基于学生学习路径的高中物理教学模式

2017-06-27蔡千斌

物理教师 2017年6期

关键词：油酸酒精规律

蔡千斌

(浙江省温岭市新河中学，浙江温岭 317502)

基于学生学习路径的高中物理教学模式

蔡千斌

(浙江省温岭市新河中学，浙江温岭 317502)

本文提出了基于概念学习路径、基于规律学习路径、基于实验学习路径的高中物理教学模式,丰富了基于学生学习路径的高中物理教学方式．

高中物理；教学模式；学习路径

1 基于学生学习路径高中物理教学的提出

近来,笔者观摩了多节高级别的省级公开课,发现高中物理教学中存在着一些不良的现象．一种是执教者为创新而创新,课堂表演味道太浓,花样玩得太多,到要揭示物理本质的时候,下课铃却响了．这是教师从表演途径出发来组织教学,没有从学生学习路径出发来组织教学所造成的．结果学生的概念学习不够清晰,规律学习比较模糊．另一种是课堂教学缺乏规范的操作路径,某些教学环节明显缺失,导致学生的物理学习体验不足．例如,在概念、规律的应用后,缺乏题后的反思总结,教师与学生都没有用一种非常肯定的、到位的语言来概括,造成学生的学习不够深刻．另外,实验学习中还是告知的较多,缺乏真正的探究体验．基于上述问题,笔者提出了基于学生学习路径的高中物理教学方式．基于学生学习路径的高中物理教学是从学生的学习需求和学习体验出发,根据物理概念、物理规律、实验探究等内在的逻辑规律来组织教学的过程．

2 基于学生学习路径的高中物理教学模式

2.1 基于概念学习路径的高中物理教学模式

基于概念学习路径的高中物理教学模式是沿着“设置情境——引出概念——阐释内涵——应用概念——拓展概念”进行的．首先设置一个情境,提出一个问题．然后通过逻辑推理,得出物理结论．再引导学生从情境中发现问题．要顺利地解决某个问题,必须引出一个物理概念才能讲清楚．接着阐明概念的内涵,进行概念的初步应用．最后还要进一步拓展概念的外延．

这种教学模式的特点是概念学习的路径比较简洁,能抓住概念的本质和概念理解的突破点．例如,在熵的教学中,有教师列举了大量的生活事例,像“学生做操后解散,队伍变乱”、“图书掉地、花瓶落地、木头腐烂、金属生锈”等．这些生活中的事件讲得太多,反而不能引起学生对物理本质的思考,不如大胆删去．抓住概念理解的突破点,让学生“从统计概率的角度来理解熵”．从这个角度来设置情境,符合学生的认知特点,学生能正确理解熵的基本特点．

案例:熵概念的教学．

(1) 设置情境.

一个容器被隔板分成左右相等的两个部分,左边有气体,右边为真空．抽掉隔板后,气体均匀地充满整个容器,但是不会出现充满整个容器的气体自动地收缩回左边,使右边成为真空的现象．如何从微观的角度来解释这个现象?

得出结论:对于单个分子或少量分子来说,它们扩散到容器右边的过程原则上是可逆的．

对于大量分子组成的宏观系统来说,它们向容器右边自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的．这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释．

(2) 引出概念.

(3) 阐释内涵.

熵大,出现的概率大,意味着无序、混乱、分散．熵小,出现的概率小,意味着有序、整齐、集中．

(4) 应用概念.

将一滴红墨水滴入一杯清水中,会均匀分布在整杯水中,在这个过程中,熵增大还是减少?(答案为:熵增大．)

(5) 拓展概念.

拓展1:在热传递现象中,系统自发地从温度不均匀趋向均匀;在功热转化过程中,系统自发地从宏观有规则的机械运动趋向微观分子的无规则运动;在扩散现象中,系统自发地从物质集中趋向分散．热过程的方向性可以表述为一条原理:孤立系统的熵总是增加的,或者孤立系统的熵总不减少,这就是熵增加原理．

拓展2:现在,熵的概念已经拓展到了各个领域．在经济学领域,生产是以形成高熵“废物”为代价而产生出高度有序低熵产品的过程;消费是向无序发展,是熵增加的过程．在工业领域,矿石成为钢铁,是向有序的过程;机器成为废铁,是熵增加的过程．炼铁的生产过程,从熵的观点来看,炼成的是低熵状态的铁,同时产生了高熵的废渣、废气,整体的熵依然增加．目前,熵已被人们视为是一种世界观．

2.2 基于规律学习路径的高中物理教学模式

(1) 从定性到定量的规律学习路径模式.

