基于核心素養(yǎng)的初中物理概念教學(xué)
——以壓強(qiáng)教學(xué)為例

2024-01-11 03:54:14高銀莉

物理通報 2024年1期

馮楠高銀莉

(銀川市第十三中學(xué) 寧夏銀川 750004) (銀川市第十七中學(xué) 寧夏銀川 750000)

在初中物理概念教學(xué)中,教師要深入理解概念教學(xué)的認(rèn)知機(jī)制,知識概念的本質(zhì)特征,概念建立的思想方法,科學(xué)把握學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,注重知識概念的內(nèi)在邏輯,才能促使學(xué)生撥開迷霧看到概念的本質(zhì)特征,正確建立概念,發(fā)展科學(xué)思維,促使學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成．

1 物理概念教學(xué)的認(rèn)知機(jī)制

物理概念是客觀事物本質(zhì)屬性在人們頭腦中的反映,是物理事實的抽象與概括,是觀察、實驗與科學(xué)思維相結(jié)合的產(chǎn)物[1]．物理概念教學(xué)的認(rèn)知機(jī)制包括5個方面:實驗事實、方法論問題、物理概念、數(shù)學(xué)、延伸與應(yīng)用[2]．

首先,以實驗事實為起點,實驗事實要回到學(xué)生的實際生活,回到學(xué)生的認(rèn)識起點．創(chuàng)設(shè)與學(xué)生已有認(rèn)知經(jīng)驗相結(jié)合的生活情境或?qū)嶒炃榫?當(dāng)學(xué)生用已有認(rèn)知經(jīng)驗無法解釋情境中的現(xiàn)象時,誘發(fā)認(rèn)知沖突,產(chǎn)生想要探究的欲望,自然地提出問題,主動投入科學(xué)探究中,積極建構(gòu)概念．其次,在積極主動的建構(gòu)活動中,對感性材料進(jìn)行思維加工,正確運(yùn)用科學(xué)方法,包括物理方法和思維方法,借助物理方法和思維方法對概念進(jìn)行意義建構(gòu),在不斷了解、積累科學(xué)方法的同時,知曉概念從何而來,撥開迷霧看到概念的本質(zhì)屬性．然后,將物理概念的表述上升到理性的定量層面,用符號表述物理量,用數(shù)學(xué)公式表達(dá)物理概念的邏輯結(jié)構(gòu),進(jìn)而運(yùn)用數(shù)學(xué)進(jìn)行推演運(yùn)算,加深對概念本質(zhì)的理解．最后,延伸與應(yīng)用是從物理走向社會的實踐路徑,也是知識輸出的過程,知識只有運(yùn)用在解決生產(chǎn)、生活實踐中真實存在的具體問題中,才能發(fā)揮出它原有的價值．

2 基于核心素養(yǎng)的壓強(qiáng)概念教學(xué)

2.1 壓強(qiáng)概念的教學(xué)分析

壓強(qiáng)概念的本質(zhì)是物體在壓力作用下所產(chǎn)生的壓縮形變的大小或是壓力對物體的破壞程度．學(xué)生已有認(rèn)知:生活中常接觸壓力,對壓力方向、作用點思考很少,存在錯誤的前概念,將重力、壓力混淆,將壓力、壓力作用效果混淆.初始能力:具備運(yùn)用控制變量法設(shè)計實驗的能力,有較強(qiáng)的動手能力．已學(xué)過速度、密度概念,對用比值定義物理量有一定了解．信息素養(yǎng):能對收集的信息進(jìn)行分析、比較,運(yùn)用概括、歸納的邏輯思維得出實驗結(jié)論．依據(jù)壓強(qiáng)概念的本質(zhì)分析、學(xué)生學(xué)情分析,設(shè)計如圖1所示壓強(qiáng)知識內(nèi)在邏輯圖與體現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的壓強(qiáng)知識-能力結(jié)構(gòu)圖,兩圖一一對應(yīng),以邏輯圖為內(nèi)容載體,知識-能力結(jié)構(gòu)圖為實踐路徑,一步步撥開迷霧看見壓強(qiáng)概念的本質(zhì),促使學(xué)生順利建立壓強(qiáng)概念,提升學(xué)科核心素養(yǎng)．

