指向迷思概念轉(zhuǎn)變的高中物理教學(xué)探討
——以“彈力”教學(xué)為例

陳偉明 周 勛

(貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

有些教師在物理教學(xué)中往往忽視學(xué)生的已有認(rèn)知,采用灌輸方式開展教學(xué),學(xué)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(jìn)入了下一章節(jié)的學(xué)習(xí),迷思概念沒有得到轉(zhuǎn)變,造成學(xué)習(xí)困難。專家型教師往往能夠?qū)W(xué)生的迷思概念了然于心,并清楚地知道其產(chǎn)生的原因,通過有效的教學(xué)幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變迷思概念,提高課堂效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。所以診斷與了解學(xué)生可能存在的迷思概念,通過一定的方式幫助學(xué)生轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)( 2017 年版)》指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華。[1]學(xué)生在正式學(xué)習(xí)之前,常常對將要學(xué)習(xí)的知識有一定的認(rèn)識,這部分認(rèn)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(xué)生在構(gòu)建科學(xué)概念的過程中由于自身經(jīng)驗或所處環(huán)境的影響從而產(chǎn)生的模糊、模棱兩可或與科學(xué)認(rèn)識背道而馳的認(rèn)識。迷思概念作為科學(xué)概念形成的原初狀態(tài),既是課堂教學(xué)的“生長點”,也是新舊知識間的橋梁,會妨礙學(xué)生對新知識的理解,或與所學(xué)結(jié)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(fù)性的特點。[3]

2 指向迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)設(shè)計

在教學(xué)中應(yīng)采用合適的方式診斷學(xué)生的迷思概念,并通過有效的教學(xué)幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變迷思概念,從而建構(gòu)科學(xué)概念。在學(xué)習(xí)“彈力”一節(jié)時,學(xué)生往往對于彈力產(chǎn)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(rèn)知,應(yīng)針對學(xué)生存在的問題并結(jié)合教學(xué)內(nèi)容開展相應(yīng)的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)。

2.1 內(nèi)容分析

2.1.1 高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求

認(rèn)識彈力,通過實驗,了解胡克定律。

2.1.2 本節(jié)內(nèi)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(jié)內(nèi)容,[4]“彈力”是學(xué)生在重力之后學(xué)習(xí)的第一個接觸力,為后續(xù)摩擦力的學(xué)習(xí)及受力分析打下基礎(chǔ)。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生在生活中能夠觀察到許多關(guān)于彈力的現(xiàn)象,但是對于形變與彈力的關(guān)系把握不準(zhǔn),雖然能根據(jù)現(xiàn)象定性地看出形變與彈力存在一定聯(lián)系,但是不能指出具體的定量關(guān)系,通過實驗探究幫助學(xué)生找出規(guī)律是關(guān)鍵。學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過彈力的相關(guān)知識,但并未深刻理解彈力的本質(zhì),在判斷是否產(chǎn)生彈力方面存在一定的困難,對于彈力的方向把握不準(zhǔn)。他們在學(xué)習(xí)彈力之前學(xué)習(xí)了重力,對于力的三要素有了一定的了解,已經(jīng)接觸過控制變量法,能夠通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)繪制圖像,能夠在教師引導(dǎo)下運用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

(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(fā)生形變,知道形變與彈力的關(guān)系。

③ 知道彈力的定義,能夠根據(jù)實際情況判斷是否產(chǎn)生了彈力以及彈力的方向。

(2) 科學(xué)思維

① 通過是否產(chǎn)生形變的討論以及實驗方案的設(shè)計與論證,提高科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

② 通過探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系實驗,提高科學(xué)論證能力。

(3) 科學(xué)探究

① 通過對身邊物體施加力的作用,探究力與形變的關(guān)系,提高發(fā)現(xiàn)問題、提出科學(xué)猜想的能力。

② 通過微小形變證明方案的討論與設(shè)計,體會科學(xué)探究過程。

③ 通過彈簧與橡皮泥對小車產(chǎn)生的不同作用效果的實驗,學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象,能夠基于證據(jù)對實驗結(jié)果進(jìn)行合理解釋,得出科學(xué)結(jié)論。

