高中物理課堂“理論”探究式教學(xué)案例研究

俞麗萍

(浙江上虞春暉中學(xué),浙江上虞 312300)

在物理課程的學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生用類似物理學(xué)家探索物理問題的方式去獲取知識(shí)、經(jīng)歷過程、領(lǐng)悟物理科學(xué)的思想、學(xué)習(xí)物理學(xué)研究方法的過程,我們叫作科學(xué)探究.《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中將提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評估交流、合作作為科學(xué)探究的基本要素.根據(jù)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)所占的要素?cái)?shù)量的不同,我們把探究式教學(xué)分為“完全”探究和“部分”探究,如果將探究的七個(gè)基本要素全部包含在內(nèi)的,稱之為“完全”探究式教學(xué),反之,如果缺少七個(gè)要素中的一個(gè)或幾個(gè)的探究,我們稱之為“部分”探究式教學(xué).“部分”探究式教學(xué)相對“完全”探究式教學(xué)更具靈活性,更能適應(yīng)當(dāng)前的物理課堂教學(xué).在“部分”探究式教學(xué)中,若沒有“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”要素,我們可稱之為“理論”探究式教學(xué).如何在高中物理課堂中開展理論探究式教學(xué)?我們在日常的教學(xué)過程中積極開展了教學(xué)實(shí)踐,也有了一定的研究與思考,現(xiàn)撰寫本文與同行交流.

1 幾個(gè)“理論”探究式教學(xué)案例

1.1 提供條件,降低難度,開展理論探究

探究內(nèi)容:人教版選修3-3課本“內(nèi)能”中探究分子勢能與分子間距離的關(guān)系.

師:分子勢能的大小是由分子間的相互位置決定的.接下來我們通過分子力做功情況來討論分子間勢能的變化情況.

師:分子之間的作用力(指分子間引力與斥力的合力)與分子間的距離有什么關(guān)系?

生:當(dāng)分子間距離r＜r0時(shí),分子力表現(xiàn)為斥力;當(dāng) r=r0時(shí),分子間的作用力為0;當(dāng) r＞r0時(shí),分子力表現(xiàn)為引力;當(dāng) r≥10r0時(shí),分子間的作用力趨向于零.

師:非常好!我們可以通過圖線來理解分子力與分子距離之間的關(guān)系(如圖1所示,教師在黑板上畫出分子力與分子間距離變化的關(guān)系).

師:分子力做功與分子勢能之間有什么樣的關(guān)系?

生:分子力做正功,分子勢能 Ep減小;分子力做負(fù)功,分子勢能 Ep增大.

師:假定兩個(gè)分子的距離為無窮遠(yuǎn)時(shí)它們的分子勢能為0,使一個(gè)分子固定,另一個(gè)分子從無窮遠(yuǎn)逐漸向它靠近,直至相距很近,請大家在自己紙上建立Ep-r坐標(biāo),在圖中畫出分子勢能隨分子間距離變化的Ep-r的圖線.

圖1

學(xué)生根據(jù)教師提示,在坐標(biāo)中作圖.

教師收集學(xué)生的作圖情況,并將學(xué)生的作圖情況通過實(shí)物投影儀投影在屏幕上.

師:下面是幾位同學(xué)畫出的Ep-r的圖線.請同學(xué)來評估一下,他們畫出的圖線正確嗎?

圖2

圖3

圖4

圖5

生甲:圖2不正確,當(dāng)分子間的距離變?yōu)闊o窮遠(yuǎn)時(shí),分子間的分子勢能將變?yōu)闊o窮大,這與兩個(gè)分子的距離為無窮大時(shí)它們的分子勢能為0相矛盾.

生乙:圖3中,當(dāng)分子間的距離變?yōu)?時(shí),分子勢能變?yōu)榱?這樣是不對的.

生:為什么?

生乙:無窮遠(yuǎn)處的分子勢能為零,隨著分子間距離的減小,分子勢能應(yīng)該增大,不可能為零.

生丙:當(dāng)分子間的距離 r＞r0時(shí),分子間的作用力表現(xiàn)為引力,隨著分子間距離的減小,分子力做正功,分子勢能逐漸減小;當(dāng)分子間的距離 r＜r0時(shí),分子間的作用力表現(xiàn)為斥力,隨著分子間距離的減小,分子力做負(fù)功,分子勢能逐漸增大;當(dāng)分子間的距離為 r=r0分子勢能最小.圖4中在r=r0位置時(shí),分子勢能為零,不是最小的.

師:分子勢能是標(biāo)量還是矢量?

生(集體):標(biāo)量.

師:分子勢能的正負(fù)表示大小.

師:圖5中圖像正確嗎?

