指向迷思概念轉變的高中物理教學探討
——以“彈力”教學為例

陳偉明 周 勛

(貴州師范大學物理與電子科學學院,貴州 貴陽 550025)

有些教師在物理教學中往往忽視學生的已有認知,采用灌輸方式開展教學,學生雖說接受了大量的知識,但缺少對知識的充分思考,在對一些基本概念尚未完全理解的情況下就進入了下一章節的學習,迷思概念沒有得到轉變,造成學習困難。專家型教師往往能夠對學生的迷思概念了然于心,并清楚地知道其產生的原因,通過有效的教學幫助學生轉變迷思概念,提高課堂效率和學生的學習效果。所以診斷與了解學生可能存在的迷思概念,通過一定的方式幫助學生轉變迷思概念很有必要。

1 迷思概念與前概念

《普通高中物理課程標準( 2017 年版)》指出：物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。物理觀念是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華。[1]學生在正式學習之前,常常對將要學習的知識有一定的認識,這部分認知中有的是正確的,有的則存在錯誤,我們將其稱為前概念。迷思概念則指學生在構建科學概念的過程中由于自身經驗或所處環境的影響從而產生的模糊、模棱兩可或與科學認識背道而馳的認識。迷思概念作為科學概念形成的原初狀態,既是課堂教學的“生長點”,也是新舊知識間的橋梁,會妨礙學生對新知識的理解,或與所學結合生成新的迷思概念。[2]迷思概念具有普遍性、隱蔽性、頑固性和反復性的特點。[3]

2 指向迷思概念轉變的教學設計

在教學中應采用合適的方式診斷學生的迷思概念,并通過有效的教學幫助學生轉變迷思概念,從而建構科學概念。在學習“彈力”一節時,學生往往對于彈力產生的條件、彈力的方向以及哪些常見的力屬于彈力等存在錯誤認知,應針對學生存在的問題并結合教學內容開展相應的概念轉變教學。

2.1 內容分析

2.1.1 高中物理課程標準的內容要求

認識彈力,通過實驗,了解胡克定律。

2.1.2 本節內容在高中物理中的地位

“重力與彈力”是高中物理必修第一冊第三章《相互作用——力》的第一節內容,[4]“彈力”是學生在重力之后學習的第一個接觸力,為后續摩擦力的學習及受力分析打下基礎。

2.2 學情分析

學生在生活中能夠觀察到許多關于彈力的現象,但是對于形變與彈力的關系把握不準,雖然能根據現象定性地看出形變與彈力存在一定聯系,但是不能指出具體的定量關系,通過實驗探究幫助學生找出規律是關鍵。學生在初中已經學過彈力的相關知識,但并未深刻理解彈力的本質,在判斷是否產生彈力方面存在一定的困難,對于彈力的方向把握不準。他們在學習彈力之前學習了重力,對于力的三要素有了一定的了解,已經接觸過控制變量法,能夠通過相關實驗數據繪制圖像,能夠在教師引導下運用控制變量法進行科學探究。

2.3 教學目標

(1) 物理觀念

① 通過生活實例感知形變,通過小車實驗了解形變的類型并且能夠識別生活中的形變。

② 通過動手實驗,知道任何物體在力的作用下都能夠發生形變,知道形變與彈力的關系。

③ 知道彈力的定義,能夠根據實際情況判斷是否產生了彈力以及彈力的方向。

(2) 科學思維

① 通過是否產生形變的討論以及實驗方案的設計與論證,提高科學論證和質疑創新能力。

② 通過探究彈簧彈力與形變量的關系實驗,提高科學論證能力。

(3) 科學探究

① 通過對身邊物體施加力的作用,探究力與形變的關系,提高發現問題、提出科學猜想的能力。

② 通過微小形變證明方案的討論與設計,體會科學探究過程。

③ 通過彈簧與橡皮泥對小車產生的不同作用效果的實驗,學會觀察實驗現象,能夠基于證據對實驗結果進行合理解釋,得出科學結論。

④ 通過探究彈簧彈力與形變量的關系,提高分析與處理數據從而得出規律的能力。

(4) 科學態度與責任

① 通過力能使物體發生形變的實驗,發展基于證據和邏輯發表自己觀點的意識以及嚴謹認真的科學態度。

② 通過小組合作探究微小形變,增強樂于合作和分享的團隊意識。

③ 利用所學的彈力知識,討論如何更好地利用彈力,領會物理知識對生活的指導作用,提高社會責任感。

2.4 教學流程設計

指向迷思概念轉變的教學流程如圖1所示。

圖1

3 指向迷思概念轉變的教學過程

3.1 創設情境,導入新課

教師借助多媒體展示奧運會上跳水、撐竿跳與射箭的視頻。

師：請同學們思考以上運動項目的完成有什么共同特點?