創(chuàng)設(shè)情境,以認(rèn)識壓力為認(rèn)知起點,與原有知識、經(jīng)驗(力是物體與物體間的相互作用、力的三要素、力的作用效果)相關(guān)聯(lián),運(yùn)用控制變量法和轉(zhuǎn)換法,探究壓力作用效果(物體被壓縮的形變程度)的影響因素,分析獲取的實驗信息,得出結(jié)論．觀察結(jié)論,發(fā)現(xiàn)受力面積和壓力大小都不相同時,無法比較物體被壓縮的形變程度,原有經(jīng)驗無法解決新情境的現(xiàn)象,對原有概念產(chǎn)生質(zhì)疑,提出問題,如何比較受力面積和壓力都不相同時,物體被壓縮的形變程度?在問題解決中運(yùn)用科學(xué)方法(比值定義法、比較思維)對感性材料(比較坦克和人雙腳站立在地面時的壓力作用效果)進(jìn)行思維加工,抽象出壓強(qiáng)的本質(zhì)屬性,建立壓強(qiáng)概念．對概念進(jìn)行表述,運(yùn)用數(shù)學(xué)知識將文字轉(zhuǎn)換為符號,推理得出壓強(qiáng)概念的定義式、單位,完成壓強(qiáng)概念的內(nèi)化建構(gòu)．科學(xué)概念只有運(yùn)用才具有意義,最后體驗生活中增大、減小壓強(qiáng)的事例,將抽象的概念“返回”具體的現(xiàn)實中,以鞏固、深化和活化壓強(qiáng)概念(圖1),實現(xiàn)學(xué)以致用．

圖1 壓強(qiáng)知識內(nèi)在邏輯圖與體現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的

在真實情境中提出問題,運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行思維加工、表述概念,用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行推理表達(dá),這是正向建構(gòu)的過程,而后是逆向理解的過程,用表達(dá)式研究壓強(qiáng)概念,用概念建構(gòu)過程的思維形式研究科學(xué)方法,以達(dá)到更深層次的理解概念建構(gòu)全過程的內(nèi)在認(rèn)知機(jī)制．

最后厘清壓強(qiáng)概念在力學(xué)體系中的地位,從壓強(qiáng)概念出發(fā),壓強(qiáng)描述的是壓力作用效果,壓力作用效果是壓力作用的表現(xiàn)形式,壓力是一種力,力是物體與物體之間的相互作用[圖1(a)]．從觀念的角度講,壓強(qiáng)是物體與物體之間相互作用的一種表現(xiàn)形式,將壓強(qiáng)概念建構(gòu)到運(yùn)動和相互作用的知識體系中,幫助學(xué)生以物理學(xué)的視角觀察物質(zhì)世界,逐漸形成物理觀念．

2.2 壓強(qiáng)概念的教學(xué)過程設(shè)計

(1)創(chuàng)設(shè)科學(xué)實驗情境,誘發(fā)認(rèn)知沖突

“提出一個問題比解決一個問題更重要”,科學(xué)正是在不斷地提出問題、解決問題中前進(jìn)的,提出問題是科學(xué)探究活動的開始,也是科學(xué)探究活動的一個重要環(huán)節(jié)．播放大型科學(xué)實驗視頻,汽車過釘板(圖2),引導(dǎo)學(xué)生提出問題:40 顆釘子都扎不破的輪胎,為什么會被8顆釘子扎破?實驗現(xiàn)象與學(xué)生的日常認(rèn)知形成沖突,學(xué)生頭腦中的前概念是生活中1顆釘子能扎破輪胎,兩顆釘子能容易的扎破輪胎,40顆釘子應(yīng)該更能輕松的扎破輪胎,但是實驗事實與學(xué)生的認(rèn)知相悖．

圖2 汽車過釘板

輪胎被扎破,從受力角度分析,輪胎受到了什么力?力有兩個作用效果,在輪胎被扎破的過程中,力產(chǎn)生的作用效果是什么?學(xué)生基于觀察科學(xué)實驗,對實驗情境中的現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)疑,在教師的不斷啟發(fā)和指引下,逐漸提出問題:輪胎發(fā)生形變的程度與什么因素有關(guān)?

(2)創(chuàng)設(shè)探究實驗情境,促進(jìn)概念形成

在創(chuàng)設(shè)探究實驗情境時,提出引領(lǐng)性問題:

1)如何體現(xiàn)壓力作用的效果?

2)如何改變壓力的大小和受力面積的大小?

