比對觀察:驅動核心素養生成的路徑探索
——以初中物理“壓強”的教學為例

2023-12-12 03:14:46曹建軍

物理教師 2023年11期

曹建軍

(南通市虹橋二中,江蘇南通 226006)

比對觀察是把不同的事物或不同條件的同一事物聯系起來進行觀察,在比對的過程中達到“求同存異”,即找尋到其共同特征的同時也能夠從中捕捉住它們之間的差異所在,對事物形成全面而正確的認識.初中物理教學如何進行比對觀察?就是將不同物理事實、不同知識內容等關聯起來,通過求同比對觀察和求異比對觀察找到已經熟練掌握的舊知識、經驗和方法,將其與新知識之間搭建起鏈接,讓新知識不再孤立地游蕩,形成自己的認知體系,最終生成學科核心素養.本文結合蘇科版初中物理“壓強”的教學進行說明.

1 比對中尋由來

初中物理概念和規律都是從眾多物理事實的分析中概括總結而來的,知識內在的整體性、關聯性十分密切,教學就是通過比對觀察,挖掘不同物理事實或物理知識之間的共性.通過求同比對觀察引導學生知道物理概念從何而來,不同知識之間是通過什么相聯系的.

例如,壓力概念的由來.以觀察如圖1所示的兩幅圖為基礎,在此對于學生的要求是能夠畫出鐵錘對釘子作用力的示意圖和運動員對平衡木作用力的示意圖.接著,根據兩個力的示意圖,提出“兩個力在三要素方面有什么共同特點”等問題,引導學生基于力三要素的理解,尋找其共性:作用點在表面;方向垂直于表面向里.從共性出發定義壓力:這種垂直作用于物體表面的力叫作壓力.

圖1

這樣的教學,讓學生意識到壓力的個性體現在方向和作用點上,而容易將其納入已有的力概念,會用力概念去認識壓力,教師也就不需要在壓力的施力物體、受力物體是誰等問題上耗費時間,更重要的是這樣的教學將更有益于學生物理觀念的生成與發展.

再如,壓力等于重力的由來.無論是為了壓力作用效果的探究,還是為了壓強大小的計算,教師都會點明:物體對水平面壓力的大小等于物體重力的大小,甚至會對重力和壓力從三要素方面進行細致的比較,然而很少有教師對重力和壓力關系進行深層次的思考.從學科核心素養教學的角度出發,教師可通過如圖2所示的實驗,引導學生發現物體對水平面的壓力等于物體的重力,對斜面的壓力小于物體的重力.通過求異比對觀察幫助學生意識到壓力和重力不是一回事,這時再結合力的三要素更為細致地說明兩個力的不同.接著運用問題引導學生進行這樣的思考:如圖3所示,物體所受的重力G與支持力F支是一對平衡力,即F支=G;物體對平面的壓力F壓和平面對物體的支持力F支是相互作用力,即F壓=F支;兩者綜合則有物體對平面的壓力等于物體的重力,即F支=G.

圖2

圖3

這樣的教學,耗時不多效益卻很高:一是學生認識到壓力和重力之間的區別和聯系.二是學生對物體對平面的壓力等于自身重力,不再是簡單的知識積累和記憶,而是知其然,并且知其所以然,學生具有了綜合運用物理知識、整體分析和妥善解決物理問題的行為表現.這也將更有益于學生物理觀念的生成與發展.三是學生能夠表現出運用物理知識進行簡單的演繹推理得出結論的行為,有益于其科學推理能力的生成與發展.

2 比對中明差異

在物理教學的元素中,有些內容看似相同,但實質不同,在教學中就需要對這些內容以比對觀察為基礎進行求異思考,辨析出其中的差別.

例如,體驗壓力作用效果的教學環節.教材中以如圖4所示的兩種體驗為基礎,引導學生初步體驗了解壓力的作用效果與哪些因素有關.根據親身體驗學生容易發現:壓力的作用效果與壓力大小有關,壓力越大,壓力作用的效果就越強;壓力的作用效果與受力面積有關,受力面積越小,壓力的作用效果就越強.

圖4

在以上教學實踐中學生因缺乏深度的思考,而意識不到兩種體驗的差別:氣球受手指和手掌的壓力作用而平衡,引發氣球形變的力是手指和手掌的壓力;鉛筆受兩個手指的壓力作用而平衡,引起手指疼痛的力來源于物體間的相互作用,而不是手指對筆尖的壓力,而是筆尖對手指的壓力.

從學科核心素養教學角度出發,教師在教學中可作出適當的調整:手壓鉛筆時,手指感到疼痛的力來源于哪些?這個力是怎樣產生的?這些問題引導學生通過思考,從體驗壓力作用效果的角度,揭示兩種體驗中的共性——影響壓力作用效果的可能因素包括壓力大小和受力面積大小,從而具有對于壓力作用效果影響因素的感性認識.在這一番問題思考中學生的猜想與假設往往是自然生成的,長此以往,這將有益于學生科學探究水平的發展.從力相互作用角度對其體驗進行深層次的認識,關注那些相似現象的細微差別,在理解力相互作用知識的基礎上,漸漸養成嚴謹認真的科學態度,挖掘物理事實的差別,有助于物理知識的真正理解,有助于知識結構的架構,從而進一步實現學科核心素養的養成和發展.

