组能够顺利地讲解本组重点研究的问题。例如，学生能理清月一地检验的思路(如图1)。3 .确定核心问题学生提出了很多疑难问题，对学习较有意义的问题如下2。(1)万有引力是如何产生的？(2)课本中指出：牛顿深入思考了月球受到的引力与地面物体受到的引力的关系。正是在这个过程中，力与加速度的关系在牛顿的思想中明确起来了。口这就是说，在此之前，牛顿第二

9、定律还没有建立起来，那前面怎能用它推导行星与太阳之间的引力？(6)既然行星对太阳也有吸引力，那么太阳是否运动？如果运动，课本中推出的结论还成立吗？(7)两个物体之间的距离r0时，万有引力趋于无穷大吗？如果一个物体在地球中心，地球对它的引力是多少？(8)引力与距离的平方成反比的结论是从行星做圆轨道运动推出的，对行星做椭圆轨道运动也适用吗？可以看出，学生所提的问题基本上都是书面知识背后的问题或进一步的问题，教师一般不会主动涉及。问题(4)(5)从万有引力定律的建立过程涉及引力的“万有性质，学生只有解决了这两个问题，才能真正理解引力是万有的。问题(7)有关万有引力定律的适用条件，是学生必须掌握的。问

10、题(8)虽然超出了教科书的范围，但解决这个问题对学生意义重大。因为上一节行星的运动”指出，开普勒的重大贡献之一在于发现行星绕太阳沿椭圆轨道运动，而并非必然是最完美、最和谐的匀速圆周运动”，因此证明行星沿椭圆轨道运动也是受与距离平方成反比的引力作用的结果在理论上是必要的，并且这是学生的兴趣所在。而利用信息课中已学习的Exce1工作表，能让学生看到行星受与距离平方成反比的引力作用沿椭圆轨道运动，这能在一定程度上解决问题(8)。综上分析，问题(4)(5)(7)(8)是值得课堂探究的核心问题。4 .探讨核心问题下面重点介绍对核心问题(4)(5)和(8)的课堂探讨。对问题（4）,教师问：你们是不是认为I

11、_!中的I_时所有行星都相同，这已经完全解决了太阳对行星的引力问题，没有必要再研究F与太阳质量的关系了？较多学生点头。教师也附和：这确实已经解决了太阳对行星引力的问题。学生1:由相互作用的对称性自然会想到FJ一限正比。（部分学生赞同）学生2:考虑FJ_/关系，才能把结论推广到其他情况。教师：这一点很重要。历史上，牛顿大约在1665年开始思考引力问题，到1680年还与其他科学家一样，把平方反比规律看成是只有太阳系才遵守3。努力拓展新发现规律的适用范围，是科学研究的重要方面。这时有学生再次提出问题（5）。教师：这确实是个问题。在牛顿时代是没有办法直接比较太阳对行星的力与地球对月球的力，因而不能确定

12、这两个比例系数是相同的。谁有自己的看法吗？没有学生回答。教师：其实，在当时认为这两个系数相同也是一个假设，只是后来从这个假设出发推出的结论与事实一致，这个假设也就得到了证实。教师进一步指出：假设一推理T佥验”是重要的科学研究方法。历史上，牛顿在探究引力作用规律时，牛顿第二定律也还是一个假设，直到牛顿成功地解释行星的椭圆轨道运动和地球的扁率等事实，尤其是哈雷用万有引力定律成功地预测哈雷彗星的回归时间，牛顿运动定律与万有引力定律才得以真正的确立并被普遍接受3。顺带解决了问题（2）突然有学生提出：卡文迪许和随后的人们测量了多种物体间的引力，计算出的G都相同，这是直接的证明。（很多学生感叹：对呀！）有

13、学生质疑：行星对太阳有引力作用，太阳为什么不运动？即问题（6）教师：太阳受行星吸引确实是要运动的，只是由于太阳的质量远大于行星的质量，所以太阳的运动较小，不易观察到。假如太阳系中只有一个行星，太阳与这个行星是绕着共同中心转动的,这就叫双星.同学们可以先学习百度百科中的双星条目，我们会在后续课程中进一步学习这个问题。在第1课时将结束时,教师引导学生研究问题（8）。教师：牛顿当年用微积分严格地证明了行星受与距离平方成反比的引力作用能做椭圆轨道运动，才无可争辩地成为引力定律的发现者。现在，我们虽然还不能从理论上作严格的证明，但可以利用Exce1工作表用微元法画出行星的椭圆运动轨迹。布置课外作业：列出

14、计算_1.坐标的式子，要求能尽量减小计算的误差。下节课到计算机房，用自己所列的式子在电脑上描绘行星轨迹。第2课时开始时，投影两个学习小组列出的计算_I坐标的式子，通过讨论、修改，统一到如下的计算方法：t=0时行星的加速度：（三）教学说明1设计依据学生已经掌握学习本节内容的前提性知识，并且作为高中学生，具有较强的自学能力，因此让学生通过自学教科书把握本节的基本内容，课堂中重点探讨学习中的疑难问题，能很好地提高教学效果与效率。为了使学生的自学不流于字面，教师要求他们自学后回答本节内容的5个基本问题，并鼓励他们提出疑难问题。2.非核心问题的教学处理对学生提出的非核心问题，教师不能置之不理，而应结合教

15、学过程以恰当的既不过多占用课堂时间又能保护学生学习积极性的方式加以回应。一般可以采用如下三种方式回应。第一，教师直接作出简要的回答。如对问题(1),教师可以这样回应：这是一个重要的科学问题,牛顿当时也没有解决。后来法拉第、麦克斯韦等人的研究证明了电磁力是通过电磁场发生的，电磁场的传播就是电磁波。此后，人们认为引力也是通过引力场发生的，1916年爱因斯坦预言存在引力波，2016年科学家宣布探测到了一个引力波信号。不过直到现在，人们对引力场的认识还十分有限。第二，纳入核心问题的探究之中。核心问题必然联系着若干一般性问题，解决了核心问题，也就同时解决了相关的一般性问题。如对问题(2)的处理。第三,为学生指示进一步学习的路径。告知学生到哪里获取何种资料对问题作进一步的了解，如对问题(6)的处理；或要求物理能力较好的学生研究这个问题，然后张贴、投影或讲解解决过程等。三、核心问题探究促进科学思维发展科学思维的方式、方法和能力，形成、发展并运用于科学探究活动。核心问题是学生重要且感兴趣的问题，他们乐于投入探究。因此，对核心问题的探究能有力地促进科学思维的发展。(-)激发提问本能，发展提问意识与能力思维总是从提出问题开始的。问题意识和提问能力是重要的科学思维能力