基于奧蘇伯爾解決問題理論的習題可視化教學

季正華

(常州市北郊高級中學,江蘇 常州 213031)

習題教學是物理教學的重要組成部分.習題教學可以幫助學生理解、鞏固、活化物理知識與技能;可以幫助學生建立、掌握、拓展解決問題的思路與方法;可以幫助學生提升學習能力與品質.高中物理習題條件隱含、對象復雜、過程抽象、模型綜合等特點使學生在問題的建構、分析、求解與再認知方面造成困難.如何將抽象、復雜、綜合的問題簡潔、清晰、直觀的呈現給學生,習題可視化教學不失為一種有效的教學方式.

1 可視化與習題可視化教學

可視化最早是指利用計算機圖形學和圖像處理技術將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來.后來在引導技術中可視化又稱為“可視思考/視覺化思考”,指將聲音轉化為可視的圖或文字,便于簡化復雜性以增強研討過程中的思考.隨著多媒體技術的發展,可視化教學技術被廣泛應用于課堂教學[1].知識、思維被圖形或視頻可視化地表征,方便了師生、生生溝通并促進了學生的思維,提升了教學效果.

基于如圖1所示的奧蘇伯爾解決問題模式[2],筆者認為習題可視化教學不能停留在利用圖像或視頻等展示習題分析、求解的技術層面,而應該在習題情境呈現、條件目標明確、推理分析、過程檢驗等解決問題環節中,采用更豐富的手段使習題講評過程可視化,以突顯解決問題的一般過程,使學生深入理解物理知識與規律,提升學生

3 結束語

BOPPPS教學模式將課堂教學分成了6大模塊,其實踐性與可操作性都非常強．對于剛踏上講臺的新教師而言,BOPPPS教學模式涵蓋了有效課堂教學的重要環節,可以讓他們迅速掌握如何充分發揮學生主觀能動性,條理化、合理化的展開課堂教學,而不會再因為緊張而一味地對學生“滿堂灌”;對于教學經驗豐富的資深教師而言,BOPPPS教學模式則提供了一種自我審視的途徑,為其改進教學設計、改善教學效果提供了一種新的思路和理論指導．

同時有必要指出的是,筆者通過探索與實踐發現,BOPPPS教學模式本身只是一種教學理念,它給出了一種課堂教學設計的框架,在實際教學過程中,應該根據不同的教學課程、不同的教學內容、不同的教學設備、不同的教學對象等對BOPPPS模式的每個模塊進行適當地調整,而不是死搬硬套．應用BOPPPS教學模式的目的,正是希望通過將課堂有機分解,使之更適合學生的認知心理,提升學生學習的參與度,從而提高教學效果,實現多元化教學目標.

思維能力與品質.下面結合具體案例探析習題可視化教學的實踐.

圖1

2 習題可視化教學案例與評析

2.1 習題情境可視化,助推學生物理模型的自主建構

圖2

案例1.如圖2所示,理想變壓器的副線圈接入電路的匝數由觸頭Q調節.原線圈加上電壓為U1的交流電,副線圈輸出端接有定值電阻R0和滑動變阻器R,則

(A) 若Q位置不變,將P向上滑動,U2變大.

(B) 若Q位置不變,將P向上滑動,電流表的讀數變小.

(C) 若P位置不變,將Q向上滑動,電流表的讀數變大.

(D) 若P位置不變,將Q向上滑動,變壓器的輸入功率不變.

本題考查理想變壓器“動態分析”,往往學生因不理解“制約關系”原理及推理分析程序,正確率較低.若采用一般口頭講解來彌補學生對“制約關系”的認知不足,在以后的練習中學生還會出錯.筆者嘗試在可拆變壓器的原副線圈回路中各串一小燈泡,讓“制約關系”的原理以燈泡亮暗的現象可視化地呈現出來,裝置及現象如圖3所示.圖3(a)、(b)實驗讓學生在具體情境中深刻領會“P2→P1、I2→I1”的制約關系.圖3(c)實驗拓展演示:電感在交流電路中的作用.最后讓學生結合推理流程圖(如圖4)得出正確答案.實踐表明,將習題情境及推理流程可視化加深了學生對理想變壓器“動態分析”模型的感性與理性認識,起到了很好的教學效果.

圖3

圖4

評析： 對物理知識的認知和物理模型的建構過程是學生與情境交互的過程,學生只有融入到實際情境中,才能建構出有意義的知識.換句話說,情境是一切認知的基礎[3].借助演示實驗重現物理問題情境,不僅可以促使學生思維認知由抽象到形象的轉變,在情境中完成物理模型認知建構,而且可以激發學生的學習熱情和興趣.

2.2 審題分析可視化,利于學生物理意識的經驗積累

圖5

案例2.如圖5所示,質量M=4 kg的小車長L=1.4 m,靜止在光滑水平面上,其上面右端靜止一質量m=1 kg的小滑塊,小車與木板間的動摩擦因數μ=0.4,用一水平恒力F向右拉小車,g取10 m/s2.

(1) 若恒力F=10 N,小滑塊與小車間的摩擦力為多大?

(2) 滑塊與車間不發生相對滑動的恒力F要滿足的條件?

(3) 若恒力F=28 N,要使滑塊從小車上恰好滑下來,力F至少應作用多長時間?

