物理教学发现问题情境的创设

编者按：物理教学中创设发现问题的情境是提高学生学习、兴趣培养其思考能力的关键因素之一。本文作者认为发现问题情境不同于呈现问题情境，它需要学生主动地参与问题情境的感知，发现问题并自主建构问题。结合具体教学实例，作者认为中学物理教学中发现问题的情境可以用差异性物理实验、日常生活事件与经验、科学模拟研究、新旧知识联系、作业活动等途径来创设。
　　
　　其次，作者提出了发现问题情境的创设要注意的问题，即师生的关系要发生根本的转型；要留给学生足够的“等待时间”，供学生自主建构问题；要正确处理发现问题情境创设及教学的问题；要积极尝试基于学生问题的教学。这些建议对教师有效地创设发现问题情境提供了一定的教学参考和依据。
　　
　　在教学中，问题情境一般有两种：一种是呈现问题的情境。即教师通过语言、教材或其他教学手段向学生提出有关的问题，这类问题一般都有已知的解决方案和方法；另一种是发现问题的情境，即教师并不向学生呈现明确的问题，而是通过各种教学手段在教学中设置具有一定难度的、需要学生努力而又是力所能及的学习情境，让学生通过对有关现象、事例、实验或其他学习材料的感知，独立自主地发现问题和提出问题。这种学习活动是一种“智力探险”。
　　
　　一、发现问题情境的创设途径
　　
　　（一）差异性实验——创设问题情境
　　
　　差异性实验(discrepantexperiment)是指结果出人意料之外的、与学生学习前概念或常识相违背的科学实验。这些实验展示的现象，与学生学习科学的潜概念发生矛盾，能引发学生强烈的认知冲突，使学生头脑中产生各种各样的疑惑。在差异性实验中，要提供学生自主建构问题的时间，让学生通过思考、讨论和语言组织，提出相应的问题。
　　
　　例如吹气实验。该实验用于有关蒸发知识的教学。在教学时，教师请学生做如下的吹气实验：第一次请学生将手掌摊开放在离嘴大约15cm的地方，张大嘴，慢慢地对手掌呵气。学生会感到手掌“暖烘烘”；第二次请学生将手掌摊开放在同样的位置，先闭嘴，然后嘴留一条小缝，用力向手掌吹气，学生会感到“冷嗖嗖”。
　　
　　然后要求学生提出问题。在这种情境下，学生自然会产生并提出这样的问题：同样从自己的嘴中吹出的气，为什么一次是暖烘烘，而另一次是冷飕飕？同是嘴中吹出的气，理应温度相同，为什么吹气的方式不同，两次感觉不同？教学便可围绕解决相应的问题来进行。
　　
　　在中学物理教学中，有许多常用的简易实验，如“拉两本页码交叠的课本，拉不开课本”的实验，“吹两纸条，吹不开”的实验，等等，都可以让学生自己做实验，创设学生自我发现问题和提出问题的情境。
　　
　　用差异性实验引发问题情境，也可以通过教师演示，也可以用于扩展性的研究性学习。例如教师可以演示如下的实验现象：一块长1.5米左右的木板作斜面，同时取出两个相同的饮料易拉罐，把其中一个用力摇晃少许时间，而另一个则小心不让其摇晃。在斜面顶端同时初速为零滚下这两个饮料易拉罐，看哪个饮料易拉罐先滚到斜面底端。然后提供学生思考时间，让学生提出问题：究竟是什么原因使相同的饮料易拉罐从相同的斜面上滚下所需的时间不同？学生便可以就该问题的解决，进行扩展性的探究学习。
　　
　　在用差异性物理实验创设让学生发现问题情境中，教师要善于“闭嘴”，把提出挑战性问题的机会让给学生，使学生逐步养成自主建构问题的意识与习惯。
　　
　　（二）生活事件与经验——创设问题情境
　　
　　家庭、学校、社会都有大量学生感兴趣的物理问题。在生活中，学生已经接触到许多与科学有关的生活事件，形成了物理学习的前概念和相应的认知结构，其中有许多与自己前概念和认知结构相矛盾的体验和相应的问题。教师在教学时要“使物理贴近学生生活、联系社会实际”，恰到好处地利用学生的生活经验和事件来创设发现问题的情境。
