應用模型遷移學習法培養學生的學科核心素養
——以“機車兩種起動方式”為例

顧建元

(蘇州工業園區教師發展中心,江蘇 蘇州 215021)

學習方式的變革,是新一輪基礎教育改革的顯著特征.核心素養的提出,為學習方式的轉變提供了引領性方向.高中物理教學應聚焦學科核心素養,讓學生通過自主學習、實驗探究、合作學習、綜合實踐,逐步形成物理觀念、科學態度和責任,以及科學思維和科學創新.然而,目前的高中物理教學“過分注重系統知識的傳授,忽視創新能力的培養”的現象隨處可見;學生處于“死記硬背、淺層學習”的狀態依然存在.只會記概念、規律等靜態結論,而不重視得出結論的過程;只會照葫畫瓢,模仿性地解決簡單的物理問題,而對于復雜的情景問題,不會透過現象看本質,不會在現實情景中建構隱含其中的物理模型等.可見,改變物理學習方式、提升學科核心素養,需要廣大物理教師必須立足于課堂.下面,以“機車兩種起動方式”為例,談談應用模型遷移學習法培養學生的學科核心素養.

1 模型構建,立足自主性學習

構建物理模型,是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法.學習高中物理,在一定程度上就是學生構建物理模型、應用物理模型的過程.重視對學生建模意識的培養,是提高學生學科素養的行之有效方法.在教學實施過程中,我們不能以教師的“講”代替學生的“學”.為此,在學習“機車兩種起動方式”時,我們采用“問題導學法”,從學生的生活實際出發,提出系列問題來促進學生自主思考、自主學習,并自主構建物理模型,取得了較好的教學效果.探究問題的設計如下.

(1) 汽車從靜止開始到起動的過程中受幾個力?(設計目的:引出“牽引力”.)

(2) 汽車換擋、加大油門是怎么回事?(設計目的:引導學生了解汽車的速度由變速器控制,調節變速器改變車速,俗稱“換擋”.汽車發動機的功率改變可以通過控制油門改變供油量來實現.加大油門提高功率,減小油門降低功率;油門調節到最大,其功率達到最大.)

(4) 汽車起動可能做何種運動?(設計目的:通過分組討論得出，汽車可能做勻加速運動或變加速運動兩種情況.)

(5) 請對汽車的兩種起動過程進行受力分析、運動過程分析,并畫出其速度-時間圖像.(設計目的:通過分組討論,構建出兩種模型:模型1,汽車在牽引力一定時起動,做勻加速直線運動;模型2,汽車在功率一定時起動,先做變加速運動,后做勻速運動.)

(6) 請求出模型1中汽車能達到的最大速度vm′和這一過程維持的時間.(設計目的:應用牛頓第二定律和瞬時功率解決實際問題.)

(7) 請求出模型2中汽車能達到的最大速度vm,并比較vm和vm′的大小關系.(設計目的:比較是理解和思維的基礎,通過比較兩種模型中的最大速度,可以發現它們的不同點,防止知識混淆,提高思辨能力,促進知識進階.)

設計意圖:在物理教學中,引導學生構建物理模型、領悟科學方法,直接關系到學生在課堂學習中的成敗.根據學生的認知基礎和思維水平,教師創設系列遞進式的問題,引導學生明確探究方向和目標,并進行科學研究方法和思路的點撥,驅動學生積極地思考、自主地探究,在問題解決過程中提升思維能力和科學素養,在合作學習中增強責任意識.教師把時間還給學生,促進學習從“被組織”向“自組織”轉變,讓學生真正成為學習的主人.

2 模型變換,促進深度性學習

深度學習是相對于淺層學習所提出的一個概念.淺層學習的最大特征,是學生被動地、機械地、孤立地記憶所傳授的知識.深度學習是一種基于高階思維發展的理解性學習,具有理解與批判、聯系與構建、遷移與應用的特征.深度學習不僅需要學生積極主動地參與,還需要教師通過確立高階思維發展的學習目標、整合學習內容、創設促進深度學習的真實情境,激發學生深入地思考,靈活地把原有知識結構、物理模型、思維方法等遷移到新的情境中,在解決問題中發展學習能力,提升學科素養.

實踐告訴我們,基于問題的教學設計是促進學生深度學習的有效策略之一.為了促進學生對模型的真正理解,擺脫死記硬背的淺層學習、低階思維狀態,我們在學生建立起“機車兩種起動方式”基本模型之后,采用模型“變臉”或“換裝”方式,及時檢驗學生對原模型的理解能力、遷移能力,讓學生通過對新情景問題的批判性學習,促進學生元認知發展.為此,我們呈現了如下問題.

圖1

(1) 根據圖線ABC判斷汽車做什么運動?

(2)v2的大小;

(3) 整個運動中的最大加速度;

(4) 當汽車的速度為20 m/s時發動機的功率為多大?

設計意圖:深度學習,更強調學習目標、學習內容、學習過程、學習方式和發展價值的內涵和品質.深度學習理念下的物理學習活動,不僅是求知活動,更是一種生命體驗和感悟活動.教師要準確挖掘教材的核心知識、整體結構和豐富內涵;要積極地創設問題新情景,讓學生在新情景中挖掘并建立模型,使問題解決得到簡化,在學習活動中加深對物理規律的理解和把握,在認知、建構中提升學習力,在體驗、感悟中提升學科素養,從而實現學習從“淺層學習”向“深度學習”過渡.

