注重學習過程 聚焦可視思維
——高中物理習題教學中思維可視化應用的實踐探索

沈 榴

(江蘇省前黃高級中學國際分校)

一、問題的提出

高中物理習題教學是物理課堂的重要組成部分,既能夯實學生的必備知識,培養物理觀念,又能加深對物理概念、規律的理解與應用,提升學生的思維品質,引導從“解題”逐漸轉變為“解決問題”。物理是一門思維邏輯性很強的學科,傳統的習題教學重視“大運動量”訓練,而忽視思維發展,注重知識灌輸,而較少考慮學生知識習得過程性的價值,導致學生在分析、解決問題時只會生搬硬套,不會靈活遷移,科學思維得不到提升,“聽得懂,不會做”現象變得愈加普遍。因此,發展學生的科學思維應當成為“雙減”和“核心素養”背景下的高中物理習題教學的重要目標,而思維可視化是實現這一目標的有效方式。

思維可視化是指運用一系列圖示、實驗、動畫等手段把本不可視的思維用易于理解的方式清晰地呈現出來的過程。聚焦可視思維,將情境知識本質化,抽象問題直觀化,方法過程結構化,可以有效突破教學過程中的難點,促進學生對知識規律的理解與運用,提升學生的思維品質。

二、例析習題教學中的思維可視化手段

思維能力是核心素養的重要組成部分,為了更好地還原物理學的本質,落實核心素養的培養,教師可以創設多元化的教學情境,豐富課堂的教學資源與手段,把不可見的思路和想法呈現出來,在思維可視化教學中激發學生的學習興趣,促進學生掌握和理解核心知識,提升關鍵能力,助力習題教學提質增效。

1.可視化教具——將情境知識本質化

物理實驗是核心素養發展的良好生長點和重要發展途徑,教學中很多老師都有這樣的感受:辛辛苦苦講解原理千遍,不如認認真真做實驗一遍。由此可見,物理實驗教學有利于促進學生形成物理觀念,有利于發展學生的科學思維。因此,教師可以創設多樣的情境化實驗,利用可視化教具幫助學生理解其物理本質,做到情境知識本質化,更好地激發學生學習物理的興趣,實現“從隱性到顯性、從靜態到動態”的轉變。

【例1】零刻度在表盤正中間的電流計,非常靈敏,通入電流后,線圈所受安培力和螺旋彈簧的彈力作用達到平衡時,指針在示數附近的擺動很難停下,使讀數變得困難。在指針轉軸上裝上扇形鋁框或扇形鋁板,在合適區域加上磁場,可以解決此困難。下列方案合理的是

( )

A

B

C

D

【答案】D

【解析】本題考查電磁阻尼的原理,以探究靈敏電流計的指針快速停下為真實情境,要求學生結合電磁感應現象對上述四個方案進行分析,強化對電磁阻尼的理解與應用。學生不會從情境中提取信息、建構模型,不知其知識本質,無法分析鋁框與鋁板、磁場在中央與側邊的區別,基于知識本身的抽象性,因此教師可以將其制成教具進行課堂演示,如圖1所示,學生能非常直觀地看到磁場在側邊時,不論是鋁框還是鋁板,指針都不能很快停下,而磁場在中央時,鋁板的效果要比鋁框好很多,學生在觀察、體驗中建構物理知識,掌握物理規律,有利于對知識原理的再理解和再認知,提升關鍵能力,從而有效突破教學的重難點。

圖1

2.多媒體情境——將抽象問題直觀化

多媒體技術是一種重要的思維可視化手段,在教學中使用較多的有希沃白板、幾何畫板、物理實驗室AR、GeoGebra軟件等,不僅可以豐富教學資源,將一些不易演示的實驗“搬進”課堂,而且可以通過多渠道刺激學生的感官,極大地降低了學生的認知難度,將抽象的問題直觀化,從而激活學生思維。

【例2】如圖2所示,電荷量為Q的正電荷均勻地分布在半徑為r的圓環上。M為圓環平面內的點,過圓心O點的x軸垂直于環面,N為x軸上一點,ON=h,則

( )

圖2

A.M、O兩點場強都為零

B.M、O、N三點O點電勢最高

D.過M點以O點為圓心的圓是一條等勢線

【答案】D

圖3

圖4

上述分析方法要求學生具備高階思維,對學生來說難度較大,而在實際教學中,上述方法講解后仍有不少學生對于均勻帶電圓環在其周圍空間產生的電場分布情況模糊不清,因此筆者借助物理實驗室AR模擬了均勻帶正電的圓環產生的電場線分布,如圖5所示,在一定程度上助力學生的認識從理性理解到感性認知,從抽象模糊到直觀透徹。此外,還可以模擬不同種類的均勻帶電圓環在其周圍產生的電場分布,如圖6所示,引導一題多變,以此來輔助變式教學,促進學生思維方式的不斷進階。

