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摘 要： 设计物理概念、规律教学是物理教学的主要任务，在概念、规律教学中呈现的科学过程是培养学生科学素质的不能替代的环境。教师在物理课堂教学中进行科学过程教育是十分重要而迫切的问题。要解决这个问题，除了提高教师的认识外，还应该尽可能地给他们提供便于操作的行为模式。
关键词： 高中物理 课堂教学 问题设计
一、切实理解教材中为学生设计的科学认识过程
有些刚任教不久的教师看到中学教材中物理知识浅显， 就不再认真阅读研究，只取教材中的大小标题就完成了教案的设计，这是不理解教材的表现。教学过程的本质是学生再认识科学过程，编写物理教材的基本任务就是为学生设计一个认识物理概念、规律的过程，所以它的基本内容是：1.指导学生观察哪些感性材料；2.怎样使学生产生科学认识动因；3.怎样使学生用实验进行观察、探索或者验证假设；4.怎样使学生应用科学方法进行思维加工；5.得出怎样的结论。
我国物理教材由物理教育专家和有经验的教师编写，他们对物理学的知识结构有深刻的认识，对不同年级学生的认知特征了解确切，经过精心设计加工为学生准备了切实可行又极富教育意义的认知途径。要进行教学问题设计就要切实理解教材实质内涵；只了解大小标题，那是取其皮毛。要理解教材设计的科学认识过程，应该注意：1.相关的物理科学知识结构；2.教材中应用的科学方法；3.学生的认知水平。
二、掌握学生学习心理特征
美国著名的教育心理学家奥苏贝尔曾强调指出：“假如让我把全部教育心理学仅仅归结为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之曰——影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并应据此教学。”学生的认知结构包括他的知识结构和认知策略水平，对后者具体的说是指学生感知、记忆、思维、想象等智力活动的水平和特征，要注意学生学习本节内容时认知活动的困难。要考虑如下问题： 学生学习本节起点是什么?形成学习本节内容的动机有什么障碍? 学生是否具有学习新知识的感性认识?学生感知新的情境有什么困难?学生在回忆所学知识结论时有什么困难?学生心理活动的特点除了在教材上反映外，还要教师认真地观察分析学生的表现，长期积累，掌握学生状态对认知过程的提问很重要。
三、构建概念、规律学习的命题网络
依据教材提供的认知过程，以及教师根据学生的学习水平对认知过程作出调整和补充，将认知分为若干阶段，每一阶段学习可以获得相关命题，这些命题相互联系，形成命题网络。从学生原来的认知结构水平到新知识结论之间要设计若干命题，命题之间有内在的逻辑关系，两个相邻命题之间在认识水平上的差距要符合学生实际。
四、系列问题设计举例
例一:高中物理“功的概念”的课堂教学问题设计。
功的意义：功是能量转化的量度，它反映了力对位移的空间积累效应。功用力和物体在力的方向上的位移来定义。其单位是焦耳。
学生对功的认识在初中学过，懂得做功的两个必要因素，并基本会判断哪些物理过程力是否做功。学生对功的概念有了初步的认识，但对正功、负功才刚开始接触，是学习的难点，因此需要逐步建立梯度进行学习。如从特殊到一般，从简单到复杂等。举两个特例：当力的方向与位移方向相同时，W=FS和力的方向与位移方向垂直时，从W=0出发，引入提出问题。在力的学习中，学生从效果力方面习得了阻力和动力的概念，为习得正、负功铺设了道路。而功的正负与力的正负又有了矛盾冲突，这是高中首次接触到标量的正负问题，运用数学知识解决了问题，从而理解了正负功的意义，培养了学生的数理结合能力。
“功的概念”的命题网络
网络图中的箭头方向表示认识过程的方向，图中的命题是认识过程中的关节点，形象地说是认知的“脚手架”和“台阶”。最基层的命题以学生原有认知结构为基础产生，最上层的命题是这个教学任务的目标。其中由“力和位移与S的夹角为90°时,W=0”和“当F、S相同，功的大小随α的余弦值变化”两个命题综合出“功等于力的大小，位移的大小，力和位移方向夹角的余弦这三者的乘积”这一命题。通过引导分析cosα,将学生的思维推向数学知识分析，比较力和功的正负，得出功的正负意义。这一过程培养学生运用数学方法解决物理问题的能力。
在认知过程中应用了观察、比较、概括、综合、推理的科学方法。A层是经验回忆、复习旧知，用的是以旧引新方法；B层概括出新旧两个命题，用的是分析—比较—概括的逻辑方法；C层是由命题综合产生“功等于力的大小，位移的大小，力和位移方向夹角的余弦这三者的乘积”的命题，主要是归纳功的完整的概念，本网络也渗透了物理科学研究方法中的特殊—一般，简单—复杂，等效替代等方法。
设计问题：
1）功的大小与力、位移有关，还与哪些因素有关?