　　
　　例如，在高中物理课程标准选修1-1中要求“通过观察、查阅资料，了解微波炉的结构和工作原理，能根据说明书正确使用微波炉”。在教学时，可以请使用过微波炉或家庭有微波炉的学生交流使用微波炉的体会与经验，并要求学生提出有关微波炉的问题。学生会提出有关微波炉的许多问题：如用微波炉热饭菜为什么那样快捷？用微波炉热鸡蛋时，往往听到“啪”的声音，鸡蛋炸裂了，微波炉内腔粘着乱七八糟的鸡蛋碎片，微波炉热鸡蛋为什么会炸？等等。又如，高中物理课程标准选修2-3中要求学生“了解照相机的主要技术参数的含义”,“了解照相机自动测光、测距的原理”。在教学时，可以请学生谈谈使用傻瓜照相机的体会和经验，并提出问题。例如有的学生使用过傻瓜相机，会提出许多问题：傻瓜相机为什么能自动识别ISO100到IS0400的胶片？它为什么能自动卷片？光线不足时它为什么能自动闪光？它为什么不用调焦？等等。
　　
　　利用学生的生活事件或经验来引发学生自我发现问题的情境，要注意：一是要选择与学生生活经验相关的教学素材；二是尽可能让学生发散性地提出相关问题；三是要引导学生对问题进行讨论与筛选，选择切合教学要求的问题来进行教学，而并不是刻意追求解决所有问题。
　　
　　（三）科学模拟研究——创设问题情境
　　
　　学生学习物理与科学家研究物理是有区别的。中学生学习物理主要是通过学习前人发现的物理知识来掌握知识与技能，学习研究的过程与方法，培养情感态度与价值观。但是学习物理可以采用科学模拟研究的方法。利用这种模拟物理学家研究来创设学生发现问题的情境，可以使学生以研究者的角色进入学习，学会科学地看问题、想问题，逐步了解物理学的探究过程和方法。
　　
　　例如，在物理必修模块1的“活动建议”中，提出“通过实验研究质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况，从中了解空气对落体运动的影响”。在教学中可以创设模拟研究的情境：对亚里士多德关于物体下落的观点进行讨论，并要求学生勇于质疑，大胆提出研究问题。学生可能会提出五花八门的有关物体下落的问题，引导学生讨论并把问题归结到“物体下落的情况与哪些因素有关”的研究课题上来，并引发学生对研究课题解决方法的讨论：物体下落情况的含义是什么？影响物体下落的因素可能是什么？可能的因素是空气、物体质量、物体大小、物体的材料、下落的地点……如何来研究这种多种因素影响的研究课题？通过讨论，引导学生利用“控制变量法”，即先把其他变量置为“恒定”，而研究“质量相同、大小不同的物体在空气中下落的情况”。
　　
　　在许多传统的物理教学内容上，我们只要适当加以组织，都可以用科学模拟研究的方法来创设发现问题的情境。如关于“自感”的教学中，可用传统的两个演示实验来创设发现问题的情境：在其中一个实验中小灯泡“通而不亮”，而在另一个实验中小灯泡“断而不熄”。这样的现象会引起学生的好奇，产生“为什么会产生这种现象”的问题，并萌发研究探索这个现象原因的兴趣。
　　
　　应当指出，学生的模拟研究并不等同于严格意义的科学研究。两者虽有相似的地方，但学生的研究活动更多地体现为探究的兴趣与过程，保持和发展好奇心与求知欲，形成敢于质疑勇于创新的科学态度。因此，利用科学模拟研究来创设发现问题的情境并进行物理学习，要设法把发现和提出问题的角色让给学生，教师不要包办；同时要注意不要拘泥于前人原始研究过程，而是要根据教学要求有选择地加以利用。