从定性到定量的规律学习路径模式是沿着“定性讨论——定量实验(或理论推导)——得出规律——适用条件(或各量意义)——直接应用——题后反思——拓展应用”进行的．先是通过一个实验(或问题)做定性的探讨,然后通过一个定量的实验来总结规律(或通过逻辑推理推导出某个规律),接着阐述规律的适用条件、规律中各量取正负值的物理意义,再是进行规律的简单应用,通过题后的反思,总结规律应用的解题方法等,最后做进一步的拓展应用．

这种模式是按“定性——定量——结论”的思路来展开教学的,符合学生的认知路径．比如,在热力学第一定律的教学中,教师从压缩气体做功的定性小实验→焦耳桨叶搅拌的定量实验→结论:ΔU=W．这样的教学,学生学起来就比较轻松．因为有了定性实验,能起到激发学习的兴趣．再介绍焦耳的定量实验,能让学生感到物理学科是严谨的,是容不得半点差错的．最后,以数学结论进行概括,既让学生感到自然界的规律是简洁的、优美的,又让学生体会到“理论只有用数学语言来表达时,才上升为科学”．

案例:热力学第一定律的教学．

定性讨论1:在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放入一小团蘸了乙醚的硝化棉,用力迅速压下活塞,观察筒底硝化棉的变化,并解释原因．

定量实验1:介绍焦耳的桨叶搅拌实验．说明在热力学系统的绝热过程中,系统内能的增加量ΔU等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W．

定性讨论2:大口玻璃瓶内装一些水,水面上方有无色的水蒸气,用带孔的橡皮塞塞住瓶口,给瓶内打气,当瓶塞“砰”地跳出时,观察瓶内的变化,并解释原因．

定量实验2:介绍焦耳的磁电机实验．说明在外界没有对系统做功的过程中,系统内能的增加量ΔU等于系统从外界所吸收的热量Q,即ΔU=Q．

得出规律:综合定量实验1、2,得出:在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中,系统内能的增加量ΔU等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和．这个关系叫做热力学第一定律,用公式表示为ΔU=Q+W．

各量意义:请你说出热力学第一定律的表达式中ΔU、Q、W这3个物理量所取正、负值的意义．

直接应用:一定质量的气体从外界吸收热量3.2×105J,对外做功4.0×105J,则气体的内能如何变化,变化了多少?

题后反思:说出应用热力学第一定律解题的方法、步骤和注意事项．

拓展应用:不需任何动力和燃料,能源源不断地对外做功的机器,人们把它叫做“第一类永动机”．在20世纪20年代德国发行了一张“第一类永动机”的明信片——“拿爱因斯坦开玩笑”,如图1所示．请你说说看这种永动机能否实现,理由是什么?

图1 德国发行的第一类永动机的明信片

(2) 蕴含物理学史的规律学习路径模式.

蕴含物理学史的规律学习路径模式是沿着“规律建立的基础——规律的发现和确立——规律的适用范围”进行的．首先从物理学史的角度来认识规律得出的必要准备,然后介绍规律发现和确立的过程,让学生领悟到一个规律的得出并非是一蹴而就的,也并非一个人就能得出的,常常是一个群体的智慧的结晶．最后还要对规律的适用范围提出质疑,看看能否普遍适用,让学生充分感受到物理学科的严谨性．

这种教学模式是基于科学的发展历史,是以事实为依据的一种教学．能让学生领会到当年科学家们面对原始的物理问题时,他们是如何思考与探索的,又是如何解决的．这是一种显化科学方法的物理教学方式．

案例:能量守恒定律的教学．

规律建立的基础:能量守恒定律的建立离不开自然哲学、物理实验和物理理论这3个方面的必要准备．17世纪,人们已经认识到与运动相联系的某个量是守恒的．笛卡尔、莱布尼兹都提出了运动中守恒的量．但仅局限于机械运动,没有深入到其他运动．到了19世纪,物理学的研究范围不断扩大．电池的发明,电流磁效应、温差电现象、电磁感应现象、温差电现象的逆效应珀耳帖效应等现象的相继发现,所有这些运动形式之间的联系与转化为能量守恒定律的发现提供了基本的条件．还有,德国自然哲学中相互联系和转化的思想为能量守恒定律的发现提供了适宜的思想基础．

