在问题解决中通过深度学习发展物理观念

李春来

(广东省深圳市红岭中学高中部，广东 深圳 518049)

物理观念居于物理学科核心素养之首,物理教学应以物理观念来统领．在问题解决中,创设真实问题情境,强化物理知识、思维方法的学习和应用,是发展物理观念重要而有效的教学策略．

1 问题的提出

图1

题目.如图1所示,粗细均匀、两端开口的玻璃管AB长L=25cm,把B端插入水银槽中,L1=12cm,现将A端密封,把AB沿竖直方向缓慢提起,B完全离开水银面时,把AB缓慢转过来竖直放置,A端在下,B端在上,封闭气体质量不变,已知当地大气压强p0=75cmHg,整个过程保持温度不变．求

(1)B端刚离开水银面时,管内气体的压强;

(2)A在下端时,被水银封闭气体的长度．

以上是一道高中物理测试题,教师的初步分析是该题的难度较小,涉及的物理知识是“玻意耳定律”和“压强”概念,是对气体等温变化规律的一个简单应用．但在阅卷过程中却发现学生的得分率很低,出乎预料．经过对学生的访谈发现,对于第(1)问,约有30%左右的学生无法入手作答,他们说“你怎么知道玻璃管被提出来后的情形是什么样”．

看来学生的困惑出在对物理情境的把握上,他们不能通过独立分析得到清晰的封闭气体末状态,缺乏解决问题的方法．针对该题目,如何进行讲评呢,如何才能帮助学生突破难点?

2 物理观念的培养途径

物理观念是学生在反思感悟和实践应用中将蕴含于具体知识中的物理思想、观点和方法等抽象概括出来的观念性认识,是物理学科的研究对象、过程和结果在学习者头脑中整体概括的反映．物理观念的形成既是认知性的,更是体验性的．物理观念不可能通过记忆物理知识自发形成,而需要学生在积极主动的探究活动中深刻理解和掌握有关的物理知识,并在对知识的理解和应用中不断概括、提炼而形成．为了有效地形成物理观念,课堂教学应重视以下两个方面．

(1) 帮助学生构建有优化结构的高中物理知识体系.所谓概念和规律的提炼,就是把这些概念和规律组合成优化的结构,成为某一知识领域的核心内容,是解决问题的关键视角和思维指南．

(2) 强化物理知识与实践情境的关联．是否形成了物理观念的标志就是“会用物理观念解释自然现象和解决实际问题”,要做到这一点,就必须强化物理知识与实践情境的关联,提高把物理知识与实践情境进行联系的自觉性,增强学生的实践意识．

3 问题解决中的思维过程与深度学习的涵义

3.1 解题中的思维过程

教育部考试中心李勇副主任指出解题的思维过程有两个阶段．第一个阶段是运用物理知识,经过分析、判断、简化、抽象后将情境化试题转化为非情境化试题;第二个阶段是运用物理知识和数学工具,经过推导和演算后实现问题解决,如图2所示．

图2 解题思维过程

简单地说,解题的过程要经历两个重要的“转化”,即运用归纳推理思维将文字转化为情境,再运用演绎推理思维将情境转化为物理条件,从而解决问题．

物理学科的程序性知识是关于如何完成物理学习任务的知识,反映的是各种“过程”的知识,在试题解答中体现出来的就是解决问题的知识,习题教学能有效地促进学生程序性知识的发展．

3.2 深度学习的涵义

根据学生的学习是否进行了深入思考和深入探究,可将学习分为深度学习和浅层学习,深度学习是学习者以浅层学习为逻辑基点,主动深入思考和深入探究,自觉将新知融入原有的认知结构之中,建构众多认知之间的有效联系,能够将已有的知识迁移到新情境之中,并做出相应决策和解决相应问题的学习,其核心是知识迁移、问题解决、思维提升,其本质是学会学习和应用．

4 在问题解决中发展物理观念的具体运用

针对上述试题,为达成深度学习,发展物理观念,笔者设计了思维深度逐层递进的4个教学过程,以期突破难点．

层次1:强化知识点,展示作答过程．

思路点拨:以封闭气体为研究对象,确定初末状态,联立方程求解．

将玻璃管A端封闭后,以上部被封闭气体为研究对象．

图3 气体初、末态

初状态如图3(a)所示,V1=S(L-L1),p1=p0;末状态如图3(b)所示,这时玻璃管已经被提起而离开液面,水银柱静止且下表面与管口平齐,设水银柱长为x,被封闭气体体积V2=S(L-x),压强p2=p0-px．

根据玻意耳定律有p1V1=p2V2,解得x=10cm,p2=65cmHg．

学生反馈:在访谈中,笔者发现有相当一部分学生不能准确把握题目中所展现的物理情境,即不能顺利地将“文字信息”转化为“物理情境”,导致不能顺利作答．当教师讲解该题的作答过程后,仍有部分学生表示无法理解,学生的反馈是“为什么水银没有全部流出去,而是如图3(b)那样?”“你怎么知道提起试管后水银与下端管口是平齐的?”“想象不出来 ‘把AB缓慢转过来竖直放置’稳定后水银柱位置的情况”．