　　
　　（四）知识的联系——创设问题情境
　　
　　物理学的理论体系主要由物理概念、物理规律等组成。物理概念反映了物理现象和过程的本质属性，而物理规律描述了物理现象和过程在一定条件下必然发生的本质联系。这些知识的联系也往往是物理教学时创设发现问题情境的素材。教学中可以利用物理知识的联系来引导学生对相关知识进行分析推理，以发现问题并提出问题。例如，学习了力的概念，又学习了运动的知识，教学中要通过演示或学生实验或事例，揭示力与运动这两个知识点的一些误区或佯谬，并引发学生讨论，让他们自己产生“力是产生物体运动的原因吗”的疑问，并提出探究力与运动关系的课题。
　　
　　利用知识的联系创设问题情境，应当培养学生联想、逆向思维的能力与习惯以及善于发现和提出问题的能力。例如奥斯特发现了电流的磁效应后，教师可以着意让学生讨论，引导学生联想或逆向思维，让他们自主提出“既然电流能产生磁场，那么，磁场能否逆向产生电流呢”的问题。
　　
　　类似的利用物理学知识的前后联系来创设发现问题情境的例子，在中学物理教学中比比皆是，教师要有意识地去发掘它们。
　　
　　（五）作业活动——创设问题情境
　　
　　物理作业活动不仅包括传统的习题练习，而且还应该包括实验、科学设计、科学制作、社会调查等等。通过作业活动，学生不仅能巩固和深化所学知识，学习探究的方法，培养研究的能力，而且更重要的是可以把学生引入问题情境中，学生可以在较大程度上自主完成建构问题、设计问题解决方案、解决问题的过程、问题解决结果的得出与评价等活动。因此，应当对学生作业活动提出提炼问题的任务。
　　
　　例如，学生对物理习题的错误解答，不同学生的“错误”及“错误原因”都可能不同，引导学生分析各种错解的原因，逐步让学生学会元认知纠错的能力。在这些学习过程中，学生头脑中会萌发一些问题。教师可以要求学生适时记下相应的问题，在教学中可以讨论和解决这些问题。
　　
　　在学生的实验、科学设计、科学制作、社会调查等活动中，教师都可以要求学生自主发现和提出问题。例如，在高中物理课程标准中推荐的学生活动：“根据牛顿第二定律，设计一种能显示加速度大小的装置”、“尝试设计一种在人造卫星或宇宙飞船上进行微重力条件下实验的方案”、“设计一种利用多普勒效应的实用装置”、“调查日常生活和生产中利用静摩擦力的事例”、“调查公路拐弯处的倾斜情况或铁路拐弯处两条铁轨的高度差异”、“调查并讨论手机的使用是否会对人体造成不良影响”等等，以及物理实验专题模块、物理专题研修模块的学习，都是学生发现问题极好的情境，教学中要加以开发和利用。
　　
　　二、发现问题情境的创设要注意的问题
　　
　　应当指出，不少人对创设发现问题的情境及教学持怀疑的态度，有的人虽然赞同，但是认为实施起来有不少困难。例如，在发现问题情境的创设及教学中，师生的关系如何处理；发现问题的情境创设费时费力，如何处理与有限的教学时间的矛盾；让学生发现并提出问题，课堂教学如何进行组织和控制；等等。根据我们与中学协作的实践研究，我们认为，发现问题情境的创设及教学应当注意如下四个问题。
　　
　　（一）发现问题情境创设及教学中师生关系要发生根本的转型
　　
　　在发现问题情境的创设及教学中，教师的角色要发生根本的转型。教师要从知识的传授者和占有者，转变为学生学习的促进者、合作者和学习者。这就要求改变教师单纯传递知识的教学做法，而转变为激励学生思考，发现问题，提出问题，解决问题。教学要真正让学生具有话语权，教师要学会“沉默”，少教授，多平等地参与。在发现问题情境的创设及教学中，学生在学习中的主体地位并不意味着对教师作用的否定，教师要花时间与精力进行发现问题情境创设及教学的富有创造性的教学管理和组织。同时教师也成为一名学习者，因为学生发现的问题和提出的问题及其解决，可能与教师的认知或预计相冲突。很多情况下，教师要在学生面前坦率地承认自己的不足，与学生共同研讨和思考。在这一教学过程中，教师本身也是不断充实、丰富、完善自己的过程。