生：運動員都與物體發生了接觸,并且被接觸的物體(如跳板、弓箭的弦和撐竿)都發生了形狀上的變化。

師生總結形變的定義：物體在力的作用下形狀或體積會發生變化,這種變化叫作形變。

設計意圖：以學生感興趣的奧運項目入手,激發學生的興趣,培養學生觀察、處理信息以及討論交流的能力。引出形變的概念,為后續學習彈力的定義打下基礎。

3.2 診斷、轉變迷思概念

師：既然形變需要在力的作用下才能發生,請同學們回憶一下初中時力的定義。

生：力是物體與物體之間的相互作用,可以改變物體運動狀態,也可以使物體發生形變。

師：那么請各位同學對身邊的物體用力,觀察并交流它們的形變情況是否相同?

學生擠壓桌子、彎曲尺子、捏壓橡皮、擠壓海綿和黏土等。

教師引導學生回憶初中所學知識,根據形變的物體在撤去作用力后能否恢復原狀,將形變分為彈性形變和塑性形變。

生：尺子、橡皮、海綿都發生了明顯的形變,撤去作用力后恢復原來的形狀,而黏土撤去作用力后沒有恢復原狀。

學生對于桌子是否發生形變產生了分歧。

迷思概念1：因看不到明顯的形變,故物體沒有發生形變。

(1) 教師診斷

對于桌子是否發生形變,引導學生暢所欲言,讓持不同觀點的學生分別說明理由。

生1：我認為桌子沒有發生形變。眼見為實,我看不到桌子的形變。

生2：我對桌子用力的時我的手掌發生了形變,我認為桌子也有形變,但是用肉眼無法直接辨別。

設計意圖：學生對于新知識并不是一無所知的,需要在其已有認知基礎上展開教學。通過回憶力的定義,結合形變的概念引導學生自主探索,并引發學生對于對桌子受力后是否發生形變進行討論,引發一部分學生的認知沖突。通過討論,教師從中了解學生的迷思概念,對癥下藥。在這樣的情境下學生更容易投入學習,更愿意將自己的發現與其他同學分享。

(2) 引發認知沖突

通過實驗將微小形變放大。

師：如果將這種微小的形變放大,是不是就可以檢驗我們的想法?

學生分小組進行探究,并將所得結果進行分析、解釋與討論(圖2)。

圖2

師：你們看到了什么現象?

生：當向下壓桌面時,光點向下移動。放手之后,光點向上移動,恢復到原來的位置。說明用力壓桌面時,桌面確實發生了形變。

設計意圖：學生在教師的引導下進行實驗,并自主歸納、交流,形成結論。通過將微小形變放大,轉變學生的迷思概念,加深學生對于形變的理解。

(3) 轉變迷思概念

師：通過以上實驗的啟發,我們再一起來探究擠壓玻璃瓶時的形變。

學生擠壓玻璃瓶,發現它并沒有產生明顯的形變,思考將微小形變放大的方法。

師：可以在玻璃瓶中注滿有色液體,在瓶塞上加一根玻璃管并密封好,可以擠壓瓶的中部來觀察玻璃管中液面的上升高度,判斷是否發生形變。

學生動手實驗(圖3),發現擠壓玻璃瓶時玻璃管內的液柱上升。

圖3

師：通過實驗我們能夠得出什么結論呢?

生：用力擠壓玻璃瓶,玻璃瓶也發生了形變。

師生通過分析、歸納,得出結論：一切物體在外力的作用下都會發生形變。

設計意圖：通過擠壓玻璃瓶的實驗,運用放大法,加深學生對力與形變之間的關聯,得出結論。

教師演示發生形變的彈簧使小車由靜止開始運動的實驗(圖4)。

圖4

師：小車的運動狀態為什么會發生變化?為什么運動方向不一樣?

生：彈簧發生了形變,小車受到了彈簧的作用力,從而改變了運動狀態。小車運動方向不一樣是因為彈簧的形變存在差異,一根彈簧是被拉伸,另一根彈簧是被壓縮。

設計意圖：有了前面對于形變的分析與講解,引入教學主題——彈力,以演示實驗的方式將彈力展示在學生面前,讓學生分析彈力產生的原因,并通過分析小車運動方向的不同,結合形變指出彈力的方向與形變之間的關系。

迷思概念2：有形變就會有彈力。

(1) 教師診斷

是不是只要有形變就一定有彈力的作用呢?