层次2:亲历探过程,体验真实情境．

图4 模拟题目情境

教学过程:为了解决学生的困难,教师指导学生动手做个小实验,亲身经历真实的情境和物理变化过程．取一支学生写作业用的中性笔,笔管透明且顶端开有小孔．去除笔芯,只留下笔管,相当于玻璃管AB．将笔管插入滴有墨水的水槽中,然后用手按住上端小孔,轻轻上提,会发现管中下端留下了一段水柱,如图4所示．学生看到后发出“哇”的惊叹声．这样,用身边简易材料做实验模拟了题目中的情境,看到真实的现象后,学生信服,题目迎刃而解．这正如朱正元教授所说的“千言万语说不清,一看实验便分明”．

有的学生会想到,有水留在笔管中是不是因为笔管较细而出现了表面张力的原因呢?这里可以将塑料笔管换成口径稍大一些的玻璃试管,试管上端事先磨出一个小孔,重新做实验．事实证明,仍会出现同样的实验现象．

教学反思:到此为止,学生似乎已经打消了疑虑,能够顺利解题了．但是学生真正地理解了吗?如果学生下次遇到困难时,没有条件通过实验模拟出来,又不清楚最终状态,怎么办?能不能通过对物理过程的分析得到确切的结论呢?

层次3:理论探究物理过程,发展推理能力．

图5 物理过程分析

对初状态分析:如图5(c)所示,封闭上端管口,管内外液面平齐,管内气体压强大小为p0,取管内液面上的一个薄膜为研究对象,上下压力大小均为p0S,方向相反,薄膜受力平衡而稳定．

对物理过程动态分析:当缓慢向上提起玻璃管时,假设液面高度不变,即管内外液面平齐．由于管内气柱体积增大,根据玻意耳定律可知,封闭气体压强减小,这时对研究对象即管内液面上的薄膜受力分析可知,向上和向下的压力不平衡,假设不成立．真实情况是合力导致液面上升,管内形成高于管外液面的液柱,直至达到新的平衡,如图5(d)所示．

对末状态分析:当玻璃管下端完全提离水银槽时,会在玻璃管下端形成一个与管口平齐的水银柱,如图5(e)所示,这就是题目第(1)问中玻璃管内封闭气体的末状态．

教学后记:对于提起玻璃管的过程,运用玻意耳定律对封闭气体进行动态分析,对管内形成的高于管外液面的液柱的受力进行动态分析,经过分析与综合、推理与判断,即使不用做实验也可以得到正确结论．

可以说,本题从物理观念角度考查了学生对玻意耳定律、压强计算、力的动态平衡知识的掌握情况,从科学思维角度考查了学生的模型建构、科学推理素养水平．

层次4:拓展延伸,自主探究．

拓展1——质疑物理现象．在演示实验中发现,用较粗的试管做实验时,当插入水中的部分不够长时,提起试管后容易出现液体全部流出的现象,这是为什么呢?引导学生更进一步地观察和分析,鼓励大胆质疑,培养学习物理的兴趣,保持对自然现象的好奇心和探究其中物理原理的热情．

图6 自制水枪

拓展2——制作性小实验．在铅笔上缠绕适量纱布做成活塞,试管的另一端磨出小孔,将活塞从玻璃试管的开口端插入,仿照注射器原理,制成最简易的水枪,如图6所示．在游戏中学习和交流,边玩边学,完成了一个制作性物理小实验．

拓展3——深入探究．将试管顶端的小孔用手堵住,然后开口向下竖直插入水银槽中,插入的深度为L3,求试管中水银柱的长度．

图7 封闭试管插入水银

学生可以先进行理论探究,然后实验验证．虽然学生手头上没有水银,但可以将笔管插入透明水杯(如矿泉水瓶)中做实验,如图7所示,理论探究与实验观察相结合．

图8 试管缓慢倾斜

拓展4——迁移应用．将试管插入水银槽中后,通过顶端的小孔将其中的空气抽出少许,然后封闭小孔,形成如图8所示的情形．如果保持水银槽外的试管长度H大小不变,将试管缓慢倾斜．问:管内水银柱长度h如何变化?

需要学生继续运用玻意耳定律对封闭气体进行动态分析,对管内高于管外液面的液柱进行动态受力分析,可以通过理论分析解决问题．通过该问题可以检验学生是否真正理解玻意耳定律和动态分析的方法,发展学生的迁移能力,学以致用．当然,这个问题情境也可以通过实验模拟出来,即用口通过小孔从管中吸出少量气体,然后实验验证．

5 结束语

加涅的学习层次理论指出“学习较复杂、抽象的知识,是以较简单、具体的知识为基础的,较复杂、较高级的学习是建立在基础性学习基础上的”．比较4个层次的教学过程发现,它们的思维深度逐层递进,逐步实现了对物理概念的理解和规律的迁移应用,引导学生逐渐形成运动与相互作用观念．结合布卢姆目标分类理论分析如表1.

表1 深度学习过程和目标达成情况分析

课堂教学中,重视事实性知识和概念性知识学习的同时,还要重视程序性知识的掌握,当学生面对物理语言、文字和符号时,能自觉地联想相应的物理情境,当学生面对实践情境时,会自然联想到与此相关的物理概念和规律．只有学生本人亲自经历知识的探索,对具体物理知识进行深入分析和挖掘,并在具体应用中获得对物理观念的清晰认识,才能实现物理概念和规律的升华．

核心素养理念下,通过问题解决过程达成学生的深度学习,培养学生“见物思理、就物论理”的意识,能够促进新旧知识的有效建构．教师要用一种开放的立体的教育视野,努力将课堂教学与生活实际联系起来,在真实情境中学习,设计逐层递进式的探究问题,让物理观念在一个个问题解决中逐渐形成．