物理學習路徑的特征與尋找方法

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學,浙江 溫嶺 317502)

日常生活中的路徑有起點、過程和終點．相應地,物理學習路徑也有起點、過程和終點．物理學習路徑的起點指學生已有的知識和經驗,過程指學生的物理思維過程,終點指學生對知識的表征方式．

1 物理學習路徑的特征

1.1 適切性

學生的物理學習路徑并非只有一條,世界上也不存在最好的學習路徑．但應有一條非常適合自己學校、自己眼前學生的學習路徑．這條學習路徑受制于學校的硬件、學生的基礎和教師的能力等實際情況．

像某些實驗,由于學校的器材太少,只能做做演示實驗,無法開展學生實驗．這時,學生的物理學習路徑就只有通過觀察演示實驗、討論實驗現象、分析實驗數據、得出實驗結論等過程而展開．象有些實驗方案很多,由于學習時間有限,我們也不可能在一節課中將每種方案都試過去．例如,“實驗:探究碰撞中的不變量”的學習,可用于探究的學習路徑很多．有“用氣墊導軌做碰撞實驗”、“用兩個懸掛的擺球做碰撞實驗”、“用裝有撞針的小車與裝有橡皮泥的小車做碰撞實驗”、“質量不同小球碰后做平拋運動的實驗”等多種形式．如考慮到實驗的精度問題,學校又恰好有氣墊導軌器材,可選用第1種學習路徑來學習．如考慮到學生動手操作能力的培養,學校關于擺球碰撞的創新性器材也比較多等這些因素,可選用第2種學習路徑來學習．但第2種方案需要學校自制的擺球碰撞器材．有些學校缺少這方面的開發能力,就不好采用此種學習路徑．如考慮到學校購置的小車上按有撞針,可選用第3種學習路徑．但有些學校根本沒有能按撞針的小車,就不好選用第3種學習路徑．這時第4種學習路徑——用“質量不同小球碰后做平拋運動的實驗”來探究碰撞規律,就不失為一條較為合適的學習路徑．因此,我們要從學校、學生與教師的實際情況出發,來選擇當前最適切的學習路徑．但是,這一條路徑對其他學校、其他學生、其他教師來說,就不一定是最佳的．

1.2 靈活性

在物理學習中,物理學習路徑隨不同學校教學資源的不同而靈活變化．例如,在沒有數字化實驗的日子里,學生學習“作用力與反作用力的關系”時,只能用兩把彈簧秤來探究兩者的大小與方向關系．但局限于靜態問題的實驗．對于加速、減速時,兩者的大小、方向關系就無從入手．待有了數字化實驗教具后,學生的物理學習路徑就發生了質的變化．學生學習這一關系時,可以親手通過力傳感器來比較“物體做直線運動、曲線運動”,“加速運動、減速運動、勻速運動”,以及處于靜止狀態時,兩力的大小、方向問題．在光影畫布、頻閃小球出現前,我們在探究平拋運動規律的學習路徑中,常用“描跡法”畫出小球做平拋運動的軌跡,再來研究小球做平拋運動的規律．現在時代發展了,有了光影畫布和頻閃小球作為物理學習的用具,學生的學習路徑就發生了質變．只要在光影畫布上覆蓋一張印有小方格的透明膜,就可直接利用頻閃小球在光影畫布上留下的痕跡來進行研究．顯然,在新課學習中,后一種學習路徑就比原先的要好得多．當然,在學生實驗中,還是保留“留跡法”這條學習路徑．因為它蘊含了一種獨特的研究路徑,在此不再贅述．

1.3 發展性

學習路徑并非是固定不變的,是隨教學理念、學生知識經驗、教師教學經驗的發展而發展的．

第一,學習路徑隨教學理念的發展而發展．應試導向的學習路徑與素養導向的學習路徑是不同的．像《伽利略對自由落體運動的研究》之類的物理學史課,在應試導向的教學中,主要采用教師講學生聽的方式進行,教師講完后,再提供幾個常考的物理學思想方法問題讓學生練習．同一個課題,在素養導向的教學中,教師設置問題情境、利用已有知識、運用真實實驗等多種方法,優化學生的學習路徑,獲得更好的教育效益．具體操作如下: (1) 教師設置物理悖論情境組織正反方學生參與討論,讓學生深切感受邏輯推理的力量; (2) 教師引導學生利用已有的知識經驗對“做自由落體運動物體的速度與時間成正比還是與位移成正比”提出質疑,讓學生在質疑中獲得成功的體驗; (3) 教師提供滴水計時裝置,讓學生模擬伽利略當年做過的“斜面實驗”,通過真實的實驗操作體驗伽利略的“斜面實驗”思想．