2）力与位移的两个特殊方向求出功不同，我们如何研究功与位移夹角的关系?
3）力与位移的大小不变时，如何将这个力做的功等效于上述两种特殊情况下做的功?
4）怎样计算一般情况下力做的功的大小?
5）力与位移所成的夹角在什么范围内变化?
6）正功一定比负功大吗？
7）从功的公式说明，为什么说力对物体做功?
8）你有哪些求力做功的计算方法？怎样求总功？
9）如果力的大小和方向都在变化，怎样求变力的功？
问题1）为A层所设，问题2）3）4）为习得B层命题所设，5）6）7）8）9）为习得C层命题所设。
例二：高中物理“楞次定律”的课堂问题设计。
楞次定律是能量转化与守恒定律在电磁现象中的反映。楞次定律现代的表述与楞次当年的表述有很大的区别，高等物理学中直接使用楞次定律，没有定律建立的过程，因此在高中阶段只能应用实验归纳建立定律。
学生学习过“右手定则”，认为感应电流方向已经会判断了，再次提出磁场变化时的感应电流方向问题，与学生原来的知识结构不协调。在实验中怎样观察感应电流方向，怎样观察感应电流的磁场方向，学生感知有困难。因为观察对象不直观，要靠规则和仪表的指示来想象。
“楞次定律”的命题网络（能量转化与守恒定律）
当实验得到磁铁和线圈运动的四种情况后，原磁场、磁通量变化，感应电流方向的状态显得复杂，根据这些状态归纳出“感应电流磁场阻碍磁通量变化”的结论，需要一个综合过程。“阻碍变化”是很精确的语言，学生理解有困难。当得到楞次定律结论后要将陈述性的命题转换成产生式表征的一系列操作，部分学生会有转换困难，需要问题指引。否则，有些学生会用死背操作步骤的策略应对，这会失去将命题转换成操作的受教育机会。当学习楞次定律之后，判断感应电流方向的规则就有两套，学生面临建立新知识结构的任务。若教师不提示，部分学生不会主动构建新知识结构。能量转化与守恒定律与楞次定律是普适规律与具体规律的上、下位关系，需要建立两个规律的联系，两个规律的关系可以用实验或者是逻辑推理来揭示，无论哪个途径对学生理解都有困难。
上图A层是将实验结果进行初步归纳，因三个物理量关系复杂，需要将感应电流的方向转换为它的磁场方向，三个物理量都是磁场量，容易比较，B层就是这个转换过程。C层初步归纳出φ增加，φ减少两种情况下的两个结论。D层是将这两个命题再综合成楞次定律。E层是建立楞次定律与能量守恒定律的关系的推理过程。
设计系列问题：
1）如果用条形磁铁插入线圈产生感应电流这样一个实验来总结，这套装置能做几个不同的实验?实验应记录什么? （对后一个问题与学生讨论后，教师展示表格，并提问：为什么将磁通量的增加与减少分别记录，而不统计为磁通量变化?我们为什么将插入线圈的条形磁铁的两个不同方向分别记录?由于观察感应电流方向需要指引，线圈的绕向需要引起学生注意，从而设计以下问题。
2）怎么观察感应电流方向?用电流表怎么观察电流方向?
3）线圈上的塑料线指示线圈导线的绕向，知道线圈的绕向有何意义?
实验后面对磁通量的增减、磁铁N极指向，感应电流的逆时针、顺时针方向这些繁杂的材料，教师请学生找出规律。教师指出它们不是一类物理量，所以它们的关系很难被发现，而感应电流也会激发磁场，感应电流的磁场与其他两个物理量都是磁场中的物理量，容易发现它们的关系。问题4）是为完成转换而设。
4）怎样确定感应电流的磁场方向?我们掌握的这些资料能知道感应电流磁场方向吗?