3 模型遷移,實現創造性學習

模型的類比和遷移,是高中物理重要的學習方法之一.對原模型的理解、深度學習的品質和效果,還表現在能否將原有模型順利地遷移到新的情景中.如何讓知識的學習過程轉變成學科素養的形成過程,筆者認為不應把教學的重心過多放在知識點的鞏固上,尤其是通過“題海戰術”,進行“熟練工”的訓練上,而應該轉向讓學生通過知識的遷移和應用,拓寬知識的寬度,加深思維的深度,提升學科素養和學習能力的高度,這才是學科核心素養導向下的學習活動.要把機車起動兩種模型的學習,進一步升華為學生學科素養的培養,可以把模型進一步隱身于在其他知識板塊中,給學生提供“庖丁解?！敝畽C,讓其創造性地解決問題,促進學生能力和素養的全面提升.

3.1 機車起動模型隱身于力學板塊模型

例2.(2010年福建高考題改編)如圖2所示,物體A放在足夠長的木板B的右端,木板B靜止于水平面.t=0時,電動機通過水平細繩以恒力F拉木板B,使之做初速度為0,加速度為aB=1.0 m/s2的勻加速直線運動.已知A的質量mA和B的質量mB均為2.0 kg,A、B之間的動摩擦因數μ1=0.05,B與水平面之間的動摩擦因數μ2=0.1,最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小視為相等,重力加速度g取10 m/s2.求:

圖2

(1) 物體A剛運動時的加速度aA大小和方向;

(2)t=1.0 s時,電動機的輸出功率P;

(3) 若t=1.0 s時,將電動機的輸出功率立即調整為P′=5 W,并在以后的運動過程中始終保持這一功率不變,則再經過多長時間物體A與木板B的速度相等?

解析:“板塊模型”中涉及到兩個物體的受力和運動,對學生而言有一定難度,再把“機車兩種起動模型”嵌入其中,無疑對受力分析和運動過程分析要求較高,難度較大.但是,如果能從試題信息中建立起這兩種模型,并對兩種模型的理解和處理方法比較熟悉,解決該問題就會迎刃而解.為此,在日常教學中,夯實基礎、通透模型至關重要.

3.2 機車起動模型隱身于電磁感應中框架模型

例3.如圖3甲所示,空間存在B=0.5 T、方向豎直向下的勻強磁場,MN、PQ是相互平行的粗糙的長直導軌,處于同一水平面內,其間距L=0.2 m,R是連在導軌一端的電阻,ab是跨接在導軌上質量m=0.1 kg的導體棒,從0時刻開始,通過一小型電動機對ab棒施加一個牽引力F,方向水平向左,使其從靜止開始沿導軌做加速運動,此過程中棒始終保持與導軌垂直且接觸良好,圖3乙是棒的速度-時間圖像,其中OA段是直線,AC是曲線,DE是曲線圖像的漸近線,小型電動機功率在12 s末達到額定功率Pm=4.5 W,此后功率保持不變,除R以外,其余部分的電阻均不計,取g=10 m/s2.求:

甲 乙

(1) 導體棒與導軌間的動摩擦因數和電阻R的阻值;

(2) 若t=17 s時,導體棒ab達最大速度,從0～17 s內共發生位移100 m,試求12～17 s內,R上產生的熱量及通過R的電荷量q.

解析:本題貌似電磁感應中非常熟悉的“框架模型”,可一旦做起來,多數學生感到困難,究其原因是對圖像的分析能力不足,不能準確地把“機車起動的兩種模型”遷移至此.其實,從圖像上看0～12 s內棒做勻加速運動,相當于“機車起動模型1”;12 s后功率保持Pm=4.5 W不變,棒先做加速度減小的變加速運動,DE是曲線圖像的漸近線,在C以后內棒以10 m/s的速度勻速運動,相當于“機車起動模型2”.理解導體棒的運動類似于汽車的兩種起動方式,對棒的受力情況和問題的處理會順利突破.

設計意圖: 熟練應用模型方法,是學生應該具備的物理素養.力學中的“板塊模型”、電磁學中的“框架模型”和“機車的兩種起動模型”,都是高中物理極其重要的模型,能夠巧妙地把它們融合在一起就是一種創造,讓學生在復雜問題和跨單元知識的綜合模型中清晰地構建新情景下的物理模型,迅速找到解決問題的方法,正是學生學科核心素養的較好體現.通過這樣的情景體驗,不僅開闊了學生視野,而且培養了學生靈活思變、舉一反三、融會貫通的創造性思維能力,學生的學科素養將在問題解決中得到有效發展,從而實現由“深度學習”向“創造性學習”的高質飛躍.

以上學習活動的設計,依據學生的認知結構和認知能力,創設了情景問題,較好地激發了學生的探究熱情,有效地促進了學生自主學習、深度學習和創造性地學習,學生在建模、析模、用模中不斷地積累方法、提升能力、豐富素養.實踐證明,模型遷移學習法是培養學生學科核心素養的有效途徑之一.

阿里巴巴董事會主席馬云先生在2017年9月無錫召開的世界物聯網博覽會上,發表了主題為“物聯改變未來”的演講:未來死記硬背的東西都會被計算機所取代,人所要做的是必須讓機器像人一樣去學習.可見,學習方式的變革刻不容緩,培養學生創新思維和學科核心素養意義重大.我們每一位教育工作者都應把培養學生的創新意識、思維能力落實在每一個學習活動中,為全面提高學生的學科核心素養,促進學生的終身發展打下堅實的基礎.

參考文獻：

1 肖建華.學科核心素養導向的物理深度實驗教學思考[J].中學物理教學參考,2017(6):12-15.

2 孟擁軍.深度教學理念下的高中物理概念教學策略研究[J].中學物理教學參考,2017(10):5-7.

3 卞志榮.用“問題驅動法”促進學生高效復習[J].物理教師,2010(10):52-56.