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以问题为导向的物理教学浅探

范文

刘兴

[摘要]采用以问题为导向（ Problem-Based Learning）的教学模式开展教学，需要教师能够把控课堂教学中最重要的资源——学生。实际教学中，教师可以通过情境设计问题，引导学生从观察生活现象、实验现象出发，引导学生学习相关物理知识。文章以“自由落体运动”教学为例，对以问题为导向的物理教学进行分析。

[关键词]以问题为导向;自由落体运动;物理教学

[中图分类号]G633.7

[文献标识码] A

[文章编号] 1674-6058（ 2020） 35-0040-03

一、以问题为导向的教学模式

以问题为导向（Problem-Based Learning，以下简称PBL）的教学模式是在教学过程中，以问题为中心，以学生小组合作讨论解决问题的方式开展教学[1]。自然界中的落体运动纷繁复杂，在这些现象的背后竟然隐藏着简洁的规律，让我们不得不感叹自然界的神奇，不得不佩服科学家敏锐的洞察力。学生面对真实复杂的落体运动，在教师指导下，通过自主探究、小组合作构建自由落体运动的理想模型，在不断探索总结的过程中，主动建构新知，发展关键能力。

二、PBL课堂教学设计思路

PBL课堂教学设计思路如图l所示。

在PBL课堂教学中教师仿佛是项链设计师，根据教学目标，拟定主题，设计好各教学环节，费尽心思将这些环节、主题打磨成精致的一颗颗“珠宝”，串起来成为一条美丽的“项链”。同一个主题，项链设计师总能设计出不同且惊艳的款式;同一节课，教师也要有能力打造出不同魅力的课堂。自由落体运动是对生活中常见的落体运动的观察和研究后得出的理想模型，它源于生活，高于生活。通过情境设计问题，引导学生从观察生活现象和实验现象出发，不断探索，不断总结，直至理想模型的建立，形成物理观念。如何引导学生利用已经掌握的知识巧妙设计实验，研究物体自由下落规律，体验探究过程并获得相应规律，是本节课的难点，也是培养学生科学探究、科学思维素养的抓手。鼓励学生把所学知识运用于实际问题，学以致用则是本节课的目的。让学生主动参与探究实验设计、数据处理等环节，让学生在实验探究过程中，逐步建构新的知识，在新的情境中運用自由落体运动规律。

三、基于PBL的“自由落体运动”课堂教学实践

1.创设情境，生成问题

[环节一]展示常见的落体运动。

[问题]伟大的哲学家亚里士多德对落体运动有怎样的观点？

[学生设计实验]通过实验证明“重的物体比轻的物体下落快”是错误的。

[教师演示实验]两根外形几乎一样的羽毛下落快慢不一样，引发学生思考。

[问题]提出疑惑：两根羽毛所受的空气阻力近似相同，重的羽毛比轻的羽毛下落快，也就说明亚里士多德的观点是正确的，对不对？

[设计意图]落体运动是自然界中比较普遍的现象，学生的前概念里已经有了轻重不同的物体同时落地的印象，认为亚里士多德的说法都是错误的，通过实验引发认知冲突，发现物体的下落是非常复杂的，亚里士多德的观点也是符合很多实验现象的，通过演示实验认识到空气阻力对轻重不同物体的影响程度不一样，使学生认识到空气阻力是影响轻重不同物体下落快慢的因素，培养学生的批判性思维。

2.问题分层，细化过程

[问题]当物体所受的空气阻力跟它的重力相比非常非常小时，轻重不同的物体下落快慢是怎样的呢？

[牛顿管演示实验]（1）里面有空气;（2）当场抽出部分空气;（3）再次抽出更多空气;（4）播放央视视频，慢放镜头，对比羽毛和铁球下落快慢;（5）播放视频：月球上铁锤、羽毛自由下落。