圖5

圖6

3.思維導圖——將方法過程結構化

思維導圖可以將零散的知識由點、線、面至網層層鋪開,助力學生構建系統的網狀知識結構,同時也可以在習題教學中把一個復雜的大問題分解成若干簡單而具體的小問題,實現解題方法、思維過程顯性化、結構化,逐步訓練學生的推理思維與發散思維。

【例3】如圖7中的廣告形象地描述了高空墜物對人傷害的嚴重性。小明用以下實例檢驗廣告詞的科學性:設一個50 g雞蛋從18樓窗戶落下,相鄰樓層高度差為3 m,與地面撞擊時雞蛋的豎直尺度為5 cm,認為雞蛋下沿落地后,其上沿是勻減速運動,且上沿運動到地面時恰好靜止,以雞蛋上、下沿落地時間間隔作為雞蛋與地面的撞擊時間。空氣阻力不計。試估算該下落雞蛋對地面的平均撞擊力有多大?

圖7

學生從情境中提取物理信息,經小組討論、合作探究,在互動中碰撞出火花,教師展示思維導圖(如圖8),把知識由點到線,由線帶面層層鋪開,在構圖過程中展示解題過程,滲透解題方法,訓練學生的邏輯思維和發散思維,實現解題方法與過程的結構化、系統化、可視化,同時本題也培養學生對傳媒的物理描述進行質疑和檢驗的意識,進一步增強學生的“證據意識”,提升學生的學科核心素養。

圖8

情境可以不斷創新,但知識的邏輯呈現是不變的,將思維導圖融入習題教學,引導學生提煉關鍵信息、有序推進物理問題的解決,可以使課堂變得更加靈動、有趣,從而提升學生思維的品質,促進深度學習,圖9是學生運用動量定理解決生活真實情境問題的思路分析。

圖9

三、思維可視化對物理習題教學的啟示

在這個知識爆炸的時代,思維比知識更為重要,過程比結果更有價值。顧明遠強調:“教育的本質是培養思維。”利用思維可視化,把思維難點再現在學生的最近發展區內,有利于突破習題教學的難點,發展科學思維,增強學生克服困難的信心,進一步推進教師的專業化發展。

1.重視問題情境設計,在思疑中培養建模能力

美國著名學者哈爾莫斯說過:“有了問題,思維才有方向;有了問題,思維才有動力;有了問題,思維才有創新。”《中國高考評價體系》也創造性地提出了以能夠真實反映考生素質的問題情境作為考查載體,所以,在物理習題教學中應創設真實、適宜的物理情境,讓學生通過情境發現和提煉物理問題,激發主動思考,而教師設計有效問題,引導學生在情境中提取關鍵信息,調動已學知識進行科學建模。比如在習題設計時,教師可以創設“列車進站時的電磁制動”為問題情境供學生討論,有意識地在教學中培養其建構“等效電路”模型的能力和邏輯推理能力,進一步落實核心素養的培養目標。

2.革新教學理念與方式,在問題解決中提升思維能力

在新課改理念指導下,師生必須及時轉變教學觀念,創新教學方式,應當由重數量向重質量轉變,由知識至上向素養發展轉變,高中物理習題教學亦如此。傳統的習題教學中老師們親歷過這樣的一些現象:只要題干的條件稍微一變,學生就會落入陷阱;知識、原理講了很多遍,學生依舊理解不透徹到位……以上的無力感,究其本質在于學生并沒有發生深度學習。因此習題教學應以思維培養為核心,以問題導向為途徑,以問題解決為目的,引導學生對問題進行深入探究,把握核心知識與物理規律的本質內涵和聯系,促進學生的思維在問題解決的過程中不斷進階,而不是簡單機械地記憶公式。

3.關注科技進步與時代發展,在育人中發展學習內驅力

近幾年各地的物理高考出現了許多以社會熱點時事和前沿科技成果為真實情境的試題,以此來考查學生解決真實問題的能力,提升關鍵能力。新教材中也注重和實際生活的聯系,更多地融入了生活情境,體現“生活即教育”,比如例題3中的高空墜物情境,每年都有新聞播報因高空墜物導致的悲劇事件,學生通過提取信息、推理論證得到撞擊力帶來的傷害,以此加深學生對高空墜物危害的認識。因此在遴選習題時,教師應依據課程標準,充分挖掘和整合教材資源,選取具有鮮明時代性、民族性或科技發展最新進展類的素材,以此激發學生學習的興趣,引發學習內驅力,增強社會責任感,體現物理學科的育人價值。