顧建元

(蘇州工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 蘇州 215021)

學(xué)習(xí)方式的變革,是新一輪基礎(chǔ)教育改革的顯著特征.核心素養(yǎng)的提出,為學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變提供了引領(lǐng)性方向.高中物理教學(xué)應(yīng)聚焦學(xué)科核心素養(yǎng),讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究、合作學(xué)習(xí)、綜合實(shí)踐,逐步形成物理觀念、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,以及科學(xué)思維和科學(xué)創(chuàng)新.然而,目前的高中物理教學(xué)“過分注重系統(tǒng)知識(shí)的傳授,忽視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”的現(xiàn)象隨處可見;學(xué)生處于“死記硬背、淺層學(xué)習(xí)”的狀態(tài)依然存在.只會(huì)記概念、規(guī)律等靜態(tài)結(jié)論,而不重視得出結(jié)論的過程;只會(huì)照葫畫瓢,模仿性地解決簡單的物理問題,而對(duì)于復(fù)雜的情景問題,不會(huì)透過現(xiàn)象看本質(zhì),不會(huì)在現(xiàn)實(shí)情景中建構(gòu)隱含其中的物理模型等.可見,改變物理學(xué)習(xí)方式、提升學(xué)科核心素養(yǎng),需要廣大物理教師必須立足于課堂.下面,以“機(jī)車兩種起動(dòng)方式”為例,談?wù)剳?yīng)用模型遷移學(xué)習(xí)法培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

1 模型構(gòu)建,立足自主性學(xué)習(xí)

構(gòu)建物理模型,是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法.學(xué)習(xí)高中物理,在一定程度上就是學(xué)生構(gòu)建物理模型、應(yīng)用物理模型的過程.重視對(duì)學(xué)生建模意識(shí)的培養(yǎng),是提高學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的行之有效方法.在教學(xué)實(shí)施過程中,我們不能以教師的“講”代替學(xué)生的“學(xué)”.為此,在學(xué)習(xí)“機(jī)車兩種起動(dòng)方式”時(shí),我們采用“問題導(dǎo)學(xué)法”,從學(xué)生的生活實(shí)際出發(fā),提出系列問題來促進(jìn)學(xué)生自主思考、自主學(xué)習(xí),并自主構(gòu)建物理模型,取得了較好的教學(xué)效果.探究問題的設(shè)計(jì)如下.

(1) 汽車從靜止開始到起動(dòng)的過程中受幾個(gè)力?(設(shè)計(jì)目的:引出“牽引力”.)

(2) 汽車換擋、加大油門是怎么回事?(設(shè)計(jì)目的:引導(dǎo)學(xué)生了解汽車的速度由變速器控制,調(diào)節(jié)變速器改變車速,俗稱“換擋”.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率改變可以通過控制油門改變供油量來實(shí)現(xiàn).加大油門提高功率,減小油門降低功率;油門調(diào)節(jié)到最大,其功率達(dá)到最大.)

(4) 汽車起動(dòng)可能做何種運(yùn)動(dòng)?(設(shè)計(jì)目的:通過分組討論得出，汽車可能做勻加速運(yùn)動(dòng)或變加速運(yùn)動(dòng)兩種情況.)

(5) 請(qǐng)對(duì)汽車的兩種起動(dòng)過程進(jìn)行受力分析、運(yùn)動(dòng)過程分析,并畫出其速度-時(shí)間圖像.(設(shè)計(jì)目的:通過分組討論,構(gòu)建出兩種模型:模型1,汽車在牽引力一定時(shí)起動(dòng),做勻加速直線運(yùn)動(dòng);模型2,汽車在功率一定時(shí)起動(dòng),先做變加速運(yùn)動(dòng),后做勻速運(yùn)動(dòng).)

(6) 請(qǐng)求出模型1中汽車能達(dá)到的最大速度vm′和這一過程維持的時(shí)間.(設(shè)計(jì)目的:應(yīng)用牛頓第二定律和瞬時(shí)功率解決實(shí)際問題.)

(7) 請(qǐng)求出模型2中汽車能達(dá)到的最大速度vm,并比較vm和vm′的大小關(guān)系.(設(shè)計(jì)目的:比較是理解和思維的基礎(chǔ),通過比較兩種模型中的最大速度,可以發(fā)現(xiàn)它們的不同點(diǎn),防止知識(shí)混淆,提高思辨能力,促進(jìn)知識(shí)進(jìn)階.)

設(shè)計(jì)意圖:在物理教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型、領(lǐng)悟科學(xué)方法,直接關(guān)系到學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的成敗.根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和思維水平,教師創(chuàng)設(shè)系列遞進(jìn)式的問題,引導(dǎo)學(xué)生明確探究方向和目標(biāo),并進(jìn)行科學(xué)研究方法和思路的點(diǎn)撥,驅(qū)動(dòng)學(xué)生積極地思考、自主地探究,在問題解決過程中提升思維能力和科學(xué)素養(yǎng),在合作學(xué)習(xí)中增強(qiáng)責(zé)任意識(shí).教師把時(shí)間還給學(xué)生,促進(jìn)學(xué)習(xí)從“被組織”向“自組織”轉(zhuǎn)變,讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人.