采用归纳法寻求规律，学生对这个方法不生疏，然而用于问题仍有困难，学生不知如何归类。为了形成科学探索的意境，不直接提出怎样归类。
5）我们可以原磁场的不同方向归类，就要找出原磁场在某一方向时，磁场量中的变化情况与感应电流磁场方向关系；也可用磁通量的变化归类，那要找出在磁通量某一变化情况时原磁场方向与感应电流的磁场方向关系。
用磁通量的变化情况归类，找出了磁通量增加两磁场方向相反，磁通量减少两磁场方向相同命题后,为了加深“磁通量变化是关键”的认识，教师提问：
6）我们为什么以磁通量的变化情况归类，就能找到简明的规律呢?
下面是应用楞次定律操作相关的问题：
7）怎样用楞次定律判定感应电流的方向呢?
教师指出可以用任务目标指引的方法获得操作步骤，提出问题：
8）要想知道感应电流的方向应该先找到哪个相关量的方向?
接着以“要想…就…”的模式设问而获得其他的操作步骤。
下面的问题是为建构知识结构设立的。
9）现在我们判断感应电流的方向有“右手定则”和楞次定律两种方法，什么条件用“右手定则”?什么条件用楞次定律呢?
10）能用楞次定律判断导体切割磁感线产生感应电流的方向吗?右手定则与楞次定律是什么关系呢?
下面的问题是为习得楞次定律与能量转化与守恒定律关系的命题而设。
11）请大家想一想感应电流的磁场为什么要阻碍磁通量的变化?为什么是阻碍而不是促进呢?如果不是阻碍而是促进会得什么结果呢?
教师：如果磁铁插入线圈的过程中，忽略磁场力以外的其他力的作用，当“促进”时，感应电流的磁场力将对插入的条形磁铁吸引而做正功，条形磁铁的动能增加，而同时产生感应电流又获得电能，这样能量不守恒。
12）刚才我们讨论问题使用的方法叫“反证法”，用实验的方法也可以说明楞次定律符合能量转化与守恒定律。（教师用尖针支持的横杆两端各设一个金属环，一个闭合，另一个断开，当磁铁插入两个金属环时现象不同。）该实验怎样说明楞次定律与能量转化守恒定律的关系呢?
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词： 高中物理 课堂教学 问题设计
一、切实理解教材中为学生设计的科学认识过程
有些刚任教不久的教师看到中学教材中物理知识浅显， 就不再认真阅读研究，只取教材中的大小标题就完成了教案的设计，这是不理解教材的表现。教学过程的本质是学生再认识科学过程，编写物理教材的基本任务就是为学生设计一个认识物理概念、规律的过程，所以它的基本内容是：1.指导学生观察哪些感性材料；2.怎样使学生产生科学认识动因；3.怎样使学生用实验进行观察、探索或者验证假设；4.怎样使学生应用科学方法进行思维加工；5.得出怎样的结论。
我国物理教材由物理教育专家和有经验的教师编写，他们对物理学的知识结构有深刻的认识，对不同年级学生的认知特征了解确切，经过精心设计加工为学生准备了切实可行又极富教育意义的认知途径。要进行教学问题设计就要切实理解教材实质内涵；只了解大小标题，那是取其皮毛。要理解教材设计的科学认识过程，应该注意：1.相关的物理科学知识结构；2.教材中应用的科学方法；3.学生的认知水平。
二、掌握学生学习心理特征
美国著名的教育心理学家奥苏贝尔曾强调指出：“假如让我把全部教育心理学仅仅归结为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之曰——影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并应据此教学。”学生的认知结构包括他的知识结构和认知策略水平，对后者具体的说是指学生感知、记忆、思维、想象等智力活动的水平和特征，要注意学生学习本节内容时认知活动的困难。要考虑如下问题： 学生学习本节起点是什么?形成学习本节内容的动机有什么障碍? 学生是否具有学习新知识的感性认识?学生感知新的情境有什么困难?学生在回忆所学知识结论时有什么困难?学生心理活动的特点除了在教材上反映外，还要教师认真地观察分析学生的表现，长期积累，掌握学生状态对认知过程的提问很重要。
