物理学习路径的特征与寻找方法

2018-05-24蔡千斌

物理教师 2018年3期

关键词：光子物理实验

蔡千斌

(浙江省温岭市新河中学,浙江温岭 317502)

日常生活中的路径有起点、过程和终点．相应地,物理学习路径也有起点、过程和终点．物理学习路径的起点指学生已有的知识和经验,过程指学生的物理思维过程,终点指学生对知识的表征方式．

1 物理学习路径的特征

1.1 适切性

学生的物理学习路径并非只有一条,世界上也不存在最好的学习路径．但应有一条非常适合自己学校、自己眼前学生的学习路径．这条学习路径受制于学校的硬件、学生的基础和教师的能力等实际情况．

像某些实验,由于学校的器材太少,只能做做演示实验,无法开展学生实验．这时,学生的物理学习路径就只有通过观察演示实验、讨论实验现象、分析实验数据、得出实验结论等过程而展开．象有些实验方案很多,由于学习时间有限,我们也不可能在一节课中将每种方案都试过去．例如,“实验:探究碰撞中的不变量”的学习,可用于探究的学习路径很多．有“用气垫导轨做碰撞实验”、“用两个悬挂的摆球做碰撞实验”、“用装有撞针的小车与装有橡皮泥的小车做碰撞实验”、“质量不同小球碰后做平抛运动的实验”等多种形式．如考虑到实验的精度问题,学校又恰好有气垫导轨器材,可选用第1种学习路径来学习．如考虑到学生动手操作能力的培养,学校关于摆球碰撞的创新性器材也比较多等这些因素,可选用第2种学习路径来学习．但第2种方案需要学校自制的摆球碰撞器材．有些学校缺少这方面的开发能力,就不好采用此种学习路径．如考虑到学校购置的小车上按有撞针,可选用第3种学习路径．但有些学校根本没有能按撞针的小车,就不好选用第3种学习路径．这时第4种学习路径——用“质量不同小球碰后做平抛运动的实验”来探究碰撞规律,就不失为一条较为合适的学习路径．因此,我们要从学校、学生与教师的实际情况出发,来选择当前最适切的学习路径．但是,这一条路径对其他学校、其他学生、其他教师来说,就不一定是最佳的．

1.2 灵活性

在物理学习中,物理学习路径随不同学校教学资源的不同而灵活变化．例如,在没有数字化实验的日子里,学生学习“作用力与反作用力的关系”时,只能用两把弹簧秤来探究两者的大小与方向关系．但局限于静态问题的实验．对于加速、减速时,两者的大小、方向关系就无从入手．待有了数字化实验教具后,学生的物理学习路径就发生了质的变化．学生学习这一关系时,可以亲手通过力传感器来比较“物体做直线运动、曲线运动”,“加速运动、减速运动、匀速运动”,以及处于静止状态时,两力的大小、方向问题．在光影画布、频闪小球出现前,我们在探究平抛运动规律的学习路径中,常用“描迹法”画出小球做平抛运动的轨迹,再来研究小球做平抛运动的规律．现在时代发展了,有了光影画布和频闪小球作为物理学习的用具,学生的学习路径就发生了质变．只要在光影画布上覆盖一张印有小方格的透明膜,就可直接利用频闪小球在光影画布上留下的痕迹来进行研究．显然,在新课学习中,后一种学习路径就比原先的要好得多．当然,在学生实验中,还是保留“留迹法”这条学习路径．因为它蕴含了一种独特的研究路径,在此不再赘述．

1.3 发展性

学习路径并非是固定不变的,是随教学理念、学生知识经验、教师教学经验的发展而发展的．

第一,学习路径随教学理念的发展而发展．应试导向的学习路径与素养导向的学习路径是不同的．像《伽利略对自由落体运动的研究》之类的物理学史课,在应试导向的教学中,主要采用教师讲学生听的方式进行,教师讲完后,再提供几个常考的物理学思想方法问题让学生练习．同一个课题,在素养导向的教学中,教师设置问题情境、利用已有知识、运用真实实验等多种方法,优化学生的学习路径,获得更好的教育效益．具体操作如下: (1) 教师设置物理悖论情境组织正反方学生参与讨论,让学生深切感受逻辑推理的力量; (2) 教师引导学生利用已有的知识经验对“做自由落体运动物体的速度与时间成正比还是与位移成正比”提出质疑,让学生在质疑中获得成功的体验; (3) 教师提供滴水计时装置,让学生模拟伽利略当年做过的“斜面实验”,通过真实的实验操作体验伽利略的“斜面实验”思想．

