趙 丹

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出物理教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)終身發(fā)展的能力為教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)以此目標(biāo)為指引,注重學(xué)生的經(jīng)歷體驗(yàn),重視發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。而在以往的教學(xué)中,教師關(guān)注的重點(diǎn)是學(xué)生知識(shí)的掌握情況,為了達(dá)到此目的,會(huì)進(jìn)行大量的習(xí)題訓(xùn)練。長(zhǎng)此以往學(xué)生學(xué)到的通常是解題的技巧,失去了對(duì)物理問(wèn)題探索的欲望,形成專注解題的思維模式。當(dāng)遇到具體情景的物理問(wèn)題時(shí),由于思維的干擾性和片面性,學(xué)生會(huì)遇到一定的思維障礙。與習(xí)題訓(xùn)練相比教學(xué)活動(dòng)更應(yīng)該關(guān)注的是如何突破學(xué)生的思維障礙,提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。本文中通過(guò)目標(biāo)明確的活動(dòng)設(shè)計(jì),創(chuàng)設(shè)一定的問(wèn)題情景,引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)觀念的建立過(guò)程,在探究體驗(yàn)中思維碰撞,突破思維障礙,解決實(shí)際問(wèn)題,提升科學(xué)思維品質(zhì)。

一、由宏觀到微觀,類比問(wèn)題情景

由于缺乏微觀世界的了解和認(rèn)識(shí),對(duì)于微觀世界抽象的概念和規(guī)律,學(xué)生很難建立起正確的觀念。如何突破由宏觀到微觀的思維障礙? 這里可以采用類比的方法,創(chuàng)計(jì)一個(gè)類似的宏觀情景,并與微觀問(wèn)題進(jìn)行對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)活動(dòng)的討論與探究,逐步的學(xué)會(huì)從復(fù)雜的情境中把所研究的問(wèn)題剝離出來(lái),建立正確的物理模型,實(shí)現(xiàn)由宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變。

案例1:《單分子油膜法估測(cè)分子的大小》是學(xué)生走進(jìn)微觀世界的大門,是學(xué)生了解微觀世界物理規(guī)律的伊始。該實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生需完成利用宏觀物理量的測(cè)量來(lái)完成微觀量的估測(cè)。在實(shí)驗(yàn)原理的討論環(huán)節(jié)中有一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容:如何建立單分子油膜的物理模型。對(duì)于完全陌生的微觀世界,學(xué)生很難正確的建立物理模型。這里可以設(shè)計(jì)以下類比討論活動(dòng),來(lái)實(shí)現(xiàn)由宏觀到微觀世界的轉(zhuǎn)變。

【學(xué)生活動(dòng)】:小組討論如何測(cè)量一顆綠豆直徑的大小

【實(shí)驗(yàn)器材】:刻度尺、直角三角尺(兩個(gè))、量筒、畫有方格的白紙

【方案1】:將N個(gè)綠豆排成一列,測(cè)量這一列綠豆的總長(zhǎng)度L,通過(guò)計(jì)算得到一顆綠豆的直徑D=L/N。

【方案2】:利用“排水法”測(cè)量出綠豆的體積V0,然后通過(guò)V0=公式計(jì)算出綠豆的直徑D。

【方案3】:利用“排水法”測(cè)量出N 顆綠豆的總體積V,計(jì)算出一顆綠豆的體積V0=V/N,然后通過(guò)公式計(jì)算出綠豆的直徑。

【方案4】:利用“排水法”測(cè)量若干綠豆的體積V,然后把綠豆平鋪成緊密排列的圖形,測(cè)出其面積S,根據(jù)D=V/S計(jì)算得到綠豆的厚度(綠豆的直徑)。

經(jīng)過(guò)小組討論,學(xué)生比較容易得到方案1、2、3。教師可以利用實(shí)物模型引導(dǎo)學(xué)生得到實(shí)驗(yàn)方案4,通過(guò)尋找測(cè)量微小尺度的方法,滲透累計(jì)放大的物理思想。并類比測(cè)量一顆綠豆直徑大小的方法,引導(dǎo)學(xué)生分析如何實(shí)現(xiàn)油酸分子直徑的測(cè)量,正確地建立單分子油膜模型。通過(guò)宏觀實(shí)驗(yàn)與微觀相關(guān)問(wèn)題的類比,學(xué)生經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)方案的形成過(guò)程,加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解,逐步形成正確的物理觀念。