④ 通過探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系,提高分析與處理數(shù)據(jù)從而得出規(guī)律的能力。

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

① 通過力能使物體發(fā)生形變的實驗,發(fā)展基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己觀點的意識以及嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)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(tuán)隊意識。

③ 利用所學(xué)的彈力知識,討論如何更好地利用彈力,領(lǐng)會物理知識對生活的指導(dǎo)作用,提高社會責(zé)任感。

2.4 教學(xué)流程設(shè)計

指向迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)流程如圖1所示。

圖1

3 指向迷思概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境,導(dǎo)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(xué)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(fā)生了接觸,并且被接觸的物體(如跳板、弓箭的弦和撐竿)都發(fā)生了形狀上的變化。

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

設(shè)計意圖：以學(xué)生感興趣的奧運項目入手,激發(fā)學(xué)生的興趣,培養(yǎng)學(xué)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(xù)學(xué)習(xí)彈力的定義打下基礎(chǔ)。

3.2 診斷、轉(zhuǎn)變迷思概念

師：既然形變需要在力的作用下才能發(fā)生,請同學(xué)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(tài),也可以使物體發(fā)生形變。

師：那么請各位同學(xué)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(xué)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(dǎo)學(xué)生回憶初中所學(xué)知識,根據(jù)形變的物體在撤去作用力后能否恢復(fù)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(fā)生了明顯的形變,撤去作用力后恢復(fù)原來的形狀,而黏土撤去作用力后沒有恢復(fù)原狀。

學(xué)生對于桌子是否發(fā)生形變產(chǎn)生了分歧。

迷思概念1：因看不到明顯的形變,故物體沒有發(fā)生形變。

(1) 教師診斷

對于桌子是否發(fā)生形變,引導(dǎo)學(xué)生暢所欲言,讓持不同觀點的學(xué)生分別說明理由。

生1：我認(rèn)為桌子沒有發(fā)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(fā)生了形變,我認(rèn)為桌子也有形變,但是用肉眼無法直接辨別。

設(shè)計意圖：學(xué)生對于新知識并不是一無所知的,需要在其已有認(rèn)知基礎(chǔ)上展開教學(xué)。通過回憶力的定義,結(jié)合形變的概念引導(dǎo)學(xué)生自主探索,并引發(fā)學(xué)生對于對桌子受力后是否發(fā)生形變進(jìn)行討論,引發(fā)一部分學(xué)生的認(rèn)知沖突。通過討論,教師從中了解學(xué)生的迷思概念,對癥下藥。在這樣的情境下學(xué)生更容易投入學(xué)習(xí),更愿意將自己的發(fā)現(xiàn)與其他同學(xué)分享。

(2) 引發(fā)認(rèn)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(xué)生分小組進(jìn)行探究,并將所得結(jié)果進(jìn)行分析、解釋與討論(圖2)。

圖2

師：你們看到了什么現(xiàn)象?

生：當(dāng)向下壓桌面時,光點向下移動。放手之后,光點向上移動,恢復(fù)到原來的位置。說明用力壓桌面時,桌面確實發(fā)生了形變。

設(shè)計意圖：學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行實驗,并自主歸納、交流,形成結(jié)論。通過將微小形變放大,轉(zhuǎn)變學(xué)生的迷思概念,加深學(xué)生對于形變的理解。

(3) 轉(zhuǎn)變迷思概念

師：通過以上實驗的啟發(fā),我們再一起來探究擠壓玻璃瓶時的形變。

學(xué)生擠壓玻璃瓶,發(fā)現(xiàn)它并沒有產(chǎn)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(fā)生形變。

學(xué)生動手實驗(圖3),發(fā)現(xiàn)擠壓玻璃瓶時玻璃管內(nèi)的液柱上升。

圖3

師：通過實驗我們能夠得出什么結(jié)論呢?

生：用力擠壓玻璃瓶,玻璃瓶也發(fā)生了形變。

師生通過分析、歸納,得出結(jié)論：一切物體在外力的作用下都會發(fā)生形變。

設(shè)計意圖：通過擠壓玻璃瓶的實驗,運用放大法,加深學(xué)生對力與形變之間的關(guān)聯(lián),得出結(jié)論。

教師演示發(fā)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(tài)為什么會發(fā)生變化?為什么運動方向不一樣?

