張江寧

(江蘇省錫山高級中學(xué) 江蘇 無錫 214174)

早在1997 年，OECD(經(jīng)合組織)就對核心素養(yǎng)進行了界定，確定了3個維度9項素養(yǎng).3個維度是：(1)能互動地使用工具；(2)能在異質(zhì)群體中進行互動；(3)能自律地行動.歐盟、美國等國家和地區(qū)對于學(xué)生核心素養(yǎng)的界定基本與此相近，而法國則只有前面兩個維度，而且將“與他人合作”作為6項素養(yǎng)之一單列出來.可見，要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，必須為學(xué)生提供更多互動合作的機會，小組合作學(xué)習(xí)應(yīng)該成為課堂教學(xué)的重要形式.

然而，在實際教學(xué)中，組織小組合作學(xué)習(xí)的效果常常受到質(zhì)疑，其根本原因是很多教師對合作的有效性研究不夠，學(xué)生只是在低層次上進行合作交流.下面筆者通過實例來談?wù)劥龠M學(xué)生深度合作的互動交流的四重境界.

在一節(jié)“電磁感應(yīng)”高三一輪復(fù)習(xí)課的導(dǎo)學(xué)案上有一項活動：要求學(xué)生獨立完成下題后，先組內(nèi)交流再全班交流，并且要求學(xué)生要思考解決這類問題的關(guān)鍵和這類問題可能的變式形態(tài).

【題目】如圖1所示，兩根平行金屬導(dǎo)軌相距l(xiāng)=0.50 m，傾角θ=53°，導(dǎo)軌上端串接一個R=0.1 Ω的電阻.在導(dǎo)軌間長d=0.56 m的區(qū)域內(nèi)，存在方向垂直導(dǎo)軌平面向下的勻強磁場，磁感應(yīng)強度B=2.0 T.質(zhì)量m=2.0 kg的金屬棒ab水平置于導(dǎo)軌上，ab棒的初始位置與磁場區(qū)域的下邊界相距s=0.24 m.用沿導(dǎo)軌向上的恒力F=46 N拉ab棒，使ab棒由靜止開始運動，上升過程中ab棒始終保持與導(dǎo)軌垂直，ab棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ=0.5.(重力加速度g=10 m/s2，sin 53°=0.8，其他電阻不計).求：

(1)ab棒進入磁場時速度v的大?。?/p>

(2)ab棒進入磁場時所受的安培力FA的大?。?/p>

(3)ab棒穿過磁場的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q.

圖1 題圖

分析：該題屬于典型的電磁感應(yīng)與力學(xué)的綜合問題，大部分學(xué)生能夠?qū)b棒進行正確的受力分析，并根據(jù)受力情況判斷運動情況，從而作出如下解答.

(1)由牛頓第二定律得到

(1)

由勻變速運動的速度與位移關(guān)系公式得到ab棒進入磁場時的速度

(2)

(2)感應(yīng)電動勢

E=Blv

(3)

感應(yīng)電流

(4)

安培力

FA=IBl

(5)

將式(4)代入式(5)得

(6)

(3)ab棒進入磁場后受到的合力

F合=F-mgsinθ-μmgcosθ-FA=0

(7)

所以金屬棒在磁場中做勻速運動.

由于電路的總電阻就是R，因此，R上產(chǎn)生的焦耳熱就等于克服安培力做的功

Q=FAd=26.88 J

(8)

盡管該題難度不大，但是仍然有個別學(xué)生解題時出現(xiàn)下列錯誤：

(1)沒有考慮到摩擦力；

(2)認為摩擦力為μmg；

(3)將Blv當(dāng)成安培力；

(4)不能判斷ab棒進入磁場后做勻速直線運動.

在觀察各小組的合作交流以及全班交流時，經(jīng)過仔細分析后不難發(fā)現(xiàn)各小組成員在交流中能達到如下4個層次.

