施叶军

摘 要：本文以《带电粒子的加速》为例，探讨了“问题式”课堂教学中如何以问题为主线，教师充分调动学生，通过问题的启动，问题的悟动，问题的解答，实现学生由自发到自觉的飞跃，培养学生的科学思维能力，从而提高了学生的建构模型的基本能力，培养了学生的科学认证能力，培养学生的质疑能力，最终提升学生基于学科的物理核心素养。

关键词：核心素养；科学思维；问题式课堂

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2018）12-0099-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.12.060

一、培养科学思维，提升核心素养

近两年关于核心素养尤其是学科核心素养的讨论开始升温，因为核心素养的最终体现就是学生在社会生活中有效地运用学科知识与能力，而这其中又以能力为核心。爱因斯坦说过，“教育就是将学校所学的忘光之后剩下来的东西”。高中物理教学中，科学思维是一项重要能力，而学生在社会中所需要的诸多能力当中，科学思维又无处不在，因此，科学思维能力的培养是映射物理学科核心素养培养的关键。

我们所说的科学思维是指：基于客观经验与客观事实，用物理学原理与规律研究事物的本质，从而对物体间相互关系进行再认识的过程，也是对物理模型的抽象与概括，是一种对物理思维方法的内化能力，是质疑能力和创新能力的外在表现能力，它包括：模型的建构、科学的论证、质疑与创新等。在我们的物理课堂中，如何培养学生的科学思维呢？构建“问题式”课堂是一条重要的途径。

二、“问题式”课堂的基石

基于物理学科核心素养下的物理教学要求我们的课堂能培养学生在今后的工作或者生活中解决未知问题的能力。这就要求我们的教学中创设的情境要真实，问题要具有一定的复杂性，在课堂上要引导学生剖析情境，建立模型，运用物理规律或者方法合理解决物理问题，提高分析解决实际问题的能力。

“问题式”课堂的教学设计的理念是以教师设计一系列问题为主线，在教学过程中积分调动学生，围绕问题展开教学活动。这种教学模式能够充分体现教学活动中教师的主导性和学生的主体性，培养学生的科学思维能力。在课堂中师生围绕“问题”展开“启动—悟动—解答”的过程。

问题启动——教师依据教学内容中的重点和难点，通过设置连环系列的问题，引导学生在解决一系列问题的过程中，树立学生的问题意识。

问题悟动——通过教师引导，学生自主对提出和解决物理问题的思维和方法进行理性的归纳和总结，提高原认知水平。

自动解答——由学生自动提出问题，自主解决问题，实现由自发到自觉的飞跃。

三、“问题式”课堂的构建

在课堂教学中，学生从事的学习活动往往与其掌握的科学规律相互影响，其科学方法是建立在问题学习情境之中，活动过程也就是问题的提出和问题的解决过程。在“问题式”课堂中，学生不仅要掌握科学的方法论，还需要掌握这些科学结论获得的途径和过程，因此我们所提倡的“问题式”课堂的建构可以从按以下步骤进行。

（一）创设情境，引发冲突

物理问题情境的呈现其实质上是为了引起学生思维上的认知冲突，从而使学生发现问题或提出问题。对于解决问题的学生来说，教师设计的问题情境只是我们用来引发认知冲突的条件；对于教师来说，物理問题情境是引发学生认知冲突的一种有效教学手段。

（二）提供事实，思维加工

根据物理情境提供的事实，教师要引导学生有目的地选择与收集与之问题有相关联的事实，而学生要积极思考，在获取已有的物理事实基础上通过自主的思维加工，从而进一步获得对问题本质的认识。思维加工的过程也就是学生对已有认知结构，即每个学生个体内在己有的物理知识体系，如已经掌握的概念与规律，方法与技巧等进行重新内化的过程。如果提出的问题有一定难度，一定的新意，则学生将会发现原有的认知结构不能完全同化当下新的问题时，就会重新思考与组织自己已有的若干概念与规律，方法与技巧，找到解决当前物理问题新的规律与方法。