　　
　　（二）发现问题情境中要留给学生足够的“等待时间”
　　
　　在发现问题的情境创设中，要注意留给学生足够的“等待时间”(waitingtime)。但是在教学中教师却往往没有耐心等待学生自主的学习活动，以至于学生没有时间进行思考，从事发现问题和提出问题的活动。在发现问题情境的创设中，有两类“等待时间”：一是创设发现问题的情境后等待的时间；二是教师对学生的问题做出反应所等待的时间。一些研究者(Tobin&Capie,1991)研究了教师处理学生自主提问的做法，发现大多数教师的“等待时间”都过短。他们的研究表明，延长“等待时间”有重要的学习效果：如学生提出问题的质量提高，猜测性提问和回答增多，推理活动增加，问题多样化，问题和回答的灵活性增大，提问的数量和类型多样，学生学习自信心增大；学生特别是差生的期望效应提高，等等。总之，增加“等待时间”有助于把传统的课堂教学转变为发现学习的情境。教师在教学中应根据教学目标、教学内容、学生实际，来增加“等待时间”。
　　
　　（三）正确处理发现问题情境创设及教学的问题
　　
　　要正确处理发现问题情境创设及教学的问题。与传统的教学相比，创设发现问题的情境及教学需要较多的时间；许多学生缺乏发现和提出问题的能力和习惯；教学中会出现比较“乱”的局面；教师从传统的讲授转变为基于学生问题的教学，也有一个从“变革”到“常态”的适应过程。但是仅仅因为这些困难，就限制学生自主建构问题的空间和时间，或者形式上搞一些教师主导性和预定性很强的所谓“结构性问题”教学，那就等于在事实上取消学生的提问与质疑，压抑学生的发散性和批判性思维。
　　
　　因此教师首先要在思想上认识到创新人才的产生，需要自由、宽松地发现、提出和解决问题的情境；要鼓励学生勇于质疑，大胆提问，让每一个学生都认识到，即使他们的问题看起来荒诞可笑或不着边际，也值得表达出来与他人分享和共同研究。第二，教师要意识到提高学生的能力不是一蹴而就的，学生发现和提出问题有一个从“不会”到“会”的过程，需要在自主实践活动中来培养。第三，要根据教学目的、教学内容、学生实际等，有选择性进行发现问题情境的创设及教学。第四，教师要作为学习共同体的平等一员，参与到学生发现、提出和解决问题的过程中，并恰到好处地组织好教学；同时教师要尽可能减少低效或无效的教学活动，以增大学生自主地发现、提出和解决问题的学习活动。
　　
　　（四）积极尝试基于学生问题的教学
　　
　　创设发现问题情境与基于学生问题的教学是相联系的。国内外对基于问题的教学都有一些研究，但对基于学生问题的教学研究却相对缺乏。各个科目的教学都有许多有关基于学生问题教学的研究课题，创设发现问题情境的途径也多种多样，基于学生问题的教学方式也是不拘一格。教师应当努力去尝试基于学生问题的教学研究。让学生自主地建构问题，自主地设计问题解决的方案，自主地进行问题解决，自主地对问题解决的过程与结果进行评价。这种把学生“置于问题的情景中，让他们自己去想办法”的“智力的探险”，即便不能在传统知识学习产生“积极”的结果，也应受到重视，并得到“系统的支持”。因为培养学生发现问题和提出问题的意识与习惯、发展学生分析问题和解决问题能力以及批判的精神，是创设发现问题情境和基于学生问题教学的主要目的所在。