3 比對中展方法

物理課堂中充滿眾多科學研究的方法和技巧.建構知識和理解知識的過程中,需要將貫穿教學活動中的思想方法和技巧,通過求同比對和求異比對適時適當地進行顯現.

例如,實驗驗證壓力的作用效果.提供如圖5所示的器材,要求學生提出壓力作用效果影響因素的兩個猜想:壓力大小和受壓面積大小.學生選擇器材設計實驗驗證猜想和總結結論.在實際教學實踐中,學生雖然有探究滑動摩擦力影響因素的經歷,但是在探究壓力作用效果的影響因素時,很多學生還不能熟練地運用控制變量的思想,設計完善驗證的方案和準確表述探究的結論.對此情況教師應該將驗證活動分兩步實施.

圖5

第一步,從活動出發.設計完善驗證的方案,以學生充分活動為基礎,組織全班交流引導學生對不同的實驗方案進行評價.通過評價生成合理的實驗方案,領悟控制變量在驗證方案中的落實.然后保留如圖6所示的兩種驗證方案,讓學生進行實驗活動.

圖6

第二步,以問題為導向.運用問題:(1)說明實驗中觀察到什么現象?(2)這些實驗現象分別說明了什么結論?引導學生充分發表自己的見解.實驗現象和實驗結論的呼應,期望學生真正從實驗現象的分析中總結結論,發展學生基于證據的科學探究和科學推理的能力.接著,全班交流實驗的結論.在學生充分發表的基礎上,引導學生對不同結論進行評判,直到所有學生能基于控制變量的思想發表結論.

實驗過程中,學生會選擇細沙和海綿進行實驗,如果教師不點撥,學生往往不會思考為何選擇細沙或海綿而不選擇木板,即教師需要運用啟發性語言引導學生基于實驗情境進行求異,發現細沙和海綿屬于一類松且輕的材料,才能把不能直接比較的壓力作用效果的問題轉化為可以比較的形變,從而使探究順利行進.

學生只有經歷這樣的思考,才能將實驗中的體驗和做法轉化為自己的知識和經驗,才能在新的問題情境中靈活運用,長足發展遷移創新的能力,生成未來生產、生活所必備的學科素養.

4 比對中歸類別

物理觀念的形成和應用過程中,往往存在眾多的共性.例如,速度和壓強的概念都是采用比值定義法;在運用速度和壓強等公式計算時,都要滲透單位的統一.對這些共性的內容可以通過求同比對觀察進行歸類,引導學生用統攝的手段駕馭這些內容.

例如,壓強概念的教學.對壓強概念的理解和表述,可將其和速度概念相聯系,學生基于先前對于速度概念的理解,對壓強p=F/S就不會僅僅只是簡單地套用數學知識,認為“壓力越大時,壓強就越大”“受力面積越小時,壓強就越大”,甚至認為“壓強與壓力成正比,與受力面積成反比”.

通過壓強和速度的關聯思考,將那些具有共同特征的概念歸結成類,引導學生運用統攝手段駕馭這些概念,將零散甚至毫不相關的概念,通過定義的方法聯系.有了這樣的關聯思考,學生后續接觸到比熱容和電阻時,就不會在“比熱容是否和熱量成正比”“電阻是否和電壓成正”等方面糾結.

再如,運用壓強公式p=F/S計算時,教師都要提醒學生,受力面積的單位必須是m2,如果受力面積單位不是m2,必須換算成m2.以上所述情況中,學生往往是通過記憶而具有這方面的知識.為此,教學中不應該讓學生通過閱讀從教材中提取到壓強的單位Pa,以及1 Pa=1 N/m2,而是結合壓強公式推理壓強單位是什么.

具體的思路:假設2 m2面積的壓力為10 N,將其數值和單位一起代進壓強公式進行計算,則有,根據計算結果告訴學生壓強的單位是1 N/m2,國際單位制壓強的單位帕(Pa),即1 Pa=1 N/m2.接著引導學生通過對計算過程和結論反思,發現面積單位不是m2時,計算出來壓強單位就不是N/m2(Pa).通過公式的關聯,學生不僅知道單位要統一,還明晰單位為什么要統一.單位的正確使用從機械記憶轉為理解性記憶.經歷了這樣的思考,學生到后續運用阿基米德原理公式計算時,也就容易理解為什么密度單位必須是kg/m3,深度單位必須是m.

5 比對中糾誤

概念的學習過程中,學生因思維的慣性、不當的經驗和片面的認識等等,容易生成一些學習的錯誤認識,誤點撥正就是通過相關事件的求同比對觀察或求異比對觀察,糾正學生的錯誤或不全面的認識.

例如,如圖7所示,采用海綿探究壓力作用效果的影響因素后,學生因看不到小桌使木板的形變,往往會認為小桌對木板沒有壓強或者小桌對木板的壓強小于小桌對海綿的壓強.對此需要把兩幅圖進行比對觀察和思考,以分析小桌對海綿或木板的壓力為起點,結合壓強概念讓學生發現小桌對木板有壓強,而小桌對海綿的壓強和對木板的壓強相等.學生在比對觀察的過程中腦海中的一些迷思和誤念得以解除,更為全面深刻地認識到事物的本質,也進一步實現其學科核心素養的養成和發展.

圖7