3)設(shè)計和進(jìn)行實驗時要控制哪些變量?

提供包括生活常用物品在內(nèi)的不同器材,讓學(xué)生逐漸感受生活用品是很好的探究器材,逐漸意識到實驗探究不只是在物理實驗室中進(jìn)行,生活處處有物理,探究處處能進(jìn)行．學(xué)生展示自己的實驗設(shè)計方案,選擇合適的實驗器材進(jìn)行探究,在真實、深刻的實驗情境體驗中,發(fā)揮實驗教學(xué)的育人功能,促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成．

師:利用身邊的物體(氣球、鉛筆、海綿等)感受壓力產(chǎn)生的作用效果?壓力作用效果可能與什么因素有關(guān)．

生:在活動中感受、體驗,壓力作用效果使物體發(fā)生形變,提出合理猜想,物體被壓縮后的形變程度可能與壓力大小和受力面積有關(guān)．

師:引導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法對問題進(jìn)行探究,明確研究對象、恒量、變量;運(yùn)用轉(zhuǎn)換法體現(xiàn)壓力作用效果．

生:選擇自帶、自制的實驗器材,完善實驗方案,進(jìn)行實驗探究,分析現(xiàn)象得出實驗結(jié)論．

器材1:沙子、小桌、銅塊.

器材2:木塊桌、面團(tuán)、銅塊.

器材3:海綿、礦泉水等.

器材4、器材5……

學(xué)生分享實驗過程,觀察實驗現(xiàn)象(圖3～5),總結(jié)實驗結(jié)論．

圖3 探究壓力作用效果影響因素1

圖4 探究壓力作用效果影響因素2

圖5 探究壓力作用效果影響因素3

發(fā)散思維是個體創(chuàng)造性思維的重要組成部分,從問題原點出發(fā),知識的得出路徑可能有多種方式,提供多種實驗器材,讓學(xué)生在深度發(fā)散中質(zhì)疑創(chuàng)新,在發(fā)散思維中促進(jìn)科學(xué)思維品質(zhì)的整體提升．在多樣化的實驗情境下,學(xué)生運(yùn)用控制變量的物理方法,設(shè)計不同的實驗方案,運(yùn)用分析、比較的邏輯思維方法,得出不同方案之間的優(yōu)劣,最終得出最優(yōu)方案,歸納、總結(jié)得出影響壓力作用效果的因素．通過思維發(fā)散的檢驗,進(jìn)行質(zhì)疑、驗證、完善與創(chuàng)新,促進(jìn)科學(xué)思維意識和能力的整體提升．

(3)創(chuàng)設(shè)對比情境,理解科學(xué)方法

在壓強(qiáng)的概念教學(xué)中,構(gòu)建對比情境,學(xué)生通過圖6、圖8、圖10的情境回顧速度概念的定義方法并開展討論:比較物體運(yùn)動快慢,可相同時間比路程,或相同路程比時間,在路程和時間都不相同時,可比較1 s內(nèi)通過的路程,1 s內(nèi)通過路程長的運(yùn)動快．學(xué)生由此類比,如圖7、圖9、圖11比較壓力的作用效果．相同受力面積,比壓力,壓力大的壓力作用效果更明顯;相同壓力,比受力面積,受力面積小的壓力作用效果更明顯;在受力面積、壓力都不相同時,可比較1 m2的面積所受的壓力,1 m2的面積所受壓力大的作用效果更明顯．在此基礎(chǔ)上運(yùn)用比值定義的方法,引出壓強(qiáng)的概念、公式和單位．

圖6 相同時間比路程圖7 相同受力面積,比壓力

圖8 相同路程比時間圖9 相同壓力,比受力面積

圖10 路程、時間都不相同圖11 受力面積、壓力都不相同

科學(xué)方法支配著物理知識的獲得和應(yīng)用,是形成知識結(jié)構(gòu)的綱領(lǐng)和脈絡(luò),支撐著學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展．就知識的來源而言,深度理解強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者采用學(xué)科公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)和方法,基于自身理解來建構(gòu)知識．創(chuàng)設(shè)類比情境,運(yùn)用類比思維,比較速度概念和壓強(qiáng)概念的建立過程,明確比值定義法在物理學(xué)概念建立中的重要作用．在教學(xué)中構(gòu)建對比情境,學(xué)生運(yùn)用類比的思維,對比速度、壓強(qiáng)概念的建立過程,掌握科學(xué)方法,發(fā)展科學(xué)思維,同步提升自我認(rèn)同感、獲得感和學(xué)習(xí)興趣,充分發(fā)揮物理學(xué)科獨特的育人價值．