三、构建概念、规律学习的命题网络
依据教材提供的认知过程，以及教师根据学生的学习水平对认知过程作出调整和补充，将认知分为若干阶段，每一阶段学习可以获得相关命题，这些命题相互联系，形成命题网络。从学生原来的认知结构水平到新知识结论之间要设计若干命题，命题之间有内在的逻辑关系，两个相邻命题之间在认识水平上的差距要符合学生实际。
四、系列问题设计举例
例一:高中物理“功的概念”的课堂教学问题设计。
功的意义：功是能量转化的量度，它反映了力对位移的空间积累效应。功用力和物体在力的方向上的位移来定义。其单位是焦耳。
学生对功的认识在初中学过，懂得做功的两个必要因素，并基本会判断哪些物理过程力是否做功。学生对功的概念有了初步的认识，但对正功、负功才刚开始接触，是学习的难点，因此需要逐步建立梯度进行学习。如从特殊到一般，从简单到复杂等。举两个特例：当力的方向与位移方向相同时，W=FS和力的方向与位移方向垂直时，从W=0出发，引入提出问题。在力的学习中，学生从效果力方面习得了阻力和动力的概念，为习得正、负功铺设了道路。而功的正负与力的正负又有了矛盾冲突，这是高中首次接触到标量的正负问题，运用数学知识解决了问题，从而理解了正负功的意义，培养了学生的数理结合能力。
“功的概念”的命题网络
网络图中的箭头方向表示认识过程的方向，图中的命题是认识过程中的关节点，形象地说是认知的“脚手架”和“台阶”。最基层的命题以学生原有认知结构为基础产生，最上层的命题是这个教学任务的目标。其中由“力和位移与S的夹角为90°时,W=0”和“当F、S相同，功的大小随α的余弦值变化”两个命题综合出“功等于力的大小，位移的大小，力和位移方向夹角的余弦这三者的乘积”这一命题。通过引导分析cosα,将学生的思维推向数学知识分析，比较力和功的正负，得出功的正负意义。这一过程培养学生运用数学方法解决物理问题的能力。
在认知过程中应用了观察、比较、概括、综合、推理的科学方法。A层是经验回忆、复习旧知，用的是以旧引新方法；B层概括出新旧两个命题，用的是分析—比较—概括的逻辑方法；C层是由命题综合产生“功等于力的大小，位移的大小，力和位移方向夹角的余弦这三者的乘积”的命题，主要是归纳功的完整的概念，本网络也渗透了物理科学研究方法中的特殊—一般，简单—复杂，等效替代等方法。
设计问题：
1）功的大小与力、位移有关，还与哪些因素有关?
2）力与位移的两个特殊方向求出功不同，我们如何研究功与位移夹角的关系?
3）力与位移的大小不变时，如何将这个力做的功等效于上述两种特殊情况下做的功?
4）怎样计算一般情况下力做的功的大小?
5）力与位移所成的夹角在什么范围内变化?
6）正功一定比负功大吗？
7）从功的公式说明，为什么说力对物体做功?
8）你有哪些求力做功的计算方法？怎样求总功？
9）如果力的大小和方向都在变化，怎样求变力的功？
问题1）为A层所设，问题2）3）4）为习得B层命题所设，5）6）7）8）9）为习得C层命题所设。
例二：高中物理“楞次定律”的课堂问题设计。
楞次定律是能量转化与守恒定律在电磁现象中的反映。楞次定律现代的表述与楞次当年的表述有很大的区别，高等物理学中直接使用楞次定律，没有定律建立的过程，因此在高中阶段只能应用实验归纳建立定律。
学生学习过“右手定则”，认为感应电流方向已经会判断了，再次提出磁场变化时的感应电流方向问题，与学生原来的知识结构不协调。在实验中怎样观察感应电流方向，怎样观察感应电流的磁场方向，学生感知有困难。因为观察对象不直观，要靠规则和仪表的指示来想象。
“楞次定律”的命题网络（能量转化与守恒定律）