生：彈簧發(fā)生了形變,小車受到了彈簧的作用力,從而改變了運動狀態(tài)。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(shè)計意圖：有了前面對于形變的分析與講解,引入教學(xué)主題——彈力,以演示實驗的方式將彈力展示在學(xué)生面前,讓學(xué)生分析彈力產(chǎn)生的原因,并通過分析小車運動方向的不同,結(jié)合形變指出彈力的方向與形變之間的關(guān)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(fā)生形變就一定會有彈力的作用。

生2：發(fā)生形變不一定會有彈力的作用。

(2) 引發(fā)認(rèn)知沖突

通過實驗說明形變不一定會產(chǎn)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(fù)到原來的狀態(tài),小車也沒有運動起來。

生：這一次橡皮泥沒有恢復(fù)原狀,沒有給小車產(chǎn)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(chǎn)生彈力。

(3) 轉(zhuǎn)變迷思概念

根據(jù)形變的類型分析彈力產(chǎn)生的條件。

師：兩次實驗所發(fā)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(xué)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(chǎn)生了彈性形變,鐵絲產(chǎn)生了塑性形變。

師：發(fā)生形變的物體要恢復(fù)原狀,對與它接觸的物體會產(chǎn)生力的作用,這種力叫作彈力。

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

師：既然恢復(fù)形變的過程中會產(chǎn)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(chǎn)生是因為形變的物體在恢復(fù)原狀的過程中產(chǎn)生的作用,被跳水運動員壓彎的跳板,要恢復(fù)原狀而對人產(chǎn)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(fā)生形變的物體在恢復(fù)原狀的過程中產(chǎn)生了彈力,那么是否說明形變越大,產(chǎn)生的彈力也就越大呢?是否存在正比關(guān)系呢?

生：根據(jù)生活經(jīng)驗,如果彈簧被壓縮或者拉伸得越厲害,產(chǎn)生的力也就越大,兩者應(yīng)該是成正比。

(2) 引發(fā)認(rèn)知沖突

學(xué)生分組進(jìn)行實驗,探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系,學(xué)生根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制成F-x圖像,通過F-x圖像發(fā)現(xiàn)：只有在一定范圍內(nèi)彈簧伸長量與所掛鉤碼的數(shù)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(nèi),彈力的大小才跟彈簧伸長(或縮短)的長度成正比。

(3) 轉(zhuǎn)變迷思概念

學(xué)生總結(jié)：彈簧發(fā)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(chǎn)生的彈力會相等嗎?

生1：我認(rèn)為彈力相等。

生2：我認(rèn)為彈力不相等,因為彈簧不同,其勁度系數(shù)也不同。

(2) 引發(fā)認(rèn)知沖突

學(xué)生動手探究不同的彈簧在發(fā)生相同形變時彈力的大小。分析實驗數(shù)據(jù),可發(fā)現(xiàn)：不同的彈簧在發(fā)生相同形變時,產(chǎn)生的彈力可能相同,也可能不同。

(3) 轉(zhuǎn)變迷思概念

師：彈簧發(fā)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(shù)與形變量兩個方面入手。

設(shè)計意圖：教師先診斷出學(xué)生存在的迷思概念,然后通過實驗現(xiàn)象與實驗數(shù)據(jù)分析,使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,從而轉(zhuǎn)變迷思概念,建構(gòu)科學(xué)概念。在實驗探究的過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與合作能力,同時通過數(shù)據(jù)分析以及繪制圖像,提升學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力。

4 結(jié)語

學(xué)生頭腦中存在的迷思概念會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生障礙,如果不能進(jìn)行有效轉(zhuǎn)變,就難以建構(gòu)科學(xué)概念。因此采取合適的方式診斷學(xué)生的迷思概念,并采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,從而發(fā)生概念轉(zhuǎn)變,建構(gòu)科學(xué)概念,這是教學(xué)的重點。物理教師應(yīng)通過自己的教學(xué)實踐,有意識地發(fā)現(xiàn)并記錄學(xué)生可能存在的迷思概念,從而開展有針對性的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)。