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        創(chuàng)設(shè)真實情境 培養(yǎng)科學(xué)思維

        2022-01-12 04:24:52陳繼紅曹衛(wèi)東陳信余
        物理教師 2021年12期
        關(guān)鍵詞:賽艇小球重力

        蔡 鉗 陳繼紅 曹衛(wèi)東 周 攀 陳信余

        (1.華南師范大學(xué)附屬中學(xué),廣東 廣州 510000;2.廣州教育研究院,廣東 廣州 510062;3.廣州大學(xué)附屬中學(xué),廣東 廣州 510006;4.廣州執(zhí)信中學(xué),廣東 廣州 510062)

        情境,是教學(xué)的重要載體.物理學(xué)科的教學(xué)離不開情境.情境,也是普通高中物理課程改革中出現(xiàn)頻率極高的一個詞,不管是教學(xué),還是考試,情境化是一個重要的方向.《普通高中物理課程標準(2017年)》(2020年修訂)在各章節(jié)的教學(xué)建議中均提出要創(chuàng)設(shè)情境進行教學(xué),這體現(xiàn)了基于情境展開教學(xué)活動的重要性.

        要培養(yǎng)科學(xué)思維,需要創(chuàng)設(shè)什么樣的真實情境?要如何基于真實情境展開師生活動?科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.那么,情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)根據(jù)課程目標的需求,有意識地指向這些要素的培養(yǎng).

        下面,通過理論歸納與實例展示落實科學(xué)思維素養(yǎng)目標的做法.

        1 重視模型建構(gòu)過程的師生活動

        模型建構(gòu)能力是應(yīng)用物理學(xué)知識解決問題的重要能力,要解決實際問題,首先必須能夠從物理學(xué)的視角認識問題,進而將實際問題轉(zhuǎn)化為物理模型,然后調(diào)用物理規(guī)律解決問題.模型建構(gòu)能力的培養(yǎng),最重要的是要突破從現(xiàn)象到物理模型的思維距離(圖1).

        圖1

        《思維的模式》一書將人類接觸現(xiàn)象的過程描述為:“重要性(指人類對事物最突出的印象)”—“表達”—“理解”3個步驟.具體到物理模型的建構(gòu),可以將這一思維過程拓展為“印象”—“描述”—“理解”—“抽象概括”—“形成模型”5個步驟.也就是說,從現(xiàn)象到物理模型,應(yīng)該給予學(xué)生最突出的感官印象、充分的描述和表達的機會、理解的時間和空間、抽象概括的過程以及構(gòu)建物理模型的結(jié)果.這樣將能夠順利突破上文所說的思維的距離.

        下面,以“圓周運動”的一個教學(xué)實例展示這個思維過程.

        圖2

        案例1.如圖2,帶車牌自動識別系統(tǒng)的直桿道閘,離地面高為1m的細直桿可繞O在豎直面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動.汽車從自動識別線AB處到達直桿處的時間為3.3s,自動識別系統(tǒng)的反應(yīng)時間為0.3s;汽車可看成高1.6 m的長方體,其左側(cè)面底邊在a a′直線上,且O到汽車左側(cè)面的距離為0.6m,要使汽車安全通過道閘,直桿轉(zhuǎn)動的角速度至少多大?

        下面通過表1展示教學(xué)活動的過程.

        上述教學(xué)活動中,基于學(xué)生對物理模型建構(gòu)的各個不同的思維階段,給予學(xué)生相應(yīng)的啟發(fā).整個教學(xué)過程圍繞這樣一個思路:汽車不碰到桿的直觀感受——汽車不碰到桿的物理條件——用物理模型建構(gòu)一個汽車不碰到桿的圖形——應(yīng)用已有的物理模型解決問題.在每一個階段,教師應(yīng)給予學(xué)生充分的思維空間和時間,力求最大程度的讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型的建構(gòu)過程.

        值得注意的是,上述的教學(xué)過程雖然側(cè)重了模型建構(gòu)能力的培養(yǎng),但也涉及了分析(對汽車高度、距離以及角度大小的分析)、推理(推出桿轉(zhuǎn)動的時間、桿恰好越過汽車等結(jié)論)等思維過程.一個教學(xué)事件的發(fā)生,必然涉及學(xué)生各方面的素養(yǎng),只是教師根據(jù)不同的素養(yǎng)目標的預(yù)設(shè),開展側(cè)重點不同的教學(xué)活動,從而較好地落實目標.