生丁:正確.

此案例中學(xué)生作出 Ep-r圖線的過程是一個(gè)在已知證據(jù)(前提條件)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行探究分析的過程.教師在學(xué)生作Ep-r圖線以前,提出的兩個(gè)問題(“分子之間的作用力與分子間的距離有什么關(guān)系”、“分子力做功與分子勢能之間有什么樣的關(guān)系”)為學(xué)生自己作 Ep-r圖線作了鋪墊,降低了理論探究的難度.不同學(xué)生的Ep-r圖線充分反映了不同學(xué)生的思維探究過程,通過學(xué)生自己分析投影出來的Ep-r圖線,在評估與交流中逐步得出正確的結(jié)論.

1.2 利用已獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,開展理論探究

探究內(nèi)容:人教版選修3-5課本“探究碰撞中的不變量”.

[提出問題]

師:兩個(gè)相互作用的物體動(dòng)量變化有什么規(guī)律?下面我們通過實(shí)驗(yàn)室里拍攝的頻閃照片(如圖 6、如 7所示)來一起探究這個(gè)問題.

圖6

圖7

教師介紹什么是光滑導(dǎo)軌,并通過演示錄像使學(xué)生明確圖7中頻閃照片的得出過程.

[制定探究計(jì)劃]

師:我們?nèi)绾胃鶕?jù)頻閃照片中的信息,來研究兩個(gè)相互作用的物體動(dòng)量的變化規(guī)律呢?

生甲:將兩物體作為研究對象,設(shè)物體分別為物體 A和物體B,根據(jù)照片中的信息確定彈簧片在彈開以前,系統(tǒng)的總動(dòng)量 p初與彈開后系統(tǒng)的總動(dòng)量p末,再來確定 p初和p末的關(guān)系.

生乙:A物體作用前后動(dòng)量的變化量為ΔpA=mAvA′-mAvA.B物體作用前后動(dòng)量的變化量為ΔpB=mBvB′-mBvB.再來看兩者之間的關(guān)系.

師:如何從頻閃照片中找出有用的信息,來進(jìn)行分析呢?需要測哪些物理量?如何測量這些物理量?

生:A、B兩物體的質(zhì)量圖中已經(jīng)給出,速度可以通過位移除以時(shí)間得到,可以用圖中的標(biāo)尺測量得到位移.初狀態(tài)時(shí)兩物體的速度零.

[收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析與論證]

師:下面請同學(xué)們自己動(dòng)手來測 A、B兩物體分離后的速度.

學(xué)生在數(shù)據(jù)處理時(shí)出現(xiàn)了3種情況:測得兩側(cè)各一段位移,并除以時(shí)間;測得兩側(cè)總的位移,并除以時(shí)間;測得兩側(cè)相對后面的位移,并除以時(shí)間.

[評估與交流]

教師通過實(shí)物投影儀將3種情況分別投影到顯示屏上.請學(xué)生分析哪一種方法最合理,并找出其中的原因.

整理第3種方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到 A、B兩物體系統(tǒng)動(dòng)量守恒,即 p初=p末,或ΔpA=-ΔpB,即碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒.

在本案例的探究式教學(xué)過程中,學(xué)生沒有動(dòng)手做實(shí)驗(yàn),但在整個(gè)過程中,利用實(shí)驗(yàn)得到的頻閃照片,教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了提出問題→制定計(jì)劃(理論探究的計(jì)劃)→收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)→分析與論證一系列的理論探究過程,培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的能力,使學(xué)生的思維能力得到了有效的提高.

1.3 通過多個(gè)視角,開展理論探究

探究內(nèi)容:人教版選修3-1課本“電阻定律”中的思考與討論題.

[提出問題]

如圖8所示,R1和 R2是材料相同、厚度相同、表面為正方形的導(dǎo)體,但R2的尺寸比R1小很多.通過兩導(dǎo)體的電流方向如圖8所示,這兩個(gè)導(dǎo)體的電阻相同嗎?

圖8

[猜想與假設(shè)]

生甲:導(dǎo)體 R1與 R2的電阻的阻值不相同,因?yàn)镽1與R2的大小不一樣.

生乙:R1與R2的電阻值有可能相同.

師:你提出這種猜想的前提是什么?

生乙:因?yàn)樵谌粘Ｉ町?dāng)中,我們經(jīng)常看到體積比較小的電阻,而體積大的電阻,我們很少看到.難道體積小,電阻就小嗎?