(1)聽

在小組合作交流時，解題受阻的學(xué)生一般都能認真傾聽同伴的講解.但是，遺憾的是，其中一部分學(xué)生僅僅滿足于聽懂了，并沒有去分析解題受阻的根本原因，也沒有在聽懂的基礎(chǔ)上進一步完善自己的解答.同伴激情滿懷地一邊寫一邊講，并不能激發(fā)他們對如何分析解決這類問題進行進一步的追問和探討.可見這些學(xué)生在小組合作學(xué)習(xí)中常常處于被動位置，懶于動口、動手、動腦.在小組合作學(xué)習(xí)中，僅滿足于“聽”的層次顯然是低效的，即使聽懂了，但并沒有真正內(nèi)化為自己對知識的理解、對解題方法的掌握.這種“懂”只是暫時的，以后遇到類似問題仍然會發(fā)生同樣的錯誤.

(2)問

與只滿足于聽懂的學(xué)生不同，更多的學(xué)生對自己錯誤的原因進行深入的分析，在與同伴的互動中能夠主動提出自己的見解，提出自己的疑問，并且與同伴探討防止這類錯誤再次發(fā)生的方法.比如，A組一位學(xué)生在交流時就主動問同伴，如何有效防止摩擦力計算的錯誤，然后在同伴的幫助下，這位學(xué)生在自己的學(xué)案上用紅筆寫下了“不僅要正確畫出受力圖，還要正確分解受力”.B組一位學(xué)生看到同伴把原圖改畫成一個平面圖，然后在平面圖上進行受力分析，就問同伴，是不是每次遇到這樣的問題都改畫成平面圖？同伴作出了肯定的回答，并且強調(diào)，必須要形成這樣的習(xí)慣，才不至于受力分析出現(xiàn)錯誤.可見，在小組合作學(xué)習(xí)中，只有主動發(fā)問、勇于質(zhì)疑，才能進行深入的探討，從而提高合作的有效性.

(3)教

根據(jù)學(xué)習(xí)的金字塔理論，小組合作學(xué)習(xí)中受益最大的過程是正確地教別人.這是因為，要將問題講清楚，不僅自己要理解、要做對，還要思考怎樣講能夠讓組員更好、更快地理解.正是這種深度思考使自己對問題的認識更加深刻，從而使自己在小組合作學(xué)習(xí)中受益更大.

比如，C組代表在全班交流時，對該題的錯因進行了歸納：根據(jù)本組交流的情況，主要錯因是沒有形成首先分析受力的習(xí)慣，或者受力分析不規(guī)范，從而導(dǎo)致遺漏摩擦力或者摩擦力大小計算錯誤.該題一旦受力分析錯誤，就不能抓住金屬棒進入磁場區(qū)域后合力為零的特點作出金屬棒做勻速直線運動的判斷，導(dǎo)致無法求解.

C組代表進一步交流了小組對該題解法的建議，基本與前面解答一致，不再贅述.但他們認為，盡管在該題中直接用克服安培力做功求焦耳熱更簡潔，但該題也可以用焦耳定律來求R上產(chǎn)生的熱量Q，特別是如果金屬棒也有電阻的情況下，可有效防止將總焦耳熱當(dāng)成R上產(chǎn)生的焦耳熱.可見，在小組交流時，他們對不同的解法也作了分析，并且對不同解法的優(yōu)缺點進行了比較，甚至考慮了當(dāng)條件發(fā)生變化時如何求解.

為了給其他小組全班交流的機會，教師對C組的交流給予充分肯定.接著進入下一層次的交流.

(4)變

舉一反三、融會貫通一直是物理教學(xué)追求的目標，那么如何引導(dǎo)學(xué)生舉一反三呢？小組合作學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了一個對題目進行變式改造的良好平臺，在這里大家可以充分發(fā)揮集體智慧，讓個人難以獨立完成的任務(wù)通過集體討論得以實現(xiàn).D組的代表在全班進行了如何進行變式改造的交流，使小組合作交流的層次提高到一個新的高度.

