“系統思維觀”視域下的“曲線運動”教學案例分析

丁玉莉

(江蘇省鎮江中學,江蘇 鎮江 212017)

為什么高中物理難學?難教?筆者認為這與我們物理教學設計有很大的關系.物理是一門系統性很強的學科,因此我們在設計每一節課時,應該基于“系統思維觀”進行教學設計及課堂組織架構,使學生在“系統思維觀”視域下的物理課堂內養成全面思考問題的習慣,讓我們的高中物理課堂做到見木見林.筆者正好有幸將“系統思維觀”與“高中物理教學”相結合開設了一節公開課——曲線運動,現以該節課教學為例就“系統思維觀”視域下高中物理教學如何設計談幾點筆者的思考.

1 學情分析是搭建“系統”的前提

學生不是空著腦袋來學物理知識的,“系統思維觀”視域下的物理課堂應該是站在整個高中物理知識系統中,以學生的學情為基礎,融合知識及內涵的思想方法,科學地設定教學目標、教學策略.

1.1 教學內容在知識系統中的節點分析

“曲線運動”是人教版《高中物理(必修2)》教材的首節內容,看上去是一個新的開始,其實則不然,在整個高中物理知識系統中,這是一個重要的“節點”,承上啟下,前面必修1的學習,學生的認知停留在一維運動,由此過渡到二維運動;與“直線運動”比,兩者又具有很強的聯系,知識間本身就具有“系統關聯”,思維具有延續性.例如,我們該如何描述曲線運動呢?先從運動學的角度進行描述,知道它是怎樣的運動;然后從動力學的角度進行分析,知道它運動的原因,這是由現象到本質、由表及里的研究過程,培養學生運動和相互作用的物理觀念,也有助于培養學生系統性思維.

1.2 基于學生學情的教學難點分析

一節系統性很強的課一定聯系學生的原有認知,同時也一定重難點突出,因為只有明晰了難點所在,才能有效解惑與突破,實現知識系統化建構.在學習“曲線運動”之前,學生在必修1模塊學習了直線運動和牛頓運動定律等內容,初步具備了學習和分析曲線運動的知識基礎,同時學生在生活中已經有了豐富的曲線運動的感性經驗,這些都有利于學生對曲線運動特點的理解.那么,學習疑難點在哪里呢?但是受直線運動的影響,學生在學習曲線運動速度方向時會產生困惑,容易認為曲線運動的速度方向沿著其軌跡方向,從而形成教學難點.

如何有效突破難點?幫助學生有意義建構并完善認知體系呢?

筆者認為將大量生活情景、實驗事實系統化地、有邏輯地串聯起來,不僅能夠幫助學生建構知識體系,掌握研究方法,還能幫助學生進行進階學習.復雜問題的解決從建模開始,從一般到特殊再到一般的思維過程,定性與定量的相互交融,理論和實驗的相互支撐,是什么到為什么再到怎么樣的遞進讓學生體悟物理之美.

2 教學內容生活化,在“過程參與”中實現系統主體建構

學生是教學的主體,而在學習知識前,物理知識早就已經存在于學生的“生活系統”之中,筆者認為教學內容情景化、生活化能夠提升學生學習的過程參與,有助于知識系統化建構.

教學片段1:多維情境設置引導學生初識“曲線運動”.

情境(如圖1): (1) 播放視頻:過山車.

圖1 曲線運動情境圖

(2) 對比必修1,必修2封面物體運動的區別.

(3) 生活中的曲線運動.

通過情境的創設,引導學生觀察曲線運動,分析直線和曲線的不同,知道軌跡為曲線的運動,并且舉出生活和自然界中的實例.

設計意圖:引導學生從“多維系統”中看“曲線運動”.視頻在為學生提供豐富感性認知材料的同時還創設了物理情境,落實“從生活走進物理”的課程理念,營造了課堂氛圍,激發了學生求知欲望和探索興趣.讓知識溶解在情境,再從情境中析出.比較曲線運動與直線運動的區別,讓學生將新舊知識進行連接.通過現實情境中事物共性的概括,歸納抽象出其物理本質特征.得出曲線運動定義:軌跡是曲線的物體的運動.