2 模型變換,促進(jìn)深度性學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是相對(duì)于淺層學(xué)習(xí)所提出的一個(gè)概念.淺層學(xué)習(xí)的最大特征,是學(xué)生被動(dòng)地、機(jī)械地、孤立地記憶所傳授的知識(shí).深度學(xué)習(xí)是一種基于高階思維發(fā)展的理解性學(xué)習(xí),具有理解與批判、聯(lián)系與構(gòu)建、遷移與應(yīng)用的特征.深度學(xué)習(xí)不僅需要學(xué)生積極主動(dòng)地參與,還需要教師通過確立高階思維發(fā)展的學(xué)習(xí)目標(biāo)、整合學(xué)習(xí)內(nèi)容、創(chuàng)設(shè)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的真實(shí)情境,激發(fā)學(xué)生深入地思考,靈活地把原有知識(shí)結(jié)構(gòu)、物理模型、思維方法等遷移到新的情境中,在解決問題中發(fā)展學(xué)習(xí)能力,提升學(xué)科素養(yǎng).

實(shí)踐告訴我們,基于問題的教學(xué)設(shè)計(jì)是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效策略之一.為了促進(jìn)學(xué)生對(duì)模型的真正理解,擺脫死記硬背的淺層學(xué)習(xí)、低階思維狀態(tài),我們?cè)趯W(xué)生建立起“機(jī)車兩種起動(dòng)方式”基本模型之后,采用模型“變臉”或“換裝”方式,及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)原模型的理解能力、遷移能力,讓學(xué)生通過對(duì)新情景問題的批判性學(xué)習(xí),促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知發(fā)展.為此,我們呈現(xiàn)了如下問題.

圖1

(1) 根據(jù)圖線ABC判斷汽車做什么運(yùn)動(dòng)?

(2)v2的大小;

(3) 整個(gè)運(yùn)動(dòng)中的最大加速度;

(4) 當(dāng)汽車的速度為20 m/s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為多大?

設(shè)計(jì)意圖:深度學(xué)習(xí),更強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)方式和發(fā)展價(jià)值的內(nèi)涵和品質(zhì).深度學(xué)習(xí)理念下的物理學(xué)習(xí)活動(dòng),不僅是求知活動(dòng),更是一種生命體驗(yàn)和感悟活動(dòng).教師要準(zhǔn)確挖掘教材的核心知識(shí)、整體結(jié)構(gòu)和豐富內(nèi)涵;要積極地創(chuàng)設(shè)問題新情景,讓學(xué)生在新情景中挖掘并建立模型,使問題解決得到簡化,在學(xué)習(xí)活動(dòng)中加深對(duì)物理規(guī)律的理解和把握,在認(rèn)知、建構(gòu)中提升學(xué)習(xí)力,在體驗(yàn)、感悟中提升學(xué)科素養(yǎng),從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)從“淺層學(xué)習(xí)”向“深度學(xué)習(xí)”過渡.

3 模型遷移,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性學(xué)習(xí)

模型的類比和遷移,是高中物理重要的學(xué)習(xí)方法之一.對(duì)原模型的理解、深度學(xué)習(xí)的品質(zhì)和效果,還表現(xiàn)在能否將原有模型順利地遷移到新的情景中.如何讓知識(shí)的學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變成學(xué)科素養(yǎng)的形成過程,筆者認(rèn)為不應(yīng)把教學(xué)的重心過多放在知識(shí)點(diǎn)的鞏固上,尤其是通過“題海戰(zhàn)術(shù)”,進(jìn)行“熟練工”的訓(xùn)練上,而應(yīng)該轉(zhuǎn)向讓學(xué)生通過知識(shí)的遷移和應(yīng)用,拓寬知識(shí)的寬度,加深思維的深度,提升學(xué)科素養(yǎng)和學(xué)習(xí)能力的高度,這才是學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的學(xué)習(xí)活動(dòng).要把機(jī)車起動(dòng)兩種模型的學(xué)習(xí),進(jìn)一步升華為學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),可以把模型進(jìn)一步隱身于在其他知識(shí)板塊中,給學(xué)生提供“庖丁解?！敝畽C(jī),讓其創(chuàng)造性地解決問題,促進(jìn)學(xué)生能力和素養(yǎng)的全面提升.

3.1 機(jī)車起動(dòng)模型隱身于力學(xué)板塊模型

例2.(2010年福建高考題改編)如圖2所示,物體A放在足夠長的木板B的右端,木板B靜止于水平面.t=0時(shí),電動(dòng)機(jī)通過水平細(xì)繩以恒力F拉木板B,使之做初速度為0,加速度為aB=1.0 m/s2的勻加速直線運(yùn)動(dòng).已知A的質(zhì)量mA和B的質(zhì)量mB均為2.0 kg,A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0.05,B與水平面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2=0.1,最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力大小視為相等,重力加速度g取10 m/s2.求:

圖2

(1) 物體A剛運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度aA大小和方向;

(2)t=1.0 s時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出功率P;

(3) 若t=1.0 s時(shí),將電動(dòng)機(jī)的輸出功率立即調(diào)整為P′=5 W,并在以后的運(yùn)動(dòng)過程中始終保持這一功率不變,則再經(jīng)過多長時(shí)間物體A與木板B的速度相等?