(4)創(chuàng)設(shè)生活實踐情境,深度遷移應(yīng)用

皮亞杰的認(rèn)知理論提出概念的建立需要內(nèi)化建構(gòu)和外化建構(gòu),創(chuàng)設(shè)物理情境,進(jìn)行思維加工是知識的獲得,屬于認(rèn)知的內(nèi)化建構(gòu),運(yùn)用概念規(guī)律是知識的應(yīng)用,屬于認(rèn)知的外化建構(gòu)．遷移與應(yīng)用是將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為解決實踐情境中復(fù)雜問題的能力,“遷移”是經(jīng)驗的擴(kuò)展與提升,“應(yīng)用”是內(nèi)化知識外顯化的過程.創(chuàng)設(shè)生活實踐情境,實現(xiàn)深度遷移運(yùn)用,將問題與生活實踐中的真實情境相融合,運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題,培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

(5)創(chuàng)設(shè)模擬實驗情境,解決物理原始問題

從本質(zhì)看,核心素養(yǎng)是一種情境性知識運(yùn)用的能力,創(chuàng)設(shè)模擬實驗情境,引入原始物理情境,解決真實情境中的原始物理問題,形成知識內(nèi)化建構(gòu)與外化建構(gòu)的統(tǒng)一．自制釘板,用裝有水的氣球模擬汽車輪胎,水氣球放在釘有72顆釘子在釘板上,完好無損(圖12),放在釘有4顆釘子的釘板上,水氣球形變程度很大,氣球破裂．學(xué)生感受真實的模擬實驗情境,在感受實驗的過程中,思考實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,將內(nèi)化的知識外顯化,引出增大壓強(qiáng)和減小壓強(qiáng)的方式,完善壓強(qiáng)的概念建構(gòu)．

圖12 氣球釘板實驗

(6)創(chuàng)設(shè)小故事情境,理論聯(lián)系生活

在增大和減小壓強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié),依據(jù)生活編制小故事“小華的一天”．“早晨,小華背著媽媽為她新買的背帶很寬的書包去上學(xué),雖然書很重,但是感覺肩膀輕松了很多．上學(xué)路上,突然,車子出故障了,乘客緊急轉(zhuǎn)移,可是車門怎么也打不開,只能敲碎車門的玻璃,請你選擇破窗的工具(圖13)．

圖13 選擇破窗的工具

生物課上,同學(xué)們發(fā)現(xiàn)啄木鳥的喙又尖又長,駱駝的腳掌又寬又大,這對它們的生存有什么作用?班會課上,同學(xué)們觀看安全教育短片,在短片中,消防員是怎樣開展冰面救援的(圖14)?回家后,小華坐在軟沙發(fā)上,感覺比坐硬板凳要舒服多了．媽媽在準(zhǔn)備晚餐時,發(fā)現(xiàn)切菜很費(fèi)力,這是為什么呢?你能幫小華想想如何讓媽媽切菜輕松嗎?”

圖14 冰面救援

創(chuàng)設(shè)小故事情境,使學(xué)生融入到故事情境中,體驗利用所學(xué)知識解決真實問題,在真實問題的解決過程中,有效地遷移和應(yīng)用知識,掌握增大和減小壓強(qiáng)的方法,逐步形成物理觀念．將情境從課堂延伸到課外,讓學(xué)生走出課堂,聯(lián)系生活中的情境,驅(qū)動學(xué)生在學(xué)中用、在用中學(xué),學(xué)生們之間進(jìn)行交流合作,逐步形成團(tuán)隊意識,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感．

物理與生活聯(lián)系密切,很多內(nèi)容都與安全教育有關(guān),在教學(xué)過程中,結(jié)合教材內(nèi)容,運(yùn)用具體事例,滲透安全教育,使學(xué)生既深刻理解了物理知識,又加強(qiáng)了自我防范教育和具備自救自護(hù)的素養(yǎng),培養(yǎng)了安全意識,有效避免了傷害事故的發(fā)生,把安全教育貫穿于教學(xué)中,使學(xué)生牢固樹立“珍愛生命,安全第一”的意識．

3 結(jié)束語