第二,學習路徑隨學生知識經驗的發展而發展．學生學了運動學規律和牛頓運動定律后,碰到動力學問題就只能用“力觀點的路徑”來解決．及至學了動能定理和能量守恒定律后,學生的能力提升了,碰到動力學問題就能用“力觀點的路徑”和“能量觀點的路徑”來解決．這時,就會優先考慮用“能量觀點的路徑”來解決動力學問題．等到學了動量定理和動量守恒定律后,學生的能力更強了,碰到動力學問題就能用“力觀點的路徑”、“能量觀點的路徑”和“動量觀點的路徑”來解決．對于單一物體,就會優先考慮動能定理和動量定理．對于多個物體組成的系統,就會優先考慮機械能守恒定律與動量守恒定律,不會都從牛頓運動定律出發來求解了．

第三,學習路徑隨教師教學經驗的發展而發展．教師教學經驗的發展,會促使教學方法的改變,將直接影響著學生學習路徑的變化．如圖1所示是教材上的光電效應實驗．教師按照這個實驗來演示,驗電器指針根本不會張開,無法達到理想的實驗效果．初入職教師常借助PPT呈現圖1,采用講實驗現象的方法來教學．等教師的教學經驗增加后,他們會分析這一實驗不能成功的原因: (1) 鋅板在弧光燈的照射下,發射出光電子,鋅板失去電子帶上正電,在鋅板周圍形成一個電場; (2) 鋅板射出的光電子越多,鋅板周圍的電場越強; (3) 鋅板周圍的電場阻礙光電子的射出,由于射出的光電子過少,無法觀察到驗電器指針的偏轉; (4) 鋅板與驗電器的連接上存在漏電現象,也會影響指針偏轉的觀察．而后,根據這一實際情況,改進光電效應的實驗裝置和做法,就可以成功演示光電效應實驗了,具體如圖2所示．為了減少鋅板與驗電器的連接漏電現象,將驗電器直接安裝到驗電器的頂端．為了避免鋅板周圍電場對光電子的阻礙作用,將與毛皮摩擦過帶負電的橡膠棒接觸鋅板,使鋅板先帶上負電．弧光燈照射鋅板時,鋅板周圍的電場不影響光電子的飛出,鋅板因飛出光電子,導致驗電器指針偏角減?。F象明顯,效果很好．這都得益于教師教學經驗的提升．

圖1 光電效應實驗

圖2 光電效應改進實驗

2 物理學習路徑的尋找方法

2.1 已有知識經驗尋找的方法

2.1.1 教材分析法

通過教材分析法,了解學生共性的問題,獲得學生初始的學習路徑．其中,教材分析要從物理核心素養的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任這四個維度來分析．例如,磁感應強度教學目標的分析．(1) 物理觀念:說出磁感應強度的物理意義、方向、大小和單位;知道磁感應強度定義式的適用條件;會解釋磁感應強度大小的決定因素;會用磁感應強度定義式判斷實際問題和進行相關的定量計算．(2) 科學思維:通過磁感應強度與電場強度的比較,體會物理學中的類比思維;通過電流元法、以勻代變極限思想和比值定義法的運用,領會物理學中的邏輯思維方法．(3) 科學探究:通過演示實驗,體會磁感應強度概念形成的實驗方法;通過“探究影響通電導線受力因素”的實驗,領會控制變量法．(4) 科學態度與責任:通過探究磁感應強度大小的決定因素,養成大膽質疑的態度;通過不同磁場磁感應強度大小實驗的測定,形成嚴謹的科學態度．

2.1.2 訪談分析法

訪談分析法是在了解學生共性的基礎上,融入學生個體差異的做法．例如,教師提出一個問題:對計算任何用電器的電功率都適用的公式是P=W/t、P=UI、P=I2R、P=U2/R．如某學生多選了P=I2R和P=U2/R．教師馬上就可以判斷出該學生沒有厘清純電阻電路和非純電阻電路的區別．又如,教師讓某學生說出“在力學實驗中,哪些實驗要用到紙帶和打點計時器”?根據這位學生回答的多寡,教師可以獲取該學生“力學實驗綜合性程度”的高低情況．

2.1.3 問卷調查法

問卷調查法是一種涉及到學生個人的調查方法,可以更快地了解學生的已有知識經驗,包括學習經歷、學到了什么和掌握程度3個方面．下面以伏安法測電阻實驗為例來說明問卷調查法的具體操作過程．(1) 學習經歷的問卷調查．在伏安法測電阻實驗中:有無“在一大堆有多余器材中選擇合適儀器”進行實驗的經歷?有無根據指針的實際偏轉情況在實驗中靈活調整“電流表、電壓表量程”的經歷?有無獨立操作“滑動變阻器分壓式接法、限流式接法”的經歷?有無“根據電流表、電壓表量程正確讀數”的經歷?(2) 學到了什么的問卷調查．在伏安法測電阻實驗中:電表讀數一般不少于量程的多少分之一?在什么條件下宜用電流表外接法?在什么條件下宜用電流表內接法?(3) 掌握程度的問卷調查．在伏安法測電阻實驗中:在什么條件下宜用滑動變阻器的分壓式接法?記錄電流、電壓數據時,電流表、電壓表的估讀有什么規則?