第二,学习路径随学生知识经验的发展而发展．学生学了运动学规律和牛顿运动定律后,碰到动力学问题就只能用“力观点的路径”来解决．及至学了动能定理和能量守恒定律后,学生的能力提升了,碰到动力学问题就能用“力观点的路径”和“能量观点的路径”来解决．这时,就会优先考虑用“能量观点的路径”来解决动力学问题．等到学了动量定理和动量守恒定律后,学生的能力更强了,碰到动力学问题就能用“力观点的路径”、“能量观点的路径”和“动量观点的路径”来解决．对于单一物体,就会优先考虑动能定理和动量定理．对于多个物体组成的系统,就会优先考虑机械能守恒定律与动量守恒定律,不会都从牛顿运动定律出发来求解了．

第三,学习路径随教师教学经验的发展而发展．教师教学经验的发展,会促使教学方法的改变,将直接影响着学生学习路径的变化．如图1所示是教材上的光电效应实验．教师按照这个实验来演示,验电器指针根本不会张开,无法达到理想的实验效果．初入职教师常借助PPT呈现图1,采用讲实验现象的方法来教学．等教师的教学经验增加后,他们会分析这一实验不能成功的原因: (1) 锌板在弧光灯的照射下,发射出光电子,锌板失去电子带上正电,在锌板周围形成一个电场; (2) 锌板射出的光电子越多,锌板周围的电场越强; (3) 锌板周围的电场阻碍光电子的射出,由于射出的光电子过少,无法观察到验电器指针的偏转; (4) 锌板与验电器的连接上存在漏电现象,也会影响指针偏转的观察．而后,根据这一实际情况,改进光电效应的实验装置和做法,就可以成功演示光电效应实验了,具体如图2所示．为了减少锌板与验电器的连接漏电现象,将验电器直接安装到验电器的顶端．为了避免锌板周围电场对光电子的阻碍作用,将与毛皮摩擦过带负电的橡胶棒接触锌板,使锌板先带上负电．弧光灯照射锌板时,锌板周围的电场不影响光电子的飞出,锌板因飞出光电子,导致验电器指针偏角减小．现象明显,效果很好．这都得益于教师教学经验的提升．

图1 光电效应实验

图2 光电效应改进实验

2 物理学习路径的寻找方法

2.1 已有知识经验寻找的方法

2.1.1 教材分析法

通过教材分析法,了解学生共性的问题,获得学生初始的学习路径．其中,教材分析要从物理核心素养的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任这四个维度来分析．例如,磁感应强度教学目标的分析．(1) 物理观念:说出磁感应强度的物理意义、方向、大小和单位;知道磁感应强度定义式的适用条件;会解释磁感应强度大小的决定因素;会用磁感应强度定义式判断实际问题和进行相关的定量计算．(2) 科学思维:通过磁感应强度与电场强度的比较,体会物理学中的类比思维;通过电流元法、以匀代变极限思想和比值定义法的运用,领会物理学中的逻辑思维方法．(3) 科学探究:通过演示实验,体会磁感应强度概念形成的实验方法;通过“探究影响通电导线受力因素”的实验,领会控制变量法．(4) 科学态度与责任:通过探究磁感应强度大小的决定因素,养成大胆质疑的态度;通过不同磁场磁感应强度大小实验的测定,形成严谨的科学态度．

2.1.2 访谈分析法

访谈分析法是在了解学生共性的基础上,融入学生个体差异的做法．例如,教师提出一个问题:对计算任何用电器的电功率都适用的公式是P=W/t、P=UI、P=I2R、P=U2/R．如某学生多选了P=I2R和P=U2/R．教师马上就可以判断出该学生没有厘清纯电阻电路和非纯电阻电路的区别．又如,教师让某学生说出“在力学实验中,哪些实验要用到纸带和打点计时器”?根据这位学生回答的多寡,教师可以获取该学生“力学实验综合性程度”的高低情况．

