基于學生學習路徑的高中物理教學模式

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學，浙江 溫嶺 317502)

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基于學生學習路徑的高中物理教學模式

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學，浙江 溫嶺 317502)

本文提出了基于概念學習路徑、基于規律學習路徑、基于實驗學習路徑的高中物理教學模式,豐富了基于學生學習路徑的高中物理教學方式．

高中物理； 教學模式； 學習路徑

1 基于學生學習路徑高中物理教學的提出

近來,筆者觀摩了多節高級別的省級公開課,發現高中物理教學中存在著一些不良的現象．一種是執教者為創新而創新,課堂表演味道太濃,花樣玩得太多,到要揭示物理本質的時候,下課鈴卻響了．這是教師從表演途徑出發來組織教學,沒有從學生學習路徑出發來組織教學所造成的．結果學生的概念學習不夠清晰,規律學習比較模糊．另一種是課堂教學缺乏規范的操作路徑,某些教學環節明顯缺失,導致學生的物理學習體驗不足．例如,在概念、規律的應用后,缺乏題后的反思總結,教師與學生都沒有用一種非常肯定的、到位的語言來概括,造成學生的學習不夠深刻．另外,實驗學習中還是告知的較多,缺乏真正的探究體驗．基于上述問題,筆者提出了基于學生學習路徑的高中物理教學方式．基于學生學習路徑的高中物理教學是從學生的學習需求和學習體驗出發,根據物理概念、物理規律、實驗探究等內在的邏輯規律來組織教學的過程．

2 基于學生學習路徑的高中物理教學模式

2.1 基于概念學習路徑的高中物理教學模式

基于概念學習路徑的高中物理教學模式是沿著“設置情境——引出概念——闡釋內涵——應用概念——拓展概念”進行的．首先設置一個情境,提出一個問題．然后通過邏輯推理,得出物理結論．再引導學生從情境中發現問題．要順利地解決某個問題,必須引出一個物理概念才能講清楚．接著闡明概念的內涵,進行概念的初步應用．最后還要進一步拓展概念的外延．

這種教學模式的特點是概念學習的路徑比較簡潔,能抓住概念的本質和概念理解的突破點．例如,在熵的教學中,有教師列舉了大量的生活事例,像“學生做操后解散,隊伍變亂”、“圖書掉地、花瓶落地、木頭腐爛、金屬生銹”等．這些生活中的事件講得太多,反而不能引起學生對物理本質的思考,不如大膽刪去．抓住概念理解的突破點,讓學生“從統計概率的角度來理解熵”．從這個角度來設置情境,符合學生的認知特點,學生能正確理解熵的基本特點．

案例:熵概念的教學．

(1) 設置情境.

一個容器被隔板分成左右相等的兩個部分,左邊有氣體,右邊為真空．抽掉隔板后,氣體均勻地充滿整個容器,但是不會出現充滿整個容器的氣體自動地收縮回左邊,使右邊成為真空的現象．如何從微觀的角度來解釋這個現象?

得出結論:對于單個分子或少量分子來說,它們擴散到容器右邊的過程原則上是可逆的．

對于大量分子組成的宏觀系統來說,它們向容器右邊自由膨脹的宏觀過程實際上是不可逆的．這就是宏觀過程的不可逆性在微觀上的統計解釋．

(2) 引出概念.

(3) 闡釋內涵.

熵大,出現的概率大,意味著無序、混亂、分散．熵小,出現的概率小,意味著有序、整齊、集中．

(4) 應用概念.

將一滴紅墨水滴入一杯清水中,會均勻分布在整杯水中,在這個過程中,熵增大還是減少?(答案為:熵增大．)

(5) 拓展概念.

拓展1:在熱傳遞現象中,系統自發地從溫度不均勻趨向均勻;在功熱轉化過程中,系統自發地從宏觀有規則的機械運動趨向微觀分子的無規則運動;在擴散現象中,系統自發地從物質集中趨向分散．熱過程的方向性可以表述為一條原理:孤立系統的熵總是增加的,或者孤立系統的熵總不減少,這就是熵增加原理．

拓展2:現在,熵的概念已經拓展到了各個領域．在經濟學領域,生產是以形成高熵“廢物”為代價而產生出高度有序低熵產品的過程;消費是向無序發展,是熵增加的過程．在工業領域,礦石成為鋼鐵,是向有序的過程;機器成為廢鐵,是熵增加的過程．煉鐵的生產過程,從熵的觀點來看,煉成的是低熵狀態的鐵,同時產生了高熵的廢渣、廢氣,整體的熵依然增加．目前,熵已被人們視為是一種世界觀．

2.2 基于規律學習路徑的高中物理教學模式

(1) 從定性到定量的規律學習路徑模式.

