楊換換
【摘? 要】發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是物理教學(xué)的重要教學(xué)目標(biāo)之一,也是教學(xué)改革的難點(diǎn),因此,發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維越來(lái)越受到教師的關(guān)注。創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境在初中物理教學(xué)中已經(jīng)成為發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的有效載體,由此本文通過(guò)創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯?wèn)題情境,在教師問(wèn)題鏈的引導(dǎo)下促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解,同時(shí)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
【關(guān)鍵詞】科學(xué)思維;創(chuàng)設(shè)情境;初中物理
一、問(wèn)題的提出
科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容,發(fā)展物理核心素養(yǎng)的關(guān)鍵是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力,在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力有關(guān)鍵作用。建構(gòu)物理模型是科學(xué)思維的重要內(nèi)容之一,因此,本文將問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)轉(zhuǎn)化為物理模型的建構(gòu)。
力學(xué)綜合題在初中物理學(xué)中是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn),學(xué)生認(rèn)為力學(xué)綜合題難學(xué)的主要原因:知識(shí)之間的聯(lián)系較多,出現(xiàn)的物理過(guò)程較多,需要較強(qiáng)的提取信息的能力和科學(xué)思維能力。雖然力學(xué)綜合題很難學(xué),但它卻是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維很好的載體。
為此,本文以初中力學(xué)綜合題為例,以問(wèn)題情境為探究的載體,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。
二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路
力學(xué)綜合題是初三物理的專題復(fù)習(xí)課,學(xué)生已經(jīng)有了力學(xué)的相關(guān)概念,但這些概念可能是零散的。筆者所在學(xué)校位于偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn),學(xué)生的學(xué)習(xí)能力普遍較弱。因此,筆者在仔細(xì)研讀課程標(biāo)準(zhǔn)和教材的前提下為解決力學(xué)綜合題,讓學(xué)生吃透簡(jiǎn)單題,將力學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái),把問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為建構(gòu)物理模型,擬建立起學(xué)生處理力學(xué)綜合題的基本思維路徑,從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。
本文對(duì)物理教學(xué)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化,其主要特征就是對(duì)學(xué)生的思維過(guò)程顯性化。教師以有層次、有梯度的問(wèn)題鏈展開(kāi)教學(xué),讓學(xué)生經(jīng)歷將問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為物理模型的過(guò)程,經(jīng)歷科學(xué)推理、科學(xué)論證等具體的思維活動(dòng)。學(xué)生明確并經(jīng)歷這些思維活動(dòng),能夠提升自己的科學(xué)思維能力。
(一)問(wèn)題情境為教學(xué)載體
以農(nóng)村蓋房子為例,如圖1所示,已知支架和繩子能承受的最大力是一定的,且已知拉力和沙子重力,如何計(jì)算動(dòng)滑輪重力?為了保證安全,工人用此滑輪組可以達(dá)到的最大機(jī)械效率是多少呢?
學(xué)生對(duì)這樣的情境較為熟悉,但并不會(huì)分析這樣的實(shí)際問(wèn)題,通過(guò)這樣的問(wèn)題情境容易引發(fā)學(xué)生對(duì)生活實(shí)際問(wèn)題的關(guān)注和思考。
(二)顯性化思維過(guò)程
以農(nóng)村蓋房子所用的滑輪組為主問(wèn)題貫穿教學(xué),將問(wèn)題拆分成幾個(gè)問(wèn)題鏈進(jìn)行分析,通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題發(fā)展思維能力。整體教學(xué)思維如圖2所示。
三、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,發(fā)展科學(xué)思維
創(chuàng)設(shè)情境是解決具體問(wèn)題的關(guān)鍵,通過(guò)問(wèn)題的解決可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的養(yǎng)成。
(一)教師引導(dǎo),總結(jié)解題方法
問(wèn)題情境1:如圖3所示,人重550 N,繩子對(duì)人的拉力為250 N,根據(jù)人受力示意圖,求地面對(duì)人的支持力。
教學(xué)過(guò)程:
(1)提取關(guān)鍵信息,確定研究對(duì)象。
師:通過(guò)讀題找到此題中的研究對(duì)象。
生:是人。
(2)建構(gòu)物理模型。
師:將人隔離出來(lái)進(jìn)行受力分析。
生:如圖3所示。
(3)進(jìn)行科學(xué)推理。
師:請(qǐng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系列平衡式。
生:G=F+F支
(4)得出結(jié)論。
師:請(qǐng)你算出支持力的大小。
生:F支=G-F=550 N-250 N=300 N。
師生總結(jié)解題思路:提取關(guān)鍵信息將問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為物理模型;列平衡式求未知。
師:請(qǐng)同學(xué)們思考繩子對(duì)人的最大拉力是多少?為什么呢?
