巧用活動設計,突破思維障礙提升科學思維

趙 丹

《普通高中物理課程標準》指出物理教學應以培養(yǎng)學生適應終身發(fā)展的能力為教學目標。教學活動中應以此目標為指引,注重學生的經(jīng)歷體驗,重視發(fā)展學生的科學思維能力,提升學生的科學素養(yǎng)。而在以往的教學中,教師關注的重點是學生知識的掌握情況,為了達到此目的,會進行大量的習題訓練。長此以往學生學到的通常是解題的技巧,失去了對物理問題探索的欲望,形成專注解題的思維模式。當遇到具體情景的物理問題時,由于思維的干擾性和片面性,學生會遇到一定的思維障礙。與習題訓練相比教學活動更應該關注的是如何突破學生的思維障礙,提升學生的科學思維能力。本文中通過目標明確的活動設計,創(chuàng)設一定的問題情景,引領學生經(jīng)歷知識觀念的建立過程,在探究體驗中思維碰撞,突破思維障礙,解決實際問題,提升科學思維品質(zhì)。

一、由宏觀到微觀,類比問題情景

由于缺乏微觀世界的了解和認識,對于微觀世界抽象的概念和規(guī)律,學生很難建立起正確的觀念。如何突破由宏觀到微觀的思維障礙? 這里可以采用類比的方法,創(chuàng)計一個類似的宏觀情景,并與微觀問題進行對比來實現(xiàn)。學生通過活動的討論與探究,逐步的學會從復雜的情境中把所研究的問題剝離出來,建立正確的物理模型,實現(xiàn)由宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變。

案例1:《單分子油膜法估測分子的大小》是學生走進微觀世界的大門,是學生了解微觀世界物理規(guī)律的伊始。該實驗中,學生需完成利用宏觀物理量的測量來完成微觀量的估測。在實驗原理的討論環(huán)節(jié)中有一個難點內(nèi)容:如何建立單分子油膜的物理模型。對于完全陌生的微觀世界,學生很難正確的建立物理模型。這里可以設計以下類比討論活動,來實現(xiàn)由宏觀到微觀世界的轉(zhuǎn)變。

【學生活動】:小組討論如何測量一顆綠豆直徑的大小

【實驗器材】:刻度尺、直角三角尺(兩個)、量筒、畫有方格的白紙

【方案1】:將N個綠豆排成一列,測量這一列綠豆的總長度L,通過計算得到一顆綠豆的直徑D=L/N。

【方案2】:利用“排水法”測量出綠豆的體積V0,然后通過V0=公式計算出綠豆的直徑D。

【方案3】:利用“排水法”測量出N 顆綠豆的總體積V,計算出一顆綠豆的體積V0=V/N,然后通過公式計算出綠豆的直徑。

【方案4】:利用“排水法”測量若干綠豆的體積V,然后把綠豆平鋪成緊密排列的圖形,測出其面積S,根據(jù)D=V/S計算得到綠豆的厚度(綠豆的直徑)。

經(jīng)過小組討論,學生比較容易得到方案1、2、3。教師可以利用實物模型引導學生得到實驗方案4,通過尋找測量微小尺度的方法,滲透累計放大的物理思想。并類比測量一顆綠豆直徑大小的方法,引導學生分析如何實現(xiàn)油酸分子直徑的測量,正確地建立單分子油膜模型。通過宏觀實驗與微觀相關問題的類比,學生經(jīng)歷了實驗方案的形成過程,加強了對實驗原理的理解,逐步形成正確的物理觀念。

二、由現(xiàn)象到本質(zhì),再現(xiàn)物理過程

習題教學中存在著重計算結(jié)果,輕思維過程的現(xiàn)狀。而習題教學的有效性,不僅影響著學生知識的掌握水平而且也影響著思維能力、探究能力的提升。在以往的反饋中,常常會發(fā)現(xiàn)由于學生思維存在著片面性,憑借對問題的粗淺了解和草率分析就得出結(jié)論,對于物理過程的本質(zhì)不能深入理解,以至于不能正確的解決問題。因此習題課教學中,突破學生思維障礙的關鍵在于讓學生深入地了解物理現(xiàn)象,理清物理過程,以此達到從簡單的低階思維上升到高階思維的目的。本案例,創(chuàng)設實驗探究活動,引導學生從理論分析和實驗探究兩個角度對物理問題進行分析。

案例2:如圖所示,一根長L的細繩,固定在O點,繩另一端系一條質(zhì)量為m的小球。使細繩與水平方向成θ=30°角。求小球從A點由靜止釋放后到達最低點C的速度。(L=36.5cm,g=9.8m/s2)

分析過程:大部分學生在分析時,認為小球從A點運動到C點的過程中小球的機械能守恒。

【理論運算】:根據(jù)機械能守恒定律,求解過程如下:

解得:vC=2gL(1+sinθ) ≈3.28m/s

【實驗探究】利用光電門傳感器,在實驗中測量相同情景中小球在最低點的速度VC,測得實驗數(shù)據(jù)為VC=1.946m/s。(實驗所需器材:光電門傳感器,數(shù)據(jù)采集器,計算機,固定輕繩的小球)