2.1.3 问卷调查法

问卷调查法是一种涉及到学生个人的调查方法,可以更快地了解学生的已有知识经验,包括学习经历、学到了什么和掌握程度3个方面．下面以伏安法测电阻实验为例来说明问卷调查法的具体操作过程．(1) 学习经历的问卷调查．在伏安法测电阻实验中:有无“在一大堆有多余器材中选择合适仪器”进行实验的经历?有无根据指针的实际偏转情况在实验中灵活调整“电流表、电压表量程”的经历?有无独立操作“滑动变阻器分压式接法、限流式接法”的经历?有无“根据电流表、电压表量程正确读数”的经历?(2) 学到了什么的问卷调查．在伏安法测电阻实验中:电表读数一般不少于量程的多少分之一?在什么条件下宜用电流表外接法?在什么条件下宜用电流表内接法?(3) 掌握程度的问卷调查．在伏安法测电阻实验中:在什么条件下宜用滑动变阻器的分压式接法?记录电流、电压数据时,电流表、电压表的估读有什么规则?

2.2 学生思维过程寻找的方法

2.2.1 观察法

观察法主要涉及两种方法,一是教师看学生做,二是教师听学生说．例如,光电效应问题．一波长为200nm的紫外光照射金属铜,有光电子从铜表面逸出,经过一个电场强度大小为15N/C的匀强电场,最大运动距离为0.1m,则金属铜的截止波长为多大．

教师问:上述问题可以转化为求入射光的频率和逸出光电子的最大初动能．

图3 光电效应示意图

通过观察法,教师可以获取学生的思维过程,如图4所示．

图4 学生的思维过程

2.2.2 预测法

(1) 教师提出问题．例如,教师问:一个氢原子处于n=4的能级上,自发辐射时最多能辐射出几种频率不同的光子?教师预测多数学生的思维过程:一种是学生画出如图5所示的氢原子跃迁图,认为自发辐射时最多能辐射出6种频率不同的光子．另一种是学生根据C42=6,得出自发辐射时最多能辐射出6种频率不同的光子．教师预测个别学生的思维过程:如图5所示,画的是一群氢原子处于n=4能级上,自发辐射时所辐射出不同频率光子的情况．这样的话,就有6种光子．但对于一个处于n=4的氢原子,跃迁时不能既从4→3,又从4→2,还从4→1．可以从4→1,辐射出一种光子．可以从4→3,3→2,辐射出2种光子．可以从4→3,3→1,辐射出两种光子．可以从4→2,2→1,辐射出2种光子．可以从4→3,3→2,2→1,辐射出3种光子．如图6所示,一个氢原子跃迁最多辐射的光子数应是3种．

图5 氢原子的跃迁

图6 一个氢原子跃迁最多辐射的光子种数

(2) 教师问学生是否这样．

图7 静摩擦力的方向

学生思维过程的寻找还可根据教师的推测,问学生是否这样．例如,如图7所示,物体相对转动圆盘静止,随圆盘一起做匀速圆周运动,请判断物体所受静摩擦力的方向．

教师可以这样问学生:物体所受的静摩擦力与相对运动趋势方向相反．由于俯视时,圆盘做逆时针方向转动,图示位置物体的速度方向垂直纸面指向纸内,物体有相对圆盘沿物体速度方向滑的趋势,所以物体所受的静摩擦力方向为垂直纸面指向纸外．这种说法是否正确？

教师还可以这样问学生:物体做匀速圆周运动合力指向哪里?物体受到哪几个力的作用?竖直方向上的重力和支持力是一对平衡力,水平方向的静摩擦力应指向哪里?

2.3 学生知识表征寻找的方法

2.3.1 课堂提问

2.3.2 随堂检测

通过随堂检测,寻找学生的知识表征．例如,在学生学了电势能概念后,教师提出下列问题,进行随堂检测．有一所带电荷量q=-2×10-8C的点电荷,从电场中的A点沿电场线移到B点,克服静电力做功为6×10-6J,从B点移到C点,静电力做功为8×10-6J．则(1) 请判断同一负电荷在A、B、C3个不同位置处,电势能的高低情况．(2) 如以C点为零势能点,电荷在A点的电势能为多少?

学生在纸上画出图8,展示了他的思维过程．如B在A右侧,负电荷从A到B,电场力做负功,