[学生总结]观察实验，进一步感受轻重不同物体下落快慢的影响因素，总结自由落体运动概念。

[问题]生活中是否有自由落体运动？

[设计意图]通过现场对牛顿管抽气的对比实验，培养学生的极限思维，通过实验归纳，使学生感受“突出主要因素，忽略次要因素”的科学方法，培养学生的抽象思维能力，建立理想模型的科学思维，学生自主建构出自由落体运动的观念。虽然它是一种理想化模型，在自然界中并不真实存在。实际生活中，在重力比空阻力大得多，空气阻力对物体下落影响很小的情况下，物体从静止开始下落可以近似看作自由落体运动。举出生活中的自由落体运动实例引导学生切实体验建立物理模型的过程，提炼出物体可以看成自由落体运动的条件。

3.自主研究，探索规律

[问题]自由落体运动作为最简单的落体运动，它的运动性质是怎样的呢？

[猜想]初速度为零的匀加速直线运动。

[学生自主设计实验方案]小组合作讨论，设计实验，展示实验方案：（1）使用打点计时器;（2）使用频闪照片;（3）使用光电门。

[方案优化]（1）和学生一起梳理每种实验方案需要哪些实验器材，实验步骤是什么？优缺点有哪些？（2）指导学生分组实验：用打点计时器验证自由落体运动的性质。

4.小组合作，科学实验

[学生]小组合作，用打点计时器探究自由落体运动规律，记录实验数据，将实验数据输入电脑的excel表格，生成物体自由下落的v-t图像，展示实验结果，探讨自由落体运动的性质。

[教师]（1）巡视，指导;（2）评析各小组实验操作、实验数据等情况。

[实验结论]大量精确的实验表明，自由落体运动的确是初速度为零的匀加速直线运动。

[设计意图]（1）在协同合作中完成实验，观察思考，收集数据，分析数据，得到自由落体运动规律。培养学生观察实验现象的能力，及进行归纳和总结的能力，引导结合合理的逻辑推理，逐步掌握探索自然规律的方法，增强科学探究能力;（2）重物除了常见的铁锤，教师有意识地准备了带夹子的装满水的矿泉水瓶，通过对实验数据的对比分析，进一步强化自由落体运动观念。结合匀变速直线运动的规律设计实验验证自由落体运动性质，计算出自由落体加速度，为自由落体运动的应用打下基础。

5.问题拓展，评估反馈

[问题情境]疑案追踪：高空坠物现象被称为“悬在城市上空的痛”。近年来，高空坠物致人伤亡的案例不断见诸报端。假设有这么一起案例，一高楼某层阳台上坠下一花盆，砸坏了下面的车辆。恰好楼下有一个摄影爱好者对着天空连拍，发现有几张照片中有花盆，我们能不能根据这些有限的资料帮助警方推测花盆大概从哪里掉下的？

[学生]小组讨论，设计方案。

[教师现场实验模拟]（1）现场实验模拟情境：灯箱上面固定一个电磁铁，小铁球吸在电磁铁上。让电磁铁断电，小球自由下落。通过CoPro运动数码相机连拍。将照片导人电脑，通过PS软件的堆栈功能，将几张照片合成为一张照片。（2）提出问题：你能根据所学的知识分析小球从哪个位置下落吗？

学生小组讨论，设计方案。

根据照片分析思路：（1）可以通过照片和相机的连拍数据计算出某一小球的速度，再根据y2=2gh，计算高度^;（2）利用v=gt，h=1/2g t2计算高度^。

[设计意图]物理源自生活，实际问题的复杂性需要学生学会抓住主要因素，忽略次要因素的影响，在实验中寻找解决问题的方案。小铁球的重力比空气阻力大得多，可以忽略空气阻力的影响，小铁球的自由下落可以看成自由落体运动。带领学生经历物理模型建构，运用物理规律解决真实问题。在评估中深化了规律的应用，科学思维的培养，反馈中让学生认识高空坠物、高空抛物的危害，做一个文明人，落实新课标的要求。