師:同學(xué)們能發(fā)表自己的觀點(diǎn),非常好.每個(gè)同學(xué)現(xiàn)在都有了自己的猜想.下面,請大家自己來探究自己的觀點(diǎn)是否正確.(留5 min時(shí)間給學(xué)生思考)

圖9

[分析與論證]

生丙:設(shè) R1與 R2的厚度都為h,R1的邊長為 a,R2的邊長為 b(如圖 9所示),則根據(jù)電阻定律有

生丁:將電阻 R1分成4等份,設(shè) a=2b,則電阻 R1可以看成是4個(gè)R2,其中兩個(gè)一組分別并聯(lián),然后再把這兩組串聯(lián),其等效電阻為R2,所以兩個(gè)電阻應(yīng)該是相等的.

圖10

師:那如果是將 R1分成9等份,情況一樣嗎?

生:應(yīng)該是一樣的.

[評估與交流]

師:以上探究對大家有什么啟發(fā)嗎?如果要來你制造一個(gè)電阻,你會(huì)選哪一個(gè)?

生卯:R2.R2體積小,省材料,攜帶方便.

師:對,這就是有關(guān)電學(xué)元件的微型化問題.

此案例中,學(xué)生通過不同的方法加以證明得出“R1=R2” 的結(jié)論.

2 關(guān)于“理論”探究式教學(xué)的思考

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與科學(xué)探究

科學(xué)探究需要實(shí)驗(yàn),但有實(shí)驗(yàn)未必就一定是科學(xué)探究.在科學(xué)探究的過程中,有些教師給學(xué)生準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)用的各種實(shí)驗(yàn)儀器,把實(shí)驗(yàn)步驟及設(shè)計(jì)好的記錄數(shù)據(jù)的表格寫在黑板上,讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出物理規(guī)律.在這樣的操作過程中,學(xué)生的動(dòng)手能力會(huì)有某種程度的提高,但學(xué)生的創(chuàng)造性思維的能力沒有得到應(yīng)有的培養(yǎng),這種實(shí)驗(yàn)探究并不是真正意義上的科學(xué)探究.對于科學(xué)探究的核心,目前有兩種觀點(diǎn),有人認(rèn)為“問題”最重要,因?yàn)樵谡麄€(gè)科學(xué)探究的過程中都是圍繞著“問題”展開的,有的學(xué)者認(rèn)為,科學(xué)探究的核心在于對證據(jù)收集、解釋形成和求證的處理方式上.提出假設(shè)并對假設(shè)求證或證偽進(jìn)行設(shè)計(jì),這對學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是非常重要的.可見,科學(xué)探究的核心并不完全在于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)上,學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)并不是科學(xué)探究的一個(gè)必要要素.

2.2 猜想、假設(shè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

有人認(rèn)為猜想與假設(shè)都需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其實(shí)不然.在第3個(gè)案例“探究比較兩個(gè)電阻 R1和 R2的大小”中,教師提出問題后,學(xué)生進(jìn)行了猜測,并從不同的角度對猜想的結(jié)果進(jìn)行論證,讓學(xué)生經(jīng)歷提出問題→猜想與假設(shè)→分析論證、得出結(jié)論→評估與交流的探究過程,調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,在相互的討論過程中使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到充分發(fā)揮,這何嘗不是一個(gè)好的科學(xué)探究!可見,理論探究也是科學(xué)探究.正是因?yàn)槔碚撎骄繉佟安糠痔骄俊?少了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)節(jié),節(jié)省了大量的時(shí)間,使教師在平時(shí)有限的時(shí)空內(nèi)開展科學(xué)探究式教學(xué)成為可能,“理論”探究式教學(xué)因其更具靈活性,更能適應(yīng)當(dāng)前的物理課堂教學(xué),也顯出了寬大的發(fā)展空間.

2.3 “理論”探究式教學(xué)案例的開發(fā)

中學(xué)物理課程各個(gè)模塊中都安排了一些典型的科學(xué)探究的課題,科學(xué)探究不應(yīng)該是一種形式,而是學(xué)生獲取知識(shí)的具體的方式.雖然教材提供了部分的科學(xué)探究素材,但數(shù)量畢竟是有限的.在平時(shí)的物理課堂教學(xué)過程中,教師應(yīng)該根據(jù)理論探究式教學(xué)模式的特點(diǎn),發(fā)揮自己的創(chuàng)造性,設(shè)計(jì)一些科學(xué)探究的問題,開發(fā)一些理論探究的案例,使理論探究成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)有效途徑.

1 蔡鐵權(quán).物理教學(xué)叢論.北京:科學(xué)出版社,2005.

2 封小超,王力邦.物理課程與教學(xué)論.北京:科學(xué)出版社,2005.

3 胡明浩.“動(dòng)量守恒定律”教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì).中學(xué)物理教學(xué)參考,2008(3).