生:是550 N,如果繩子拉力大于550 N,支持力為零,人會(huì)被拉到空中。
教師總結(jié):我們學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)單力學(xué)題的基本解題方法,這個(gè)過(guò)程中體現(xiàn)了簡(jiǎn)單計(jì)算題的基本思維路徑,希望同學(xué)們養(yǎng)成嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣。
設(shè)計(jì)意圖:在此教學(xué)過(guò)程中,將實(shí)際問(wèn)題情境與物理知識(shí)相聯(lián)系,通過(guò)建構(gòu)物理模型,分析問(wèn)題、科學(xué)推理從而解決問(wèn)題,發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力。
(二)利用所學(xué)方法解決簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題
問(wèn)題情境2:如圖1所示,滑輪組懸掛在水平支架上,某工人站在水平地面上,豎直向下拉動(dòng)繩子自由端,使物體A勻速上升。已知物體A重400 N,繩子對(duì)人的拉力為250 N,兩個(gè)滑輪質(zhì)量相等,不計(jì)滑輪組的繩重和摩擦。求:
(1)動(dòng)滑輪的重力G輪。
(2)勻速提升物體A時(shí),求出支架對(duì)定滑輪的拉力T。
教學(xué)過(guò)程:
師:請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)剛才所學(xué)習(xí)的解決問(wèn)題的方法計(jì)算本題。(15 min)
生:獨(dú)立思考(5 min),小組討論,分析、畫圖、計(jì)算得出結(jié)論。
小組代表展示結(jié)果。
生:(1)提取有效信息找到研究對(duì)象動(dòng)滑輪G輪,將其隔離進(jìn)行受力分析,如圖4所示,根據(jù)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系列平衡式:G輪+GA=2F。將平衡式變形求出動(dòng)滑輪重力:G輪=2F-GA=2×250 N-400 N=100 N。
(2)同理:提取有效信息找到研究對(duì)象定滑輪G輪,將其隔離進(jìn)行受力分析如圖5所示,根據(jù)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系列平衡式:T=G輪+3F。將平衡式變形求出支架對(duì)定滑輪的拉力:T=G輪+3F=100 N+3×250 N=850 N。
師:若支架能承受的最大力為1 600 N,那么此時(shí)繩子的拉力是多少呢?
生:將平衡式T=G輪+3F變形求繩子拉力F=(T-
G輪)/3=(1 600 N-100 N)/3=500 N。
教師總結(jié):非常好,同學(xué)們通過(guò)獨(dú)立審題抓住關(guān)鍵信息,找到研究對(duì)象,建構(gòu)物理模型,分析推理得出了結(jié)論。同學(xué)們養(yǎng)成“一情境一圖,一圖一方程”的解題習(xí)慣,這個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了建立模型和科學(xué)推理的過(guò)程。
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過(guò)所學(xué)物理知識(shí)能夠獨(dú)立地經(jīng)歷提取信息—物理情境—物理模型—分析推理—得出結(jié)論的過(guò)程。此過(guò)程可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。
(三)解決力學(xué)綜合問(wèn)題
問(wèn)題情境3:如圖1所示,農(nóng)村蓋房時(shí),要把沙子裝到麻袋里(麻袋質(zhì)量不計(jì),一次可裝重2 000 N的沙子),用滑輪組將沙子提升到屋頂。工地有2 t沙子,工人站在水平地面上,豎直向下拉動(dòng)繩子自由端,使400 N的沙子勻速上升,提升過(guò)程中繩子的拉力為250 N。已知兩個(gè)滑輪質(zhì)量相等,不計(jì)滑輪組的繩重和摩擦。求:(1)求動(dòng)滑輪的重力;(2)在保證安全的前提下,水平支架可承載力為1 600 N,繩能承受的最大拉力800 N,工人重550 N。求工人用此滑輪組可以達(dá)到的最大機(jī)械效率。
(1)通過(guò)提取關(guān)鍵信息,確定解題思路。
師:提取有效信息:支架可承受的最大力1 600 N,繩能承受的最大拉力800 N,工人重550 N,麻袋可裝的沙子的最大重是2 000 N。以上四種情況都害怕超過(guò)對(duì)應(yīng)的最大值,什么情況下就安全了呢?學(xué)生小組討論。
生:當(dāng)四種情況都安全的時(shí)候,整個(gè)裝置才能安全。
師:四種情況都不能超過(guò)最大值,那如何比較呢?我們求出四種情況對(duì)應(yīng)的繩子的最大拉力即可。現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算四種情況下繩子的最大拉力。學(xué)生小組討論。
(2)根據(jù)解題思路,交流討論,確定解題過(guò)程。
師:同學(xué)們發(fā)現(xiàn)什么了嗎?這道綜合題其實(shí)就是以上幾個(gè)簡(jiǎn)單題的綜合,一般力學(xué)綜合題難就難在物理過(guò)程較多,只需要將其拆分成一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單題,再對(duì)比分析推理即可得出結(jié)論。
學(xué)生小組代表展示:繩能承受的最大拉力800 N,工人重550 N,繩子的最大拉力為550 N,在上題中支架承受最大力1 600 N時(shí)對(duì)應(yīng)的繩子的最大拉力為500 N。當(dāng)計(jì)算麻袋裝重不能超過(guò)2 000 N時(shí)對(duì)應(yīng)的繩子的最大力時(shí),將動(dòng)滑輪隔離受力分析如圖4所示,列平衡式:2F=G輪+GA。在上題中已經(jīng)求得動(dòng)滑輪重G輪=100 N,計(jì)算出此時(shí)繩子的拉力為1 050 N。在保證所有情況都安全的前提下,繩子的最大拉力不能超過(guò)500 N。
師:在保證裝置安全的前提下如何計(jì)算最大機(jī)械效率呢?