生1：只要發生形變就一定會有彈力的作用。

生2：發生形變不一定會有彈力的作用。

(2) 引發認知沖突

通過實驗說明形變不一定會產生彈力。

教師：演示橡皮泥與小車運動的實驗。橡皮泥沒有恢復到原來的狀態,小車也沒有運動起來。

生：這一次橡皮泥沒有恢復原狀,沒有給小車產生彈力的作用,所以小車沒有運動起來。因此并不是只要有形變就一定會產生彈力。

(3) 轉變迷思概念

根據形變的類型分析彈力產生的條件。

師：兩次實驗所發生的形變并不相同,前者是彈性形變,后者是塑性形變。請同學們說一說：剛剛自己動手的過程中哪些形變是彈性形變?哪些是塑性形變?

生：尺子產生了彈性形變,鐵絲產生了塑性形變。

師：發生形變的物體要恢復原狀,對與它接觸的物體會產生力的作用,這種力叫作彈力。

設計意圖：再以橡皮泥與小車運動的實驗說明并不是只要發生形變就能夠產生彈力,從而回顧初中所學的彈性形變與塑性形變。明確橡皮泥發生塑性形變、彈簧發生彈性形變。學生通過對兩個實驗結果的討論,在教師引導下總結出彈力的定義。

師：既然恢復形變的過程中會產生彈力,那這個彈力的方向又是怎樣的?請分析跳水運動員、跳高運動員、箭受到的彈力方向。

生：彈力的產生是因為形變的物體在恢復原狀的過程中產生的作用,被跳水運動員壓彎的跳板,要恢復原狀而對人產生了向上的彈力……

師：既然我們能夠判斷彈力的方向了,那我們再一起來探究彈力的大小。

迷思概念3：彈力一定與形變量成正比。

(1) 教師診斷

師：既然說到發生形變的物體在恢復原狀的過程中產生了彈力,那么是否說明形變越大,產生的彈力也就越大呢?是否存在正比關系呢?

生：根據生活經驗,如果彈簧被壓縮或者拉伸得越厲害,產生的力也就越大,兩者應該是成正比。

(2) 引發認知沖突

學生分組進行實驗,探究彈簧彈力與形變量的關系,學生根據得到的數據繪制成F-x圖像,通過F-x圖像發現：只有在一定范圍內彈簧伸長量與所掛鉤碼的數量成正比,超過這個范圍時彈力與彈簧形變量不成正比。只有在彈性限度內,彈力的大小才跟彈簧伸長(或縮短)的長度成正比。

(3) 轉變迷思概念

學生總結：彈簧發生彈性形變時,彈力的大小跟彈簧伸長(或縮短)的長度成正比。

迷思概念4：在相同形變的情況下,彈簧彈力的大小相等。

(1) 教師診斷

師：如果換成其他彈簧,在相同形變的情況下產生的彈力會相等嗎?

生1：我認為彈力相等。

生2：我認為彈力不相等,因為彈簧不同,其勁度系數也不同。

(2) 引發認知沖突

學生動手探究不同的彈簧在發生相同形變時彈力的大小。分析實驗數據,可發現：不同的彈簧在發生相同形變時,產生的彈力可能相同,也可能不同。

(3) 轉變迷思概念

師：彈簧發生彈性形變時,彈簧的彈力大小與彈簧伸長量成正比,即F=kx。要判斷彈簧彈力的大小,需要從彈簧的勁度系數與形變量兩個方面入手。

設計意圖：教師先診斷出學生存在的迷思概念,然后通過實驗現象與實驗數據分析,使學生產生認知沖突,從而轉變迷思概念,建構科學概念。在實驗探究的過程中培養學生的科學探究能力與合作能力,同時通過數據分析以及繪制圖像,提升學生處理數據的能力。

4 結語

學生頭腦中存在的迷思概念會對學習產生障礙,如果不能進行有效轉變,就難以建構科學概念。因此采取合適的方式診斷學生的迷思概念,并采用適當的教學手段使學生產生認知沖突,從而發生概念轉變,建構科學概念,這是教學的重點。物理教師應通過自己的教學實踐,有意識地發現并記錄學生可能存在的迷思概念,從而開展有針對性的概念轉變教學。