二、由現(xiàn)象到本質(zhì),再現(xiàn)物理過(guò)程

習(xí)題教學(xué)中存在著重計(jì)算結(jié)果,輕思維過(guò)程的現(xiàn)狀。而習(xí)題教學(xué)的有效性,不僅影響著學(xué)生知識(shí)的掌握水平而且也影響著思維能力、探究能力的提升。在以往的反饋中,常常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于學(xué)生思維存在著片面性,憑借對(duì)問(wèn)題的粗淺了解和草率分析就得出結(jié)論,對(duì)于物理過(guò)程的本質(zhì)不能深入理解,以至于不能正確的解決問(wèn)題。因此習(xí)題課教學(xué)中,突破學(xué)生思維障礙的關(guān)鍵在于讓學(xué)生深入地了解物理現(xiàn)象,理清物理過(guò)程,以此達(dá)到從簡(jiǎn)單的低階思維上升到高階思維的目的。本案例,創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生從理論分析和實(shí)驗(yàn)探究?jī)蓚€(gè)角度對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行分析。

案例2:如圖所示,一根長(zhǎng)L的細(xì)繩,固定在O點(diǎn),繩另一端系一條質(zhì)量為m的小球。使細(xì)繩與水平方向成θ=30°角。求小球從A點(diǎn)由靜止釋放后到達(dá)最低點(diǎn)C的速度。(L=36.5cm,g=9.8m/s2)

分析過(guò)程:大部分學(xué)生在分析時(shí),認(rèn)為小球從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)的過(guò)程中小球的機(jī)械能守恒。

【理論運(yùn)算】:根據(jù)機(jī)械能守恒定律,求解過(guò)程如下:

解得:vC=2gL(1+sinθ) ≈3.28m/s

【實(shí)驗(yàn)探究】利用光電門傳感器,在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量相同情景中小球在最低點(diǎn)的速度VC,測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為VC=1.946m/s。(實(shí)驗(yàn)所需器材:光電門傳感器,數(shù)據(jù)采集器,計(jì)算機(jī),固定輕繩的小球)

【發(fā)現(xiàn)與討論】小球在最低點(diǎn)C點(diǎn)的速度實(shí)驗(yàn)測(cè)量值1.946m/s2明顯小于理論運(yùn)算值3.28m/s。請(qǐng)學(xué)生結(jié)合小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程思考,實(shí)驗(yàn)測(cè)量值小于理論運(yùn)算值的原因。大部分學(xué)生會(huì)猜想是由于空氣阻力做功,導(dǎo)致了機(jī)械能的損失ΔE機(jī)1。同學(xué)們的猜想是否正確,用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。將小球拉至水平位置的D點(diǎn),輕繩處于拉直狀態(tài),靜止釋放小球,測(cè)量其運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)的速度,計(jì)算出小球從點(diǎn)D到點(diǎn)C的過(guò)程中的機(jī)械能損失ΔE機(jī)2。比較兩個(gè)過(guò)程中機(jī)械能損失ΔE機(jī)1和ΔE機(jī)2的大小,學(xué)生很容易判斷之前的猜想是錯(cuò)誤的。針對(duì)案例2 中物理過(guò)程的問(wèn)題情境作細(xì)節(jié)性分析,可分為自由落體運(yùn)動(dòng)、繩子繃直、圓周運(yùn)動(dòng)三個(gè)階段。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論,前后兩個(gè)過(guò)程由于只有重力做功,機(jī)械能守恒。機(jī)械能損失一定發(fā)生在繩子繃直這一階段。進(jìn)而從理論上分析,繩子繃直時(shí)在沿繩收縮的方向上產(chǎn)生彈力,產(chǎn)生加速度,使該方向上的分速度減小為零。從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)分析,由于繩的拉力對(duì)小球做負(fù)功,小球的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為繩子內(nèi)能,因此繩子繃直這一階段小球的機(jī)械能并不守恒。