规律的发现和确立:介绍德国医生迈尔发现人在热带时的静脉血比在温带时要红,暴风雨中的海水比较热,从自然哲学的思想出发提出了能量守恒的观点．焦耳历经40年,通过桨叶搅拌实验、磁电机实验等,精确地测定了热功当量的数值,为能量守恒定律打下了牢固的实验基础．亥姆霍赫兹阐述了热、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化和守恒规律,建立了能量守恒定律的数学表达式．在大量事实的基础上确立了能量守恒定律．

规律的适用范围:介绍1914年的“能量失窃案”．查德威克在做放射性实验时,发现原子核A放射出β粒子后,变成原子核B,原子核B与β粒子的总能量比变化前原子核A的总能量要小．玻尔根据实验事实,指出在微观粒子领域内要放弃能量观点．泡利认为能量守恒定律是普遍适用的．为了拯救能量守恒定律,他提出在原子核里还有一种尚未发现的新粒子,这种粒子不带电,质量很小很小,实验中“失窃”的能量就是被这个新粒子——中微子所带走的．直到1956年,人类首次捕捉到中微子．泡利拯救能量守恒定律的壮举终于得以实现．因此得出结论:不管是宏观世界还是微观世界,只要有能量转化,就一定遵守能量守恒定律．

2.3 基于实验学习路径的高中物理教学模式

基于实验学习路径的高中物理教学模式是沿着“情境设置——问题讨论——实验操作——数据处理——问题拓展”进行的．通过设置的情境,得出实验的原理．通过问题讨论,解决实验操作中的疑点难点．通过操作,亲身经历实验的体验过程.在操作中发现问题,解决问题．通过问题拓展,解决与本实验紧密相关的问题．

这种教学模式秉承的原则是“做与不做不一样,认真做与不认真做不一样,做了思考过与没有思考过不一样”．实验前不直接告知学生实验的原理,让学生通过思考得出实验的原理．在操作中发现问题,讨论问题,解决问题,从而真正提高学生实验探究的能力．

案例:“用油膜法估测分子的大小”实验的教学．

情境设置:一个量筒中盛放着一堆绿豆,将这堆绿豆倒入一个较大的浅盘中,绿豆平铺开来,形成薄薄的一层．将绿豆看成为球形,如果测出绿豆薄层的面积,就可粗略地得到绿豆的直径．说说看,这是什么道理?

图2 油膜的形状

问题讨论:利用上述方法,我们可以粗略地测出油酸分子的直径．将一滴纯油酸滴入水中,形成一个薄层,面积将会很大,因此需将油酸与酒精相混配成一定浓度的油酸酒精溶液．比如,在1mL的油酸中加入酒精配成500mL的油酸酒精溶液．用注射器吸入油酸酒精溶液在水面滴上一滴．(1) 如何知道这一滴油酸酒精溶液的体积?(2) 怎么计算这一滴油酸酒精溶液中所含的纯油酸体积?(3) 油酸酒精溶液滴入水中时,酒精溶于水并很快挥发,剩下的就是油酸的单层油膜,但油膜无色,肉眼看不清,有什么方法可将油膜显示出来?(4) 能否将注射器高高地置于水面上方，往水面上滴油酸的酒精溶液,为什么?(5) 油膜不能近似均匀地在水面上散开成圆形,而是呈现如图2所示的尖刺状,这是什么缘故,如何克服?(6) 当油酸酒精溶液滴入水中时,水面的痱子粉会一下子近似均匀地散开,然后往回收缩,这是什么原因?(7) 等液面稳定后,如何记录并测量油膜的面积?(8) 怎么求油酸的直径?

实验操作: (1) 用注射器吸取1mL体积比为1∶500的油酸酒精溶液,往量筒中逐滴滴入,记录滴数．(2) 在浅盘中倒入适量的水,在水面上均匀地撒上痱子粉．(3) 将一滴油酸酒精溶液滴入水中,待液面稳定后用印有小方格的透明塑料板盖在盘子上,用记号笔描下油膜的轮廓,数出小方格的总格数并记录下来．数据处理： (1) 求出1滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积.(2) 计算油膜的面积.(3) 求出油酸的直径.

问题拓展:实验完成后,倒掉盘中的水,简单冲一下,就能重做同样的实验吗,为什么?如果不能,应当怎样冲洗做过实验的浅盘?