四、基于PBL的课堂实践，落实物理学科核心素养的几点思考

1.基于问题导向，优化课堂教学理念

PBL展现的“以学生为中心”的教学理念，以生为本，让学生成为课堂的主体，并不是要摒弃讲授法，需要教师“精讲”。课堂教学中，教师要尽可能地满足学生自身成长的需要，尽可能创设真实情境，通过结构不良的问题让学生主动去探究，在自主学习中寻找方法，解决问题或者解决部分问题，通过小组合作中的思维碰撞，思想交融，让学生的能动性表现为积极性，真正成为课堂学习的主体。学生在自己找寻答案的过程中，教师要舍得给学生一点空间，让他自己向前走，或者让他们小组一起探索，让学生在体验中收获自己独特的感悟。教师作为学生学习的引导者和启发者，不仅仅要呈现物理知识的逻辑结构，更要让教学过程符合学生的科学认知规律，以培养学生的核心素养[3]。

PBL教学模式需要教师把握课堂教学中最重要的资源——学生。每个学生作为一个独立的生命个体，都拥有不同的有趣的灵魂，蕴含不断成长的潜能，他们在解决问题中总能呈现教师意想不到的结果，有时可能是在回答问题中流出的一丝疑惑，一分不自信，教师要能捕捉到，并以此作为自己新的灵感，再根据学生的具体情况灵活机动地调整教学，将学生打造成一颗颗闪亮的宝石。

2.基于問题导向，培养学生的关健能力

从日常的落体运动到自由落体运动模型的建立是本节课的重点之一。通过羽毛下落实验，设置认知冲突，启发学生思考发现影响物体下落快慢的因素：空气阻力。设置对比实验.引导学生思维往极限方向推进，建立理想模型，让学生体验忽略次要因素突出主要因素的哲学思想。观看央视铁球和羽毛下落视频和牛顿管实验，学生充分感受自然规律的奇妙。实际的落体运动非常复杂，它下落快慢既与物体质量有关，也与空气对物体下落影响有关，受限于当时的条件，连伟大的亚里士多德也没能研究清楚，但伽利略认为科学研究应当从最简单之处人手，于是他提出一种纯粹的落体运动——自由落体运动[4]：只受重力，不受空气阻力，且初速度为零。自然界中的落体运动纷繁复杂，在这些现象的背后竟然隐藏着如此简洁的规律，让我们不得不感叹自然界的神奇，不得不佩服科学家敏锐的洞察力。让学生充分体验、感悟自由落体运动模型的建立，引发学生心灵的震撼，培养学生的洞察力。

3.基于问题导向，设置情境，巧设实验释惑

得出自由落体运动规律后，通过例题巩固新知是常用的方法。本节课笔者创设的高空坠物和高空抛物情境是生活中的热点问题，通过疑案追踪，让学生真实感受物理来源于生活，又可以应用物理规律解决实际问题。通过相机拍摄的照片推导物体从哪里下落，涉及的分析过程比较复杂，学生很难讨论出结果。巧妙设计小球下落实验，当场通过PS软件堆栈功能将几张小球照片合成为一张照片时，你能听到学生的惊叹声，在这种活跃的课堂氛围中，学生解决问题的意愿高涨，进而有效提高教学效果。建构主义学习理论强调：学生应该主动获取、加工和重组知识，而不应成为知识的被动接受者。教师应当努力让学生的物理学习过程变成科学发现之旅，并从中体验科学之美，积淀物理素养。

[参考文献]

[1]Linda Torp，Sara Sage.基于问题的学习：让学习变得轻松有趣[M].北京：中国轻工业出版社，2004.

[2]周后升.基于物理学科核心素养的课堂渗透：以PBL导向下“牛顿第三定律”的教学为例[J].物理通报，2018（2）：50-54.

[3]朱燕.高中物理教学中PBL教学模式的应用研究[D].南京：南京师范大学，2018.

[4]郑青岳.“自由落体运动”课题的听课札记[J].中学物理教学参考，2012（ 12）：44-45.

（责任编辑易志毅）

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