2.2 學生思維過程尋找的方法

2.2.1 觀察法

觀察法主要涉及兩種方法,一是教師看學生做,二是教師聽學生說．例如,光電效應問題．一波長為200nm的紫外光照射金屬銅,有光電子從銅表面逸出,經過一個電場強度大小為15N/C的勻強電場,最大運動距離為0.1m,則金屬銅的截止波長為多大．

教師問:上述問題可以轉化為求入射光的頻率和逸出光電子的最大初動能．

圖3 光電效應示意圖

通過觀察法,教師可以獲取學生的思維過程,如圖4所示．

圖4 學生的思維過程

2.2.2 預測法

(1) 教師提出問題．例如,教師問:一個氫原子處于n=4的能級上,自發輻射時最多能輻射出幾種頻率不同的光子?教師預測多數學生的思維過程:一種是學生畫出如圖5所示的氫原子躍遷圖,認為自發輻射時最多能輻射出6種頻率不同的光子．另一種是學生根據C42=6,得出自發輻射時最多能輻射出6種頻率不同的光子．教師預測個別學生的思維過程:如圖5所示,畫的是一群氫原子處于n=4能級上,自發輻射時所輻射出不同頻率光子的情況．這樣的話,就有6種光子．但對于一個處于n=4的氫原子,躍遷時不能既從4→3,又從4→2,還從4→1．可以從4→1,輻射出一種光子．可以從4→3,3→2,輻射出2種光子．可以從4→3,3→1,輻射出兩種光子．可以從4→2,2→1,輻射出2種光子．可以從4→3,3→2,2→1,輻射出3種光子．如圖6所示,一個氫原子躍遷最多輻射的光子數應是3種．

圖5 氫原子的躍遷

圖6 一個氫原子躍遷最多輻射的光子種數

(2) 教師問學生是否這樣．

圖7 靜摩擦力的方向

學生思維過程的尋找還可根據教師的推測,問學生是否這樣．例如,如圖7所示,物體相對轉動圓盤靜止,隨圓盤一起做勻速圓周運動,請判斷物體所受靜摩擦力的方向．

教師可以這樣問學生:物體所受的靜摩擦力與相對運動趨勢方向相反．由于俯視時,圓盤做逆時針方向轉動,圖示位置物體的速度方向垂直紙面指向紙內,物體有相對圓盤沿物體速度方向滑的趨勢,所以物體所受的靜摩擦力方向為垂直紙面指向紙外．這種說法是否正確？

教師還可以這樣問學生:物體做勻速圓周運動合力指向哪里?物體受到哪幾個力的作用?豎直方向上的重力和支持力是一對平衡力,水平方向的靜摩擦力應指向哪里?

2.3 學生知識表征尋找的方法

2.3.1 課堂提問

2.3.2 隨堂檢測

通過隨堂檢測,尋找學生的知識表征．例如,在學生學了電勢能概念后,教師提出下列問題,進行隨堂檢測．有一所帶電荷量q=-2×10-8C的點電荷,從電場中的A點沿電場線移到B點,克服靜電力做功為6×10-6J,從B點移到C點,靜電力做功為8×10-6J．則(1) 請判斷同一負電荷在A、B、C3個不同位置處,電勢能的高低情況．(2) 如以C點為零勢能點,電荷在A點的電勢能為多少?

學生在紙上畫出圖8,展示了他的思維過程．如B在A右側,負電荷從A到B,電場力做負功,

圖8 點電荷沿電場線的運動

則電場力向左．負電荷從B到C,電場力做正功,表明C在B左側,由于|WBC|>|WAB|,則C在A左側．因此,學生得到了如負電荷從B經A到C,電場力做正功,電勢能減小,則EpC>EpA>EpB．

學生在紙上寫出了WAC=WAB+WBC=-6×10-6J+8×10-6J=2×10-6J,以C點為零勢能點,WAC=EpA-EpC=EpA-0,則EpA=2×10-6J．

根據學生的展示情況,教師可以知道這位學生的知識表征是完善的．

2.3.3 作業分析

圖9 下落的小球陷入沙中

參考文獻：

1 蔡干斌.基于學生學習路徑的高中物理教學模式[J].物理教師，2017(6)：19-22.