物理與生活聯系密切,教學中將學生熟悉的生活情景與概念教學相結合,以此為腳手架,幫助學生跨越概念理解的障礙,而且密切聯系生活還可以激發學生學習的積極性,激活學生的學習興趣,學生愿意更加投入地學習,提升概念教學的效果.聯系生活可以使學生初步體會物理模型的構建過程,即生產生活中的實際問題通過物理化的過程,形成物理問題,通過求解物理模型,得出結論,還原為實際問題的意義.

3 演示實驗制造認知沖突,“鋪墊”系統思維培養的“路”

實驗是物理教學中化解學生理解難點,降低學生思維難度的有效策略.利用實驗形象、直觀、有趣的特點可以吸引學生的學習注意力,可以化抽象為具體,讓更多學生逾越理解的障礙.在進行概念教學時,教師要盡可能利用實驗,來稀釋概念,來刺激學生的求知欲望.

教學片段2:多層體驗與反思,感受曲線運動的速度方向.

情境:播放視頻——鏈球比賽(如圖2).

圖2 鏈球比賽情境圖

模擬體驗活動:請學生上來用一系著繩子的小球先做圓周運動,然后松手,讓小球擊中前方目標.

深度思考:擊中目標的關鍵因素是什么呢?

設計意圖:基于真實的情境研究問題,極大地調動了學生學習的積極性和自主探究的欲望,得出為什么要探究速度的方向,也自然進入了軌跡是曲線的速度方向的研究.并通過認知沖突激發學生進一步研究曲線運動速度方向的求知欲.

演示實驗1:一根繩子拉著小球在水平面內做圓周運動(如圖3).

圖3 小球運動圖

生成性問題1:正在做圓周運動的物體,如何得出速度方向?

生成性問題2:為什么失去約束的物體,運動軌跡就是速度方向?

生成性問題3:小球飛出去的速度方向是什么方向?

生成性問題4:怎么判斷的?

設計意圖:該實驗情境的目的是讓學生掌握解決復雜問題的方法,建立模型.讓學生學會解決復雜問題都是從簡單問題入手,知道建模在物理學習上的重要性,將不容易觀察的物理量通過邏輯推理從而能顯性化的方法的重要性,通過一系列生成性問題,促進認知系統性思維發展.

演示實驗2:砂輪打磨金屬塊時,砂輪做圓周運動,接觸處的小顆粒由于摩擦生成火花(如圖4).

圖4 摩擦火花圖

生成性問題5:火花在脫落前瞬間的速度方向如何?說明了什么?

設計意圖:演示實驗的目的是促進學生錯誤前概念(速度方向是沿著軌跡方向)的轉變,通過實驗現象,學生明顯地觀察到火花沿著砂輪的切線方向飛出.再通過生成性問題,促進知識內化并與原有認知相融合.

演示實驗3:在飛速旋轉的砂輪上噴上紅墨水(如圖5),觀察液滴飛出的方向,存在怎樣的規律?

圖5 砂輪旋轉圖

生成性問題6:大家猜想一下,會看到什么現象?

生成性問題7:墨滴甩出的痕跡與砂輪是什么關系?

生成性問題8:你如何驗證它們之間的關系?

設計意圖:真正基于演示實驗生成問題,關注學生知識生長的過程,而不是簡單地告知.學生在學習曲線運動前接觸的多數是直線運動,在畫出做曲線運動物體速度方向的時候,容易犯與運動軌跡混淆的錯誤.有些生活中的曲線運動的實例是稍縱即逝的,學生不容易觀察.通過逐漸顯性化的3個實驗現象,促進學生錯誤前概念(速度方向是沿著軌跡方向)的轉變,將不易觀察的現象停留在紙面上,學生通過紙上直觀看到軌跡判斷出墨水飛離開砂輪時的方向,從而知道做圓周運動物體的速度方向.

4 分組實驗探究,實現“系統思維”培養落地

生活化情境、演示實驗等等已經給學生搭建了具有系統性的“骨架”和“形”,但是如何讓其有血有肉、落地行走呢?筆者認為,讓學生分組實驗探究不失為良劑.

教學片段3:“深度體驗”,自主建構曲線運動的速度方向.