生:繩子的最大力為500 N時(shí),提升的沙子最重,算出機(jī)械效率最大。以動(dòng)滑輪為研究對(duì)象列平衡式:G輪+GA=2F,計(jì)算此時(shí)物重為GA=2F-G輪=2×500 N-100 N=900 N。η=GA/nF=900 N/2×500 N=90%。
(3)教師總結(jié):我們通過(guò)審題,抓住其中的關(guān)鍵信息,理清了解題思路,將知識(shí)與多個(gè)物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái),通過(guò)對(duì)比分析、類比推理等過(guò)程得出結(jié)論。這體現(xiàn)了建構(gòu)模型和科學(xué)推理的過(guò)程。
設(shè)計(jì)意圖:這是一道較為復(fù)雜的力學(xué)綜合題,意在讓學(xué)生知道復(fù)雜的力學(xué)綜合題一般是由多個(gè)簡(jiǎn)單題組合而成,我們?cè)谟?jì)算時(shí)將復(fù)雜綜合題拆分成一道道簡(jiǎn)單題。在保證安全的前提下,繩子怕斷、支架怕斷、人怕吊起來(lái)、麻袋怕破。當(dāng)繩子、支架、人、麻袋都安全的情況下才能保證裝置安全。引導(dǎo)學(xué)生考慮問(wèn)題要全面,在解題過(guò)程中有建立物理模型、對(duì)比分析、類比推理等過(guò)程,學(xué)生將知識(shí)聯(lián)系起來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題,發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力,落實(shí)了從物理走向社會(huì)的教學(xué)理念。
(4)應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題。
問(wèn)題情境4:為了說(shuō)明分子之間有引力,小明在實(shí)驗(yàn)室用兩個(gè)緊壓在一起的鉛柱做實(shí)驗(yàn),如圖6所示,兩個(gè)鉛柱沒(méi)有被拉開(kāi),判斷小明做的鉛柱實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾f(shuō)明分子之間存在引力。請(qǐng)寫出推理過(guò)程。(該實(shí)驗(yàn)室的大氣壓為1×105 Pa。)
物理模型建構(gòu):將以上問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為物理模型,以鉛柱B為研究對(duì)象,隔離受力分析(圖7)。鉛柱B受到自身重力GB和桶對(duì)其的拉力G桶,向上的大氣壓力F大氣和向上的分子間引力F引(不確定)。
科學(xué)論證過(guò)程:對(duì)此物理模型進(jìn)行分析,若大氣壓力F大氣大于或等于鉛塊B重力GB與桶重G桶的和,則僅靠大氣兩鉛柱也無(wú)法拉開(kāi),該實(shí)驗(yàn)不能證明分子之間有引力;若大氣壓力F大氣小于鉛柱B重力GB與桶重G桶的和,則向上的重力除大氣壓力外還須有分子間引力,可以證明分子間存在引力。
在此過(guò)程中學(xué)生將問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為物理模型,并對(duì)其進(jìn)行分析論證,這個(gè)過(guò)程可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。
總之,在物理教學(xué)中,本文以物理情境為探究的載體,將物理情境轉(zhuǎn)化為物理模型,通過(guò)顯性化的科學(xué)推理或者科學(xué)論證過(guò)程得出結(jié)論。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題,同時(shí)也有效培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維能力。
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