当实验得到磁铁和线圈运动的四种情况后，原磁场、磁通量变化，感应电流方向的状态显得复杂，根据这些状态归纳出“感应电流磁场阻碍磁通量变化”的结论，需要一个综合过程。“阻碍变化”是很精确的语言，学生理解有困难。当得到楞次定律结论后要将陈述性的命题转换成产生式表征的一系列操作，部分学生会有转换困难，需要问题指引。否则，有些学生会用死背操作步骤的策略应对，这会失去将命题转换成操作的受教育机会。当学习楞次定律之后，判断感应电流方向的规则就有两套，学生面临建立新知识结构的任务。若教师不提示，部分学生不会主动构建新知识结构。能量转化与守恒定律与楞次定律是普适规律与具体规律的上、下位关系，需要建立两个规律的联系，两个规律的关系可以用实验或者是逻辑推理来揭示，无论哪个途径对学生理解都有困难。
上图A层是将实验结果进行初步归纳，因三个物理量关系复杂，需要将感应电流的方向转换为它的磁场方向，三个物理量都是磁场量，容易比较，B层就是这个转换过程。C层初步归纳出φ增加，φ减少两种情况下的两个结论。D层是将这两个命题再综合成楞次定律。E层是建立楞次定律与能量守恒定律的关系的推理过程。
设计系列问题：
1）如果用条形磁铁插入线圈产生感应电流这样一个实验来总结，这套装置能做几个不同的实验?实验应记录什么? （对后一个问题与学生讨论后，教师展示表格，并提问：为什么将磁通量的增加与减少分别记录，而不统计为磁通量变化?我们为什么将插入线圈的条形磁铁的两个不同方向分别记录?由于观察感应电流方向需要指引，线圈的绕向需要引起学生注意，从而设计以下问题。
2）怎么观察感应电流方向?用电流表怎么观察电流方向?
3）线圈上的塑料线指示线圈导线的绕向，知道线圈的绕向有何意义?
实验后面对磁通量的增减、磁铁N极指向，感应电流的逆时针、顺时针方向这些繁杂的材料，教师请学生找出规律。教师指出它们不是一类物理量，所以它们的关系很难被发现，而感应电流也会激发磁场，感应电流的磁场与其他两个物理量都是磁场中的物理量，容易发现它们的关系。问题4）是为完成转换而设。
4）怎样确定感应电流的磁场方向?我们掌握的这些资料能知道感应电流磁场方向吗?
采用归纳法寻求规律，学生对这个方法不生疏，然而用于问题仍有困难，学生不知如何归类。为了形成科学探索的意境，不直接提出怎样归类。
5）我们可以原磁场的不同方向归类，就要找出原磁场在某一方向时，磁场量中的变化情况与感应电流磁场方向关系；也可用磁通量的变化归类，那要找出在磁通量某一变化情况时原磁场方向与感应电流的磁场方向关系。
用磁通量的变化情况归类，找出了磁通量增加两磁场方向相反，磁通量减少两磁场方向相同命题后,为了加深“磁通量变化是关键”的认识，教师提问：
6）我们为什么以磁通量的变化情况归类，就能找到简明的规律呢?
下面是应用楞次定律操作相关的问题：
7）怎样用楞次定律判定感应电流的方向呢?
教师指出可以用任务目标指引的方法获得操作步骤，提出问题：
8）要想知道感应电流的方向应该先找到哪个相关量的方向?
接着以“要想…就…”的模式设问而获得其他的操作步骤。
下面的问题是为建构知识结构设立的。
9）现在我们判断感应电流的方向有“右手定则”和楞次定律两种方法，什么条件用“右手定则”?什么条件用楞次定律呢?
10）能用楞次定律判断导体切割磁感线产生感应电流的方向吗?右手定则与楞次定律是什么关系呢?
下面的问题是为习得楞次定律与能量转化与守恒定律关系的命题而设。
11）请大家想一想感应电流的磁场为什么要阻碍磁通量的变化?为什么是阻碍而不是促进呢?如果不是阻碍而是促进会得什么结果呢?
教师：如果磁铁插入线圈的过程中，忽略磁场力以外的其他力的作用，当“促进”时，感应电流的磁场力将对插入的条形磁铁吸引而做正功，条形磁铁的动能增加，而同时产生感应电流又获得电能，这样能量不守恒。
12）刚才我们讨论问题使用的方法叫“反证法”，用实验的方法也可以说明楞次定律符合能量转化与守恒定律。（教师用尖针支持的横杆两端各设一个金属环，一个闭合，另一个断开，当磁铁插入两个金属环时现象不同。）该实验怎样说明楞次定律与能量转化守恒定律的关系呢?
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文