        2 重視科學(xué)推理的思維過程

        科學(xué)推理是科學(xué)思維的重要體現(xiàn),是科學(xué)思維的“顯性動作”.推理,包括是從一般到特殊的演繹推理、從特殊到一般的歸納推理、從類似的現(xiàn)象進行遷移的類比推理.下面通過教學(xué)實例探討基于真實情境進行推理的教學(xué)活動.

        在探究重力做功是否跟路徑有關(guān)的問題中,在教師的引導(dǎo)下,某實驗小組對重力做功與路徑無關(guān)產(chǎn)生質(zhì)疑,想從真實實驗情境中證實這個結(jié)果,于是設(shè)計了下面幾組真實實驗情境進行探究.

        該小組通過表2中的3個不同情境的實驗,發(fā)現(xiàn)v1與v2幾乎相等,v3略小一點,但誤差范圍內(nèi)v1、v2、v3可以視為相等.

        表2

        教師引導(dǎo)學(xué)生進行推理:情境1中小球沿著圓弧路徑運動、情境2中小球沿著豎直路徑運動、情境3中小球沿著光滑斜面運動,從小球到達斜面底端的速度相等這個事實,同學(xué)的結(jié)論是什么?

        學(xué)生:小球沿著3個不同的路徑到達光電門處,但路徑的高度差一樣,小球到達底端的速率也一樣.這說明這3種情況重力對小球做功的大小相等.

        教師:那么,我們是否可以將這個結(jié)論進行這樣的拓展:如果小球沿著其他路徑運動,只要高度差一樣,重力做的功相等.從理論上是否能夠論證這一結(jié)論?

        師生交流:如圖3,小球沿著不規(guī)則的曲線軌道下滑,下滑的豎直高度為H,重力對小球做功多大?

        圖3

        根據(jù)功的定義:力與沿著力方向的位移的乘積,可以輕松得到重力做功為m gH,這與前面的3個實驗的結(jié)果一致.

        可以進一步探討:如圖4,將曲線軌道分為無數(shù)段無限小的軌道,每段軌道可以近似為直線軌道.第一段軌道長ΔL1,其與豎直方向夾角為θ1,根據(jù)功的定義,重力做功為mgΔL1cosθ1=mgΔH1,從而可得小球從軌道頂端下滑豎直高度為H的過程中,重力對小球做的功為W=mg(ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+…)=mgH.

        圖4

        上述教學(xué)過程,通過3個真實的情境獲得3個特定的結(jié)果,在通過結(jié)果的比較演繹推理得到重力做功與路徑?jīng)]有關(guān)系的初步結(jié)論.這是在足夠多的“感性材料”的基礎(chǔ)上,運用推理的思維方式獲得的初步結(jié)論.接著,質(zhì)疑結(jié)論的普遍性:通過這3個情境得出的結(jié)論是否能夠得出一個普遍成立的規(guī)律?于是,教師運用功的定義和公式結(jié)合數(shù)學(xué)方法進行多角度的分析,最終得到一個令學(xué)生信服的結(jié)論:重力做功與路徑無關(guān),等于重力與高度差的乘積.

        教師進而向?qū)W生提出一個更普遍的問題:是否與重力性質(zhì)類似的力做功,其大小都與路徑無關(guān)?

        這一過程,讓學(xué)生經(jīng)歷了一個結(jié)論形成的完整的思維過程:從感性材料出發(fā),一步步演繹、推理,結(jié)合定量分析,最終歸納得出結(jié)論,這對培養(yǎng)科學(xué)推理能力、落實科學(xué)思維素養(yǎng)目標的培養(yǎng)是有效的.

        同樣的,上述教學(xué)不僅僅局限在科學(xué)推理這一要素,其中也涉及了質(zhì)疑、論證等方面思維的啟發(fā)和培養(yǎng).也就是說,任何教學(xué)過程對學(xué)生思維發(fā)展的影響都不是孤立的,而是全面的,只是教師在教學(xué)過程中側(cè)重點不同而促使教學(xué)目標指向不同.