解析:“板塊模型”中涉及到兩個(gè)物體的受力和運(yùn)動(dòng),對(duì)學(xué)生而言有一定難度,再把“機(jī)車兩種起動(dòng)模型”嵌入其中,無疑對(duì)受力分析和運(yùn)動(dòng)過程分析要求較高,難度較大.但是,如果能從試題信息中建立起這兩種模型,并對(duì)兩種模型的理解和處理方法比較熟悉,解決該問題就會(huì)迎刃而解.為此,在日常教學(xué)中,夯實(shí)基礎(chǔ)、通透模型至關(guān)重要.

3.2 機(jī)車起動(dòng)模型隱身于電磁感應(yīng)中框架模型

例3.如圖3甲所示,空間存在B=0.5 T、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場,MN、PQ是相互平行的粗糙的長直導(dǎo)軌,處于同一水平面內(nèi),其間距L=0.2 m,R是連在導(dǎo)軌一端的電阻,ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m=0.1 kg的導(dǎo)體棒,從0時(shí)刻開始,通過一小型電動(dòng)機(jī)對(duì)ab棒施加一個(gè)牽引力F,方向水平向左,使其從靜止開始沿導(dǎo)軌做加速運(yùn)動(dòng),此過程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,圖3乙是棒的速度-時(shí)間圖像,其中OA段是直線,AC是曲線,DE是曲線圖像的漸近線,小型電動(dòng)機(jī)功率在12 s末達(dá)到額定功率Pm=4.5 W,此后功率保持不變,除R以外,其余部分的電阻均不計(jì),取g=10 m/s2.求:

甲 乙

(1) 導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)和電阻R的阻值;

(2) 若t=17 s時(shí),導(dǎo)體棒ab達(dá)最大速度,從0～17 s內(nèi)共發(fā)生位移100 m,試求12～17 s內(nèi),R上產(chǎn)生的熱量及通過R的電荷量q.

解析:本題貌似電磁感應(yīng)中非常熟悉的“框架模型”,可一旦做起來,多數(shù)學(xué)生感到困難,究其原因是對(duì)圖像的分析能力不足,不能準(zhǔn)確地把“機(jī)車起動(dòng)的兩種模型”遷移至此.其實(shí),從圖像上看0～12 s內(nèi)棒做勻加速運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于“機(jī)車起動(dòng)模型1”;12 s后功率保持Pm=4.5 W不變,棒先做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng),DE是曲線圖像的漸近線,在C以后內(nèi)棒以10 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于“機(jī)車起動(dòng)模型2”.理解導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)類似于汽車的兩種起動(dòng)方式,對(duì)棒的受力情況和問題的處理會(huì)順利突破.

設(shè)計(jì)意圖: 熟練應(yīng)用模型方法,是學(xué)生應(yīng)該具備的物理素養(yǎng).力學(xué)中的“板塊模型”、電磁學(xué)中的“框架模型”和“機(jī)車的兩種起動(dòng)模型”,都是高中物理極其重要的模型,能夠巧妙地把它們?nèi)诤显谝黄鹁褪且环N創(chuàng)造,讓學(xué)生在復(fù)雜問題和跨單元知識(shí)的綜合模型中清晰地構(gòu)建新情景下的物理模型,迅速找到解決問題的方法,正是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的較好體現(xiàn).通過這樣的情景體驗(yàn),不僅開闊了學(xué)生視野,而且培養(yǎng)了學(xué)生靈活思變、舉一反三、融會(huì)貫通的創(chuàng)造性思維能力,學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)將在問題解決中得到有效發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)由“深度學(xué)習(xí)”向“創(chuàng)造性學(xué)習(xí)”的高質(zhì)飛躍.

以上學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì),依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和認(rèn)知能力,創(chuàng)設(shè)了情景問題,較好地激發(fā)了學(xué)生的探究熱情,有效地促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性地學(xué)習(xí),學(xué)生在建模、析模、用模中不斷地積累方法、提升能力、豐富素養(yǎng).實(shí)踐證明,模型遷移學(xué)習(xí)法是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑之一.

阿里巴巴董事會(huì)主席馬云先生在2017年9月無錫召開的世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)上,發(fā)表了主題為“物聯(lián)改變未來”的演講:未來死記硬背的東西都會(huì)被計(jì)算機(jī)所取代,人所要做的是必須讓機(jī)器像人一樣去學(xué)習(xí).可見,學(xué)習(xí)方式的變革刻不容緩,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和學(xué)科核心素養(yǎng)意義重大.我們每一位教育工作者都應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、思維能力落實(shí)在每一個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)中,為全面提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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