分組實驗探究1:紅色袋子(有小球、印泥、鑷子),曲線運動演示儀(6塊拼板組成中間有曲線凹槽的平板,讓小球從斜槽上滾下,沿凹槽做曲線運動)(如圖6),你如何設計方案驗證這個實驗呢?

圖6 實驗探究1圖

學生猜想:圓是簡單的模型,是特殊的曲線,那么一般曲線是不是也是遵循這樣的規律呢?

生成性問題9:如何在紙上記錄小球運動的軌跡?

生成性問題10:如何探究小球在A點的速度方向?

生成性問題11:如何探究小球在B、C點的速度方向?

設計意圖:僅憑學生的猜想和演示實驗,還不能使學生的錯誤前概念完全轉變,因此設計探究實驗,突破曲線運動速度方向這一教學難點,同時學生在主動參與過程中,提高實驗探究與動手操作能力.用分組實驗描述已知曲線運動的方式,讓學生掌握從一般到特殊再到一般的研究過程.通過有層次感、邏輯感的實驗,幫助學生進入深層次學習,促進系統思維發展.

教學片段4:探究曲線運動的條件.

生活情境:大自然的實驗黃河九曲十八彎(如圖7).

圖7 河道圖

生成性問題12:為什么黃河河道的一邊是陡峭的,一邊是平緩的?

生成性問題13:這種情形是偶然的,還是必然的呢?

設計意圖:利用層層設問引導推理過程,充分調動思維完成邏輯構建.利用大自然的自然景觀情境提出問題,更能夠激發學生的學習興趣.引導學生進行猜想假設,小球做曲線運動必定受到力的作用,同時也為后面實驗探究做好鋪墊(如圖8).

圖8 情境圖

分組實驗探究2:曲線運動演示儀(6塊拼板組成中間有曲線凹槽的平板)(如圖9).

圖9 實驗探究2圖

學生:移走哪些木塊可使小球沿原軌跡的曲線運動?最多可以拿掉幾塊?

設計意圖:通過學生的思考與討論,進行新問題的解決,讓學生的深度學習得到進一步拓展,讓學生對曲線運動的條件有深刻的印象,促進物理觀念的形成,深刻體會物理學習的探究之美.讓學生會應用曲線運動的條件分析生活中做曲線運動物體的運動和受力特點,培養了學生科學思維.同時理解物體做曲線運動的條件,培養了學生物理觀念.

5 學以致用,實現知識、生活“大系統思維”

學習物理知識之后,需要學生在解決物理問題過程中升華概念的理解.只有通過運用才能將所學的轉化成能力,才能最大限度地實現系統思維的發展.物理教學的目的在于運用,從生活中來,回到生活中,物理教學的目的在于讓學生獲得運用知識解決實際問題的能力,實現物理教學質的飛躍.在概念教學過程中,需要以具體的生活情景為依托,物理知識為載體,通過多種形式將概念延伸到課外、校外,將物理概念生活化,讓學生在具體情景中運用概念,解決實際問題,升華對概念的理解.

教學片段5:“扔鏈球”項目(如圖10).

圖10 扔鏈球示意圖

實際問題1:運動員應該在什么區域松手?

實際問題2:鏈球運動到靠近開口的正前方釋放能飛出去嗎?

實際問題3:在哪一點釋放剛好從A點旁邊飛出,在哪一點釋放剛好從B點旁邊飛出?

設計意圖:通過應用曲線運動的特點分析生活中的現象,增強學生將物理知識與生活實際聯系的意識,培養了學生科學態度與責任的核心素養.充分挖掘其內在的育人功能,結合適當的物理科學方法,注重科學精神和意識,滲透“科學、技術、社會和環境”(STSE)的教育,感悟物理奧妙,培養物理應用的價值觀,提高學生對學習的興趣.

物理學科的課程目標是發展學生的物理學科核心素養,在這種背景下我們尤其要注重如何在教學設計中落實課程目標,“系統思維觀”視域下的高中物理教學的目的在于知識和方法的應用,為學生自主探究感興趣的現實問題提供時間和空間,在不斷嘗試的過程中,開闊視野、發展能力,真正在解決問題中逐步形成物理學科核心素養.