教學(xué)過(guò)程中利用實(shí)驗(yàn)活動(dòng)把輕繩做功這個(gè)抽象的物理問(wèn)題直觀化,讓學(xué)生從數(shù)據(jù)上感受輕繩做功的存在,激發(fā)學(xué)生探究的強(qiáng)烈欲望和深入思考。在理論運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)探究、啟發(fā)討論的基礎(chǔ)上,以學(xué)生為中心開(kāi)展問(wèn)題求解的學(xué)習(xí)活動(dòng),發(fā)展學(xué)生的思維深度,提升學(xué)生對(duì)物理過(guò)程本質(zhì)的深度認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生面對(duì)真實(shí)的物理情境,利用理論分析和實(shí)驗(yàn)探究雙重角度,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并作出科學(xué)分析,促進(jìn)高階思維的形成。通過(guò)物理過(guò)程的再現(xiàn),激發(fā)學(xué)生的深入思考,在矛盾結(jié)果的討論中,促進(jìn)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的提升。

三、由生活概念到物理觀念,創(chuàng)設(shè)課外探究活動(dòng)

憑借生活中的經(jīng)歷,學(xué)生頭腦中會(huì)建立一些與物理學(xué)習(xí)有關(guān)的前置概念。其中有些正確的前置概念對(duì)物理學(xué)習(xí)有正面作用,但也有些生活概念由于本身存在錯(cuò)誤,或由于生活概念與物理觀念之間存在區(qū)別,對(duì)物理的學(xué)習(xí)造成一定的阻礙?？茖W(xué)思維培養(yǎng)存在一定的干擾性,因此部分學(xué)生在由生活概念遷移到物理觀念時(shí),會(huì)存在一定的思維障礙。而正確觀念的形成應(yīng)該在具體的問(wèn)題情境中,通過(guò)活動(dòng)參與,在探究討論中逐步建構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此在將生活概念轉(zhuǎn)變到物理觀念這個(gè)問(wèn)題上,創(chuàng)設(shè)情景提供平臺(tái)讓學(xué)生參與探究是一條有效途徑。

案例3:《超重與失重》這節(jié)課是牛頓第二定律的一節(jié)理論應(yīng)用課。在學(xué)習(xí)這節(jié)課之前,部分學(xué)生在生活中會(huì)建立起超重就是重力增加,失重就是減小的生活概念。如何厘清這個(gè)錯(cuò)誤的概念? 本案例中,學(xué)生通過(guò)課外探究活動(dòng)發(fā)現(xiàn)生活概念的錯(cuò)誤所在,并在教師的引導(dǎo)下逐步建立正確的物理觀念。

【學(xué)生活動(dòng)】:請(qǐng)學(xué)生按照小組,利用業(yè)余時(shí)間參與探究活動(dòng)。在觀光電梯內(nèi)錄制視頻:體重計(jì)示數(shù)的變化,并完成數(shù)據(jù)記錄。

電梯狀態(tài):靜止 加速上升 勻速上升 減速上升

體重計(jì)示數(shù):__________________________________________

電梯狀態(tài):靜止 加速下降 勻速下降 減速下降

體重計(jì)示數(shù):__________________________________________

通過(guò)確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,學(xué)生會(huì)意識(shí)到生活概念的不準(zhǔn)確性,并通過(guò)討論得到視重(體重計(jì)上的示數(shù))、實(shí)重(物體實(shí)際受到的重力)的含義,最終通過(guò)視重和實(shí)重的對(duì)比,結(jié)合物體的運(yùn)動(dòng)情況分析,建立起超重和失重的物理觀念?；顒?dòng)的參與過(guò)程中,學(xué)生錄制實(shí)驗(yàn)視頻和觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并實(shí)事求是地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研討,更新了原有頭腦中錯(cuò)誤的生活概念的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了將學(xué)習(xí)興趣轉(zhuǎn)化為合作探究的能力。

本文中的三個(gè)教學(xué)案例,巧妙地利用活動(dòng)設(shè)計(jì),有目的有計(jì)劃地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng),促進(jìn)學(xué)生物理知識(shí)的建構(gòu),加強(qiáng)學(xué)生在探究經(jīng)歷中的體驗(yàn),激發(fā)學(xué)生在體驗(yàn)中的深度思考。學(xué)生在活動(dòng)中,通過(guò)合作交流和實(shí)踐探究,提升了實(shí)驗(yàn)觀察的能力和勇于提出質(zhì)疑的勇氣,突破原有的思維障礙。通過(guò)知識(shí)方法的類比遷移、理論實(shí)驗(yàn)的對(duì)比探究、感性思維理性思維的碰撞,促進(jìn)物理觀念的形成和科學(xué)思維能力的提升。