        3 重視質(zhì)疑創(chuàng)新的問題情境

        質(zhì)疑是科學(xué)發(fā)展的重要動力,提出問題比解決問題更重要已經(jīng)成了一種共識.在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上,思考、尋找解決疑問的方法,最終得到解決問題的策略,就是一種創(chuàng)新.下面,通過一個基于真實情境的習(xí)題的教學(xué)案例,探討培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新能力的一種方式.

        案例2.如圖5,單人雙槳賽艇比賽中,運動員用雙槳同步劃水使賽艇沿直線運動.運動員每次動作分為劃水和空中運槳兩個階段.假設(shè)劃水和空中運槳用時均為0.8s,賽艇(含運動員、雙槳)質(zhì)量為70k g,受到的阻力恒定,劃水時雙槳產(chǎn)生動力大小為賽艇所受阻力的2倍.某時刻雙槳剛?cè)胨畷r賽艇的速度大小為4m/s,緊接著運動員完成1次動作,此過程賽艇前進8m.求

        圖5

        (1)劃水和空中運槳兩階段賽艇的加速度大小之比;

        (2)賽艇的最大速度大小和受到的恒定阻力大小.

        該題的解答過程比較簡單,題目已經(jīng)將賽艇的運動抽象成這樣的物理模型:劃槳時,賽艇做勻加速直線運動;空中運槳時,賽艇做勻減速直線運動.這利用動力學(xué)規(guī)律不難解答.解完這個問題,筆者覺得這么好的素材情境應(yīng)該發(fā)揮更大的作用,于是向?qū)W生提出這樣一個問題:大家有沒有見過賽艇,賽艇的運動真的是這樣的嗎?我們把運動過程抽象成先勻加速、后勻減速直線運動的過程,這會不會與現(xiàn)實偏離太大?

        問題一拋出,頓時鴉雀無聲.顯然,學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于這樣的理想化方式,對于是否合理已經(jīng)沒有思考的習(xí)慣了.當然,有個別學(xué)生說他也有這樣的疑問.

        于是,筆者讓學(xué)生課后去查閱資料,下一節(jié)課再來解決問題.

        最后,通過查閱資料,有學(xué)生找到對賽艇劃水比較合理的建模方式:賽艇的運動可以抽象成一個勻速直線運動疊加一個簡諧運動,它運動的速度-時間圖像大致如圖6所示.

        圖6

        于是教師進一步提問:賽艇的真實的速度圖像與該題中運動的v-t圖差異大嗎?

        學(xué)生在圖6中作出了題目所建立模型的運動圖像的v-t圖,如圖7所示,發(fā)現(xiàn)兩個圖像比較接近.教師借機提出這樣的觀點:簡諧運動的圖像中,絕大部分與直線非常接近,基于高中階段的知識限制,把賽艇的簡諧運動簡化為先勻加速后勻減速直線運動的模型,是可以接受的.這樣的結(jié)論,得到多數(shù)學(xué)生的支持,還有少部分質(zhì)疑的學(xué)生,他們會繼續(xù)鉆研、繼續(xù)查閱資料、繼續(xù)發(fā)現(xiàn)問題,這不就是教學(xué)的目的嗎?

        圖7

        這一教學(xué)過程,不僅能夠讓學(xué)生重新發(fā)現(xiàn)一個物理模型簡化思路,更能夠培養(yǎng)學(xué)生對習(xí)以為常的事實產(chǎn)生質(zhì)疑的習(xí)慣,引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑之后尋找解決問題的創(chuàng)新的思路和方法.

        4 結(jié)論

        綜上所述,在創(chuàng)設(shè)真實情境的教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)思維,從創(chuàng)設(shè)情境到基于情境進行教學(xué),每一個環(huán)節(jié)都不是孤立的,每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)該落在學(xué)生思維的關(guān)鍵點上,在最恰當?shù)臅r候進行啟發(fā),推動學(xué)生的思維順著預(yù)設(shè)的教學(xué)路徑前進.同樣,對于培養(yǎng)科學(xué)思維的各個要素的教學(xué)策略也不是孤立的,模型建構(gòu)過程需要分析推理,分析推理過程涉及抽象概括,只是選擇的側(cè)重點不同罷了.希望上述的案例,能夠為真實情境的教學(xué)如何培養(yǎng)科學(xué)思維提供思路與啟發(fā).

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