（三）积极引导，探索方法

学生通过自主分析，多次探索解决物理问题的方法，而教师以引导者的身份加强科学方法与思维方法的指导，以合作者的身份与学生一起对物理的问题为主线，以物理情境进行深加工，与学生一起探求解决物理问题的方法，从而促进学生思维的深度发展，让学生从感性认知上升为理性认知。

（四）归纳结论，解决问题

解决问题后，师生归纳结论，总结解决问题过程中的科学方法与科学思维，使学生对物理规律与物理认知做更进一步的升华，从而使一个个的物理问题得到真正的解决，同时也促进学生思维的真正提升，促进物理核心素养的落地生根。

（五）运用结论，螺旋上升

实践是检验问题的唯一标准。若提出的实际物理问题通过科学结论能解决，说明科学结论的正确，我们可以进一步的强化刚才得出的科学结论，从而认定问题已经解决；如果不能解决物理新问题，那么我们要引导学生重新思考物理问题，现次主启动问题，寻找物理事实，探索科学的解决之道……教学过程中，一个物理问题是否被真正解决，上面的几步我们往往需要多次的循环与反复，才能使学生的认知得到螺旋上升，而每一次的问题解决，都会使学生的认知比以前更全面，更彻底。

下面以《带电粒子的加速》为例，谈谈这一教学模式的一般流程与做法。

《带电粒子的加速》这节内容的中心问题为：电场加速是获得高能粒子的一种方法。具体地说主要有：直线加速器、回旋加速器、同步加速器。

总问题情境的引出为：“1989年初我国投入运行的第一代高能粒子加速器，它能使正负电子流的能量加速到28亿电子伏特，那么它到底怎样产生的呢”？

解决的方法之一为“直线加速器”。

提供的科学事实：利用电场可以加速粒子；见（图一）。

结论：EK=1/2mV2=qU

问题情境1：用这样的加速器只能达到几十万电子伏特到几兆电子伏特，能否设法突破电压限制，从而让带电粒子获得更大的能量呢？

探索方案1：能不能通过多个加速电场，从而使带电粒子逐一通过它们而获得高能量？见图（二）。

问题情境2：在方案1中能否获得高能粒子呢？在相邻两级加速电场之间还存在着一个反向电场，当粒子通过时将会有阻碍作用，如何来消除这减速电场不利的一面呢？

解决方案2：为了解决问题2中的内容，采用静电屏蔽，可用金属圆筒来代替极板，见图（三）。

问题情境3：方案2中设计的方法能使粒子得到加速吗？事实上第一节加速，第二节减速，如何才能使粒子加速呢？

探索方案3：设想在粒子穿过圆筒时间内，能及时地把电源的极性互换。

问题情境4：方案3设想是正确的，但由于交流电的频率一般是固定的，怎么样才能使在一定频率的电压作用下，带电粒子不断得到加速呢？

探索方案4：采用合理设计金属圆筒的长度，随着粒子速度的增大而相应地增加。（至于要满足怎么样的长度的具体要求，由于要用到高等数学的知识，这里暂不作讨论，如果学生有兴趣可以课外自己研究或小组研究）

归纳科学结论：

①我们利用电场可以加速带电粒子；

②我们可以通过多级加速的方法获得高能量的粒子；

③通過将加速电场以外的区域进行静电屏蔽，可以消除指向电场的阻碍影响；

④通过采用交变电源的方法为加速粒子提供它的加速电压；

⑤电场的交替变化周期与加速粒子的运动周期应相同。

运用结论解题：有一个靶和N个金属圆筒，它们的长度逐渐增大，将它们沿主轴线排成一串，如图（三）所示，（图中仅画出了六个圆筒，作为示意图），各个圆筒和靶连接到频率为f，最大电压为U的正弦交流电源的两端，整个装置放在高真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔，现有一电量为q、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速（设圆筒外没有电场），缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙的时间可以不计，已知离子队第一个圆筒左端的速度为U1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差为U1-U2=U0，为了使打在靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量？

创设问题情境5：以上这种加速器叫直线加速器，北京的正负电子对撞机有两个全长为200米的长管组成，是否可以找到一个既能使带电粒子实现多级加速，而我们又不用增加设备长度的方案呢？