D組代表交流了他們?nèi)绾卧诘湫湾e誤的基礎(chǔ)上對題目進行了改造.有學(xué)生沒有正確判斷出金屬棒進入磁場后做勻速直線運動，從而無法求解，這就引起了他們的討論，如果改變拉力F的大小，金屬棒進入磁場時將不做勻速運動，那么是做什么運動？能否求出電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱？應(yīng)用什么方法求焦耳熱？

經(jīng)過討論，他們認為，如果金屬棒進入磁場后，金屬棒受到的合力不為零，則將做變速運動.由于速度變化，感應(yīng)電動勢就要發(fā)生變化，安培力也就發(fā)生變化，合力就要改變，因而金屬棒將做變加速直線運動，這就導(dǎo)致無法用動力學(xué)方法求解，只能用能量守恒或動能定理求解.這樣就缺少一個條件，即金屬棒剛穿出磁場時的動能，因此，題目就要增加“金屬棒剛穿出磁場時的速度為v”這一條件.這樣，應(yīng)用動能定理寫出如下表達式

(F-mgsinθ-μmgcosθ)(d+s)+W=

其中W為安培力做的功，為負值，則R上產(chǎn)生的焦耳熱

Q=-W

E組代表則交流了如何為題目創(chuàng)設(shè)一個新的情境，原題是用拉力拉金屬棒，這個拉力是怎么施加的？他們創(chuàng)設(shè)了如圖2所示的情境，用與質(zhì)量為M的重物相連的輕繩通過定滑輪沿導(dǎo)軌方向拉金屬棒.他們正在討論如何解決改造后的題目，初步認為，盡管情境發(fā)生了變化，但解題方法基本相同.

這時，教師絕對不能放過這一重要機會，追問學(xué)生解題方法與原題完全相同嗎？大部分學(xué)生堅持解題方法應(yīng)該相同.教師接著通過如下問題進行啟發(fā)：如果重物的重力與原來施加的拉力F相同，即

Mg=46 N

解題結(jié)果會一樣嗎？各小組進行了討論，很快發(fā)現(xiàn)繩上拉力并不等于重物的重力，而且在金屬棒進入磁場后，由于加速度的變化，拉力也要改變，與原題中一直用恒力F拉金屬棒還是有較大區(qū)別的.這樣，學(xué)生們就認識到，情境的微小變化將帶來問題的實質(zhì)性變化.因此，在解題中看到相似的題目，一定要認真分析，找出其中的區(qū)別，防止落入陷阱.

圖2 E組創(chuàng)設(shè)的新情境

教師進一步引導(dǎo)學(xué)生分析改造后的題目中有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，要求各組討論：如果金屬棒剛穿出磁場時的速度為v，求電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q.(只要求寫出表達式)

各組在討論后，F(xiàn)組代表進行了全班交流，他們認為，系統(tǒng)減少的能量應(yīng)該等于增加的能量，而系統(tǒng)中減少的能量只有重物的重力勢能，而重物和金屬棒的動能、金屬棒的重力勢能、摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能、克服安培力做功產(chǎn)生的電能(等于R上產(chǎn)生的焦耳熱Q)都是增加的，從而寫出如下表達式

Mg(d+s)=mg(d+s)sinθ+

F組代表還交流了小組成員中出現(xiàn)的一些錯誤，比如，有學(xué)生沒有考慮重物增加的動能，有學(xué)生沒有考慮克服摩擦力做功等.

這節(jié)課上，小組合作交流如果沒有達到第四層次，那么互動交流的效果將大打折扣.因此，我們在組織小組合作學(xué)習(xí)時，要引導(dǎo)學(xué)生進行更高層次的交流，使小組合作擺脫解題、講題的束縛，進入改造、創(chuàng)新的境界.