第(3)問屬于動力學問題的難題,主要難在審題.一般而言,學生審題難在不能直接看出題目條件的內涵、不能從題目的陳述中正確辨析題目所給具體條件或要求過程、不能轉換條件及建立分析條件之間的關系.基于對奧蘇伯爾解決問題理論第Ⅱ階段的理解,筆者用如圖6所示的審題流程圖可視化第(3)問的審題教學.通常,物理習題的文本表述可以轉化為物理情景,物理情景可以轉化為具體的物理條件(或要求),物理條件(或要求)可以轉化為數學條件(或要求).審題可視化教學的核心是讓學生掌握基本操作要領——轉化,使學生在習題情境命題與認知結構之間建立聯系,逐個分析題目條件的內涵,理解問題并轉化條件,最終將習題作為一個整體來把握.

圖6

評析： 審題能力的培養是習題教學的重要目標.正確審題有利于形成解決問題的正確思路,增強學生解決問題的能力.空洞化的言語提醒與形式化的圈點勾畫很難提升學生的審題水平.審題的核心是轉化,可視化的審題轉化過程是學生理解條件內涵的過程,也是明辨各條件或要求之間關系的過程.因此,審題可視化教學將有利于學生發展理解能力和分析能力.

2.3 綜合推理可視化,促進學生物理思維的能力提升

圖7

案例3.如圖7,垂直紙面向里的勻強磁場大小B=0.6 T的上方有一水平板ab,在距ab距離為l=10 cm處,有放射源S向紙面內各方向發射速度大小均為v=3.0×106m/s的α粒子,已知 α粒子比荷q/m=5.0×107C/kg,求ab上被α粒子打中的區域的長度.

學生能注意到α粒子的入射方向的不同,采用“旋轉軌跡圓”策略,得出α粒子打中的ab邊界右端的最遠點為軌跡圓直徑與邊界的交點A.多數學生會由對稱思維推理填補與問題目標之間的空隙,得出“α粒子打中的ab邊界左端的最遠點與右側最遠點A對稱”的錯誤答案.為了糾正學生解決問題中填補空隙過程的錯誤,筆者制作了如圖8的教學道具,使學生直觀理解“旋轉軌跡圓”的推理結果的不對稱性.值得一提的是,此教具的使用讓不少“帶電粒子在有界磁場中運動問題”的可視化習題教學難點迎刃而解.

圖8

評析： 習題教學過程中,教師既要幫助學生調動認知結構中與解決習題相關的知識、方法,也要指導學生考慮綜合推理的注意事項,更要教會學生如何縮小習題條件與求解問題之間的空隙,因為填補空隙是解決問題的核心.借助于自制教具或思維導圖的習題可視化教學方式,不僅可以使學生的綜合推理由抽象向形象轉變,也可以在問題空隙填補過程中判斷邏輯推理的合理性,還可以促進學生物理思維能力的提升.

2.4 檢查校驗可視化,促使學生原有認知的重新建構

案例4.如圖9(甲)所示,質量m=2 kg的滑塊與質量M=1 kg的足夠長的木板靜止疊放在光滑水平面上,它們間的動摩擦因數μ=0.2.作用于滑塊的水平力F隨時間t變化如圖9(乙)所示,t=2.0 s時撤去力F,最終滑塊與木板間無相對運動.取g=10 m/s2.求: (1)t=0.5 s時滑塊的速度大小; (2) 0～2.0 s內木板的位移大小; (3) 整個過程中因摩擦而產生的熱量.

圖9

圖10

第(1)問正確率不足10%,學生錯誤地認為在0～0.5 s內F1>fm,m在M上發生滑動,如圖10所示.究其原因,學生既沒有全面掌握“動力學分離問題”,也沒能校驗“F1>fm”是不是m在M上滑動的充分條件.以“題海戰術”為特征的應試教育讓學生養成了“不回頭看”的解題習慣.為了培養學生解決問題“檢驗”的習慣,筆者應用“MindMapper”軟件可視化思維過程,讓學生檢驗推理規則的同時發現“從動的木板加速度比主動的滑塊大”的矛盾,如圖11所示.接著,分析滑塊與木板相對靜止時其摩擦力隨外力F的變化,讓學生理解:當f=fm時,

圖11

評析： 檢驗是解決問題過程的重要步驟,習題教學中教師要注重學生檢驗習慣的養成.運用思維導圖將推理過程可視化,有利于校驗推理的正確性,也有利于檢查填補空隙的簡潔性.同時,可視化的檢驗往往能發現原有認知結構中的各種成分的作用,不僅促進學生原有認知的重新建構,也為培養學生解決問題的習慣與能力指明了方向.

圖12

3 小結

基于奧蘇伯爾解決問題理論的習題可視化教學應立足于習題情境、審題分析、綜合推理、檢查校驗等方面的可視化.實驗演示、審題流程圖、自制教具、思維導圖、仿真軟件等工具在習題可視化教學中可以發揮重要作用.習題可視化教學可以增強課堂教學的直觀性和趣味性,同時也使學生掌握了解決問題的基本思路,提高了習題教學的效果,提升了學生解決問題的能力.

參考文獻：

1 李萬龍.可視化及其在地理教學中的應用[J].中學地理教學參考,2013(9):33-35.

2 邵瑞珍.學與教的心理學[M].第1版.上海:華東師范大學出版社,1990:64-94.

3 張振新,吳慶麟.情境學習理論研究綜述[J].心理學,2005,28(1):125.