探索方案5：如果增加一个外在的磁场使粒子再次重返电场，这样可实现多次加速，即回旋加速器。其结构这里不作介绍，其原理图见下图。

问题情境6：按照上述的方案，不改变加速电场的极性，带电粒子就不能加速，那么用怎么样的方法才能使它得到加速呢？

方案解决6：当粒子运动半周后，极性改变一次，使粒子的环绕周期与电场的周期相同。

问题情境7：粒子加速后的速度不断增大，则交变电流的周期要改变吗？回旋加速器的两D型盒之间的窄缝是宽一点好呢？还是窄一点好呢？

运用结论解题：回旋加速器的核心部分是两个D型金属扁盒，它是沿着直径把一个金属扁切成两半，两个D型波间留有一个窄缝，在中间附近放有粒子源，D型盒装在真空中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直子D型盒底面，把两个D型盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与粒子源发出的带电粒子在D型盒内沿螺线轨道逐渐趋于金属盒的边缘，并用特殊的装置把它们引出，则下列说法中正确的是：

A、随着粒子速度的增大，它运行半周所需的时间将增大；

B、粒子所能达到的最大速度与高频电源的电压大小成正比；

C、粒子所能达到的最大速度与D型盒的半径成正比；

D、要使粒子每次通过窄缝时，都能得到加速，高频电源的周期应越来越小 。

问题情境8：由于Ek=（BqR）2/2m，那么能否采用增大D型盒半径，增强磁场，而使粒子能量提高呢？原来是不能的，因为当粒子有能量达到20Mev时粒子的速度已接近光速，按照相对论原理，粒子的质量将明显增加，破坏了加速器同步条件。

解决方案8：为了获得更高的能量，寻找新途径。例如，同步加速器，其主要的原理是：变化的磁场产生电场，使放入其中的带电粒子得到加速，由于它产生的是环型电场，使带电粒子永远加速，故叫同步加速器，其能量可高达10000亿电子伏特能量以上。对于同步加速器的有关问题有兴趣的学生可以在课外找一些相关资料，自己去探索。

四、“问题式”课堂实施的思考

（一）探索“问题式”课堂，意在促进教学改革

“教学有法、教无定法，贵在得法”。“教学有法”更多针对的是教师的教学原则与教学方法；“教无定法”是指由于学生的特点与学科特点以及具体知识不同而采取的不同教学；“贵在得法”因教施教，是指教学的具体技巧。建立物理“问题式”课堂，其目的就是为了打破接受性教学与发现性教学的界限，实现两种教学方法上互为补充与融合。在有限的课堂时间内，通过教师营造“问题式”课堂，将学生的自主探究带进课堂，通过引导与归纳提升学生的思维能力，提升学生解决实际问题的能力，真正在课堂教学中改变教师教育教学观念，促进教学改革。

（二）探索“问题式”课堂，意在培养科学思维

“问题式”课堂，十分注重物理方法的教学，注重物理方法的渗透，注重物理方法教学的阶段性与层次性。在物理问题的解决过程中，学生会通过观察法掌握物理事实，通过推理法与类比法找到物理规律的相似性，通过数学与等效法解决物理结论，通过假想法与模型法实现对实际问题进行有效建模。物理知识教学仅仅是一个载体，教师更要思考学生毕业后，进入社会，面对纷繁复杂的社会，如何让学生受益，因此在探索“问题式”课堂，意在培养科学思维，它是我们物理学科的核心素养，也是我们教育工作者追求的高层次教育目标，达到“教是为了不教”的境界。

（三）探索“问题式”课堂，意在培养创新能力

“问题式”课堂其教学流程为创设问题情境，提供科学事实，探索解决方法，归纳科学结论，运用结论解题等环节，是培养学生创新思维的过程。

学生在解决问题的过程中，通过一个一个问题的解决，从而实现对现有认知结构和认识方式的改造和超越，这就是一种创新思维。如果教师在平时的课堂教学中不断引导学生进行“问题式”学习，不断丰富与发展学生自身的“学力”与研究能力，由量变到质变，他们将来才可能形成类科学家的研究能力。在课堂中培养学生的“问题意识”与“解决问题”的能力，提升科学思维能力，也是教师培养创新能力的基础。

参考文献：

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