從定性到定量的規律學習路徑模式是沿著“定性討論——定量實驗(或理論推導)——得出規律——適用條件(或各量意義)——直接應用——題后反思——拓展應用”進行的．先是通過一個實驗(或問題)做定性的探討,然后通過一個定量的實驗來總結規律(或通過邏輯推理推導出某個規律),接著闡述規律的適用條件、規律中各量取正負值的物理意義,再是進行規律的簡單應用,通過題后的反思,總結規律應用的解題方法等,最后做進一步的拓展應用．

這種模式是按“定性——定量——結論”的思路來展開教學的,符合學生的認知路徑．比如,在熱力學第一定律的教學中,教師從壓縮氣體做功的定性小實驗→焦耳槳葉攪拌的定量實驗→結論:ΔU=W．這樣的教學,學生學起來就比較輕松．因為有了定性實驗,能起到激發學習的興趣．再介紹焦耳的定量實驗,能讓學生感到物理學科是嚴謹的,是容不得半點差錯的．最后,以數學結論進行概括,既讓學生感到自然界的規律是簡潔的、優美的,又讓學生體會到“理論只有用數學語言來表達時,才上升為科學”．

案例:熱力學第一定律的教學．

定性討論1:在一個配有活塞的厚壁有機玻璃筒底放入一小團蘸了乙醚的硝化棉,用力迅速壓下活塞,觀察筒底硝化棉的變化,并解釋原因．

定量實驗1:介紹焦耳的槳葉攪拌實驗．說明在熱力學系統的絕熱過程中,系統內能的增加量ΔU等于外界對系統所做的功W,即ΔU=W．

定性討論2:大口玻璃瓶內裝一些水,水面上方有無色的水蒸氣,用帶孔的橡皮塞塞住瓶口,給瓶內打氣,當瓶塞“砰”地跳出時,觀察瓶內的變化,并解釋原因．

定量實驗2:介紹焦耳的磁電機實驗．說明在外界沒有對系統做功的過程中,系統內能的增加量ΔU等于系統從外界所吸收的熱量Q,即ΔU=Q．

得出規律:綜合定量實驗1、2,得出:在系統跟外界同時發生做功和熱傳遞的過程中,系統內能的增加量ΔU等于系統從外界吸收的熱量Q與外界對系統所做的功W之和．這個關系叫做熱力學第一定律,用公式表示為ΔU=Q+W．

各量意義:請你說出熱力學第一定律的表達式中ΔU、Q、W這3個物理量所取正、負值的意義．

直接應用:一定質量的氣體從外界吸收熱量3.2×105J,對外做功4.0×105J,則氣體的內能如何變化,變化了多少?

題后反思:說出應用熱力學第一定律解題的方法、步驟和注意事項．

拓展應用:不需任何動力和燃料,能源源不斷地對外做功的機器,人們把它叫做“第一類永動機”．在20世紀20年代德國發行了一張“第一類永動機”的明信片——“拿愛因斯坦開玩笑”,如圖1所示．請你說說看這種永動機能否實現,理由是什么?

圖1 德國發行的第一類永動機的明信片

(2) 蘊含物理學史的規律學習路徑模式.

蘊含物理學史的規律學習路徑模式是沿著“規律建立的基礎——規律的發現和確立——規律的適用范圍”進行的．首先從物理學史的角度來認識規律得出的必要準備,然后介紹規律發現和確立的過程,讓學生領悟到一個規律的得出并非是一蹴而就的,也并非一個人就能得出的,常常是一個群體的智慧的結晶．最后還要對規律的適用范圍提出質疑,看看能否普遍適用,讓學生充分感受到物理學科的嚴謹性．

這種教學模式是基于科學的發展歷史,是以事實為依據的一種教學．能讓學生領會到當年科學家們面對原始的物理問題時,他們是如何思考與探索的,又是如何解決的．這是一種顯化科學方法的物理教學方式．

案例:能量守恒定律的教學．

規律建立的基礎:能量守恒定律的建立離不開自然哲學、物理實驗和物理理論這3個方面的必要準備．17世紀,人們已經認識到與運動相聯系的某個量是守恒的．笛卡爾、萊布尼茲都提出了運動中守恒的量．但僅局限于機械運動,沒有深入到其他運動．到了19世紀,物理學的研究范圍不斷擴大．電池的發明,電流磁效應、溫差電現象、電磁感應現象、溫差電現象的逆效應珀耳帖效應等現象的相繼發現,所有這些運動形式之間的聯系與轉化為能量守恒定律的發現提供了基本的條件．還有,德國自然哲學中相互聯系和轉化的思想為能量守恒定律的發現提供了適宜的思想基礎．

規律的發現和確立:介紹德國醫生邁爾發現人在熱帶時的靜脈血比在溫帶時要紅,暴風雨中的海水比較熱,從自然哲學的思想出發提出了能量守恒的觀點．焦耳歷經40年,通過槳葉攪拌實驗、磁電機實驗等,精確地測定了熱功當量的數值,為能量守恒定律打下了牢固的實驗基礎．亥姆霍赫茲闡述了熱、功、化學能、電磁能、光能、機械能之間的相互轉化和守恒規律,建立了能量守恒定律的數學表達式．在大量事實的基礎上確立了能量守恒定律．