【發(fā)現(xiàn)與討論】小球在最低點C點的速度實驗測量值1.946m/s2明顯小于理論運算值3.28m/s。請學生結(jié)合小球的運動過程思考,實驗測量值小于理論運算值的原因。大部分學生會猜想是由于空氣阻力做功,導致了機械能的損失ΔE機1。同學們的猜想是否正確,用實驗來檢驗。將小球拉至水平位置的D點,輕繩處于拉直狀態(tài),靜止釋放小球,測量其運動到C點的速度,計算出小球從點D到點C的過程中的機械能損失ΔE機2。比較兩個過程中機械能損失ΔE機1和ΔE機2的大小,學生很容易判斷之前的猜想是錯誤的。針對案例2 中物理過程的問題情境作細節(jié)性分析,可分為自由落體運動、繩子繃直、圓周運動三個階段。引導學生進一步討論,前后兩個過程由于只有重力做功,機械能守恒。機械能損失一定發(fā)生在繩子繃直這一階段。進而從理論上分析,繩子繃直時在沿繩收縮的方向上產(chǎn)生彈力,產(chǎn)生加速度,使該方向上的分速度減小為零。從能量轉(zhuǎn)化的角度來分析,由于繩的拉力對小球做負功,小球的部分機械能轉(zhuǎn)化為繩子內(nèi)能,因此繩子繃直這一階段小球的機械能并不守恒。

教學過程中利用實驗活動把輕繩做功這個抽象的物理問題直觀化,讓學生從數(shù)據(jù)上感受輕繩做功的存在,激發(fā)學生探究的強烈欲望和深入思考。在理論運算、實驗探究、啟發(fā)討論的基礎上,以學生為中心開展問題求解的學習活動,發(fā)展學生的思維深度,提升學生對物理過程本質(zhì)的深度認識。學習過程中,學生面對真實的物理情境,利用理論分析和實驗探究雙重角度,發(fā)現(xiàn)問題并作出科學分析,促進高階思維的形成。通過物理過程的再現(xiàn),激發(fā)學生的深入思考,在矛盾結(jié)果的討論中,促進科學思維和科學探究能力的提升。

三、由生活概念到物理觀念,創(chuàng)設課外探究活動

憑借生活中的經(jīng)歷,學生頭腦中會建立一些與物理學習有關的前置概念。其中有些正確的前置概念對物理學習有正面作用,但也有些生活概念由于本身存在錯誤,或由于生活概念與物理觀念之間存在區(qū)別,對物理的學習造成一定的阻礙?？茖W思維培養(yǎng)存在一定的干擾性,因此部分學生在由生活概念遷移到物理觀念時,會存在一定的思維障礙。而正確觀念的形成應該在具體的問題情境中,通過活動參與,在探究討論中逐步建構(gòu)來實現(xiàn)。因此在將生活概念轉(zhuǎn)變到物理觀念這個問題上,創(chuàng)設情景提供平臺讓學生參與探究是一條有效途徑。

案例3:《超重與失重》這節(jié)課是牛頓第二定律的一節(jié)理論應用課。在學習這節(jié)課之前,部分學生在生活中會建立起超重就是重力增加,失重就是減小的生活概念。如何厘清這個錯誤的概念? 本案例中,學生通過課外探究活動發(fā)現(xiàn)生活概念的錯誤所在,并在教師的引導下逐步建立正確的物理觀念。

【學生活動】:請學生按照小組,利用業(yè)余時間參與探究活動。在觀光電梯內(nèi)錄制視頻:體重計示數(shù)的變化,并完成數(shù)據(jù)記錄。

電梯狀態(tài):靜止 加速上升 勻速上升 減速上升

體重計示數(shù):__________________________________________

電梯狀態(tài):靜止 加速下降 勻速下降 減速下降

體重計示數(shù):__________________________________________

通過確鑿的實驗數(shù)據(jù)的分析,學生會意識到生活概念的不準確性,并通過討論得到視重(體重計上的示數(shù))、實重(物體實際受到的重力)的含義,最終通過視重和實重的對比,結(jié)合物體的運動情況分析,建立起超重和失重的物理觀念?；顒拥膮⑴c過程中,學生錄制實驗視頻和觀察實驗數(shù)據(jù),并實事求是地對數(shù)據(jù)進行分析研討,更新了原有頭腦中錯誤的生活概念的同時,也實現(xiàn)了將學習興趣轉(zhuǎn)化為合作探究的能力。

本文中的三個教學案例,巧妙地利用活動設計,有目的有計劃地開展教學活動,促進學生物理知識的建構(gòu),加強學生在探究經(jīng)歷中的體驗,激發(fā)學生在體驗中的深度思考。學生在活動中,通過合作交流和實踐探究,提升了實驗觀察的能力和勇于提出質(zhì)疑的勇氣,突破原有的思維障礙。通過知識方法的類比遷移、理論實驗的對比探究、感性思維理性思維的碰撞,促進物理觀念的形成和科學思維能力的提升。