規律的適用范圍:介紹1914年的“能量失竊案”．查德威克在做放射性實驗時,發現原子核A放射出β粒子后,變成原子核B,原子核B與β粒子的總能量比變化前原子核A的總能量要小．玻爾根據實驗事實,指出在微觀粒子領域內要放棄能量觀點．泡利認為能量守恒定律是普遍適用的．為了拯救能量守恒定律,他提出在原子核里還有一種尚未發現的新粒子,這種粒子不帶電,質量很小很小,實驗中“失竊”的能量就是被這個新粒子——中微子所帶走的．直到1956年,人類首次捕捉到中微子．泡利拯救能量守恒定律的壯舉終于得以實現．因此得出結論:不管是宏觀世界還是微觀世界,只要有能量轉化,就一定遵守能量守恒定律．

2.3 基于實驗學習路徑的高中物理教學模式

基于實驗學習路徑的高中物理教學模式是沿著“情境設置——問題討論——實驗操作——數據處理——問題拓展”進行的．通過設置的情境,得出實驗的原理．通過問題討論,解決實驗操作中的疑點難點．通過操作,親身經歷實驗的體驗過程.在操作中發現問題,解決問題．通過問題拓展,解決與本實驗緊密相關的問題．

這種教學模式秉承的原則是“做與不做不一樣,認真做與不認真做不一樣,做了思考過與沒有思考過不一樣”．實驗前不直接告知學生實驗的原理,讓學生通過思考得出實驗的原理．在操作中發現問題,討論問題,解決問題,從而真正提高學生實驗探究的能力．

案例:“用油膜法估測分子的大小”實驗的教學．

情境設置:一個量筒中盛放著一堆綠豆,將這堆綠豆倒入一個較大的淺盤中,綠豆平鋪開來,形成薄薄的一層．將綠豆看成為球形,如果測出綠豆薄層的面積,就可粗略地得到綠豆的直徑．說說看,這是什么道理?

圖2 油膜的形狀

問題討論:利用上述方法,我們可以粗略地測出油酸分子的直徑．將一滴純油酸滴入水中,形成一個薄層,面積將會很大,因此需將油酸與酒精相混配成一定濃度的油酸酒精溶液．比如,在1mL的油酸中加入酒精配成500mL的油酸酒精溶液．用注射器吸入油酸酒精溶液在水面滴上一滴．(1) 如何知道這一滴油酸酒精溶液的體積?(2) 怎么計算這一滴油酸酒精溶液中所含的純油酸體積?(3) 油酸酒精溶液滴入水中時,酒精溶于水并很快揮發,剩下的就是油酸的單層油膜,但油膜無色,肉眼看不清,有什么方法可將油膜顯示出來?(4) 能否將注射器高高地置于水面上方，往水面上滴油酸的酒精溶液,為什么?(5) 油膜不能近似均勻地在水面上散開成圓形,而是呈現如圖2所示的尖刺狀,這是什么緣故,如何克服?(6) 當油酸酒精溶液滴入水中時,水面的痱子粉會一下子近似均勻地散開,然后往回收縮,這是什么原因?(7) 等液面穩定后,如何記錄并測量油膜的面積?(8) 怎么求油酸的直徑?

實驗操作: (1) 用注射器吸取1mL體積比為1∶500的油酸酒精溶液,往量筒中逐滴滴入,記錄滴數．(2) 在淺盤中倒入適量的水,在水面上均勻地撒上痱子粉．(3) 將一滴油酸酒精溶液滴入水中,待液面穩定后用印有小方格的透明塑料板蓋在盤子上,用記號筆描下油膜的輪廓,數出小方格的總格數并記錄下來．數據處理： (1) 求出1滴油酸酒精溶液中所含純油酸的體積.(2) 計算油膜的面積.(3) 求出油酸的直徑.

問題拓展:實驗完成后,倒掉盤中的水,簡單沖一下,就能重做同樣的實驗嗎,為什么?如果不能,應當怎樣沖洗做過實驗的淺盤?

3 總結

總之,本文提出的基于概念、規律、實驗學習路徑的高中物理教學模式,簡潔清楚,環節完整,操作簡單,便于推廣．杜絕了基于教師表演路徑的高中物理教學問題,規范了高中物理教學的基本環節,使廣大高中物理教師在遵循學生學習路徑的教學上有章可依．

1 蔡鐵權.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-3[M].北京： 教育科學出版社，2006：83.

本文系2017年度浙江省教科規劃重點研究課題“高中物理‘微課程群’的構建與實施”(編號： 2017SB073)； 浙江省臺州市教科規劃課題“七選三背景下高中物理體驗式教學的研究”； 浙江省臺州市教研規劃課題“高中物理深度備課的研究”的研究成果.

2016-12-17)