物理观念的教学与评价

2019-10-09程柱建

物理教师 2019年8期

程柱建

(江苏省如皋市教育局教研室,江苏如皋 226500)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称《课标》)指出:物理学科核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面．这4个方面相互依赖、共同发展,物理观念是基础,科学思维是核心,科学探究是手段,科学态度与责任是必备品格．本文将在对物理观念内涵进行梳理的基础上,通过具体的课例片段或试题案例,给出物理观念教学与评价的建议．

1 物理观念的教学

《课标》给出的关于物理观念的课程目标为“形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等,能用其解释自然现象和解决实际问题”．物理观念的教学需要通过一定的物理情境帮助学生形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等,同时建构有优化结构的物理知识系统,强化学生将物理知识与实践情境关联的自觉性,能够解释自然现象和解决实际问题.简单讲,形成物理观念、构建知识体系、应用观念解决问题是物理观念的教学目标．物理观念的形成和应用过程,是学生发展科学思维、科学探究能力的过程,也是形成科学态度与责任的过程．

建构主义认为“知识不是通过教师传授得到,而是学习者在一定的情境即社会文化背景下,借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式而获得”．可见,建构主义教学理论既强调了学生认知主体的作用,又注重为学生的学习创造支持性的环境．物理观念具有作用形式的内在性和稳定性,学生的物理观念一旦形成,就会对其后续学习产生影响,所以需要研究物理观念的教学环节,更好地促进学生形成正确的物理观念．

1.1 创设情境

创设情境是做好物理观念教学的基石,需要教师课前予以充分的设计与准备．

首先,在研究课程内容和教材的基础上,依据学生的学情和学业质量水平要求确定教学内容和目标．

其次,将教学内容要点化,要点问题化．将教学要点的逻辑关系进行梳理,形成2～3个主要问题,以便于学生形成完整的知识结构和体系．

最后,将问题情境化,情境体验化．情境是指提供给学生的学习材料,包括阅读材料、实验器材、多媒体资源、游戏方案等.这些材料要丰富多彩、充满趣味,有助于学生物理观念和思维的生成．体验指提供的学习材料要注重联系自然界、社会生活,尽可能应用物理实验的方法增强学生的实践意识．

在情境中呈现的系列问题是指通过学生对所提供的材料进行学习以后需要思考和解决的问题．所有的问题要基于学生的已有知识和真实存在的问题展开,设计要有思考性,指向要明确,答案可以是文字、图像、实验现象等.答案文字量不宜太大,要便于学生在课堂上展示,同时问题要有梯度,问题的结构提倡是不良的.这样有助于学生逐步地建构相关的概念或规律,不断改善、发展自己的认知结构．

课例片段1： “速度”概念的教学.

(1) 我们处在一个运动的世界中,物体运动的快慢往往是不相同的．阅读表1,回答相关问题．

表1 4个物体的运动数据

① 将4个物体的位移填入表中．

② 自行车和汽车谁运动得快,为什么?

③ 汽车和飞机谁运动得快,为什么?

④ 汽车和火车谁运动得快,为什么?

(2) 位移与发生这个位移所用时间的比值就是速度．

① 根据这个定义,可以写出速度的定义式v=________．

② 速度的国际单位是m/s,读成________．

③ 速度是矢量,方向由________决定．

④ 速度是比值定义的物理量．所谓比值定义法,就是用两个基本的物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法．一般地,比值法定义的基本特点是被定义的物理量往往是反映物质的最本质的属性,它不随定义所用的物理量的大小取舍而改变．“位移Δx越大,速度v越大”的说法对吗?为什么?

课例片段2：奥斯特效应的教学.

磁体周围存在磁场,电流周围存在磁场吗?1812年,丹麦物理学家奥斯特就有了电磁之间是统一的想法,并做了大量实验．

实验器材:导线若干,小磁针1个,电源1个,开关1个.

实验步骤:

(1) 当时人们见到的力都沿着物体连线的方向,即都是所谓“纵向力”．受这个观念的局限,奥斯特总是把磁针放在导线的延长线上．做一做该实验,观察小磁针是否发生转动．

(2) 1820年4月,在一次讲课中,奥斯特偶然地把导线沿南北方向放置在一个带玻璃罩的指南针的上方,通电时磁针转动了,终于发现了电流的磁效应(法国著名思想家、数学家笛卡尔说过:机遇总是垂青那些有准备的人)．

① 根据图1、图2中的电流方向做一做这个实验,观察小磁针的偏转方向,在图中画出小磁针两极的转动方向,并解释实验现象的原因．

图1 模拟奥斯特实验

图2 模拟奥斯特实验

② 力是改变物体运动状态的原因．你认为小磁针两极受到的力沿什么方向?

③ 如果将通电导线沿东西方向放置在小磁针的上方,请猜想会观察到什么现象?并利用实验验证你的设想．

物理学是一门以实验为基础的学科,许多物理观念就是在大量实验的基础上总结出来的规律,教学中尽可能提供学生动手实验的机会．虽然教材编写时考虑了学校教学的一般性,所涉及的实验是所有学校有条件开展的,但是教师可以根据学校的实际实验条件改进实验教学．磁场是客观存在的物质,但是看不见、摸不着,怎么办?电流和磁场之间有没有内在的、必然的联系?这需要在教学中帮助学生形成正确的物质观．同时,学生形成物理观念往往与历史的形成过程有一致性,会大致重演历史上所犯的错误,即“重演律”．结合物理学史进行教学,让学生知道人们有时会通过提出并检验假设来解决问题和形成观念,教学中可以突出物理学家产生新观念的原因、过程、思维方法,甚至失败的做法.这样不仅有利于学生克服片面认识、防止形成错误观念,而且可以让学生学到物理学家思考问题和解决问题的方法以及正确的科学态度和责任．课例中的第(3)个问题的实验现象是小磁针不转动,因为小磁场受到的力沿小磁针南北极连线方向.这种方向的力不能使小磁针转动,通过这个问题的解决可以促进学生利用相关作用与运动观念解释实验现象．

1.2 学习交流

课堂是学生学习的主阵地,可以将学生合理地分成若干个学习小组,并积极创设良好的、有利于师生共创共生、合作交往和意义建构的外部学习环境．

课堂教学中,教师可以合理利用多种教学方式．首先让学生根据学习材料自主学习或探究学习,尝试独立地分析和解决问题．其次,在自主学习或探究学习的基础上开展合作学习或有意义地接受学习．要加强学生学习成果的交流与展示,多问几个“为什么”,增强学生的证据意识．教师在课堂教学中要坚持学生的主体地位,将第一思考时间、第一体验过程、第一表达机会、第一认知反思留给学生．

课例片段3：地球同步卫星的教学.

地球同步卫星是相对于地面静止的卫星,又称对地静止卫星．卫星运行在地球同步轨道上,距离地心的距离约为4.24×104km,距离地球的高度约为3.6×104km,卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转1周的时间相等,即24 h,卫星在轨道上的绕行速度约为3.1 km/s,其运行角速度等于地球自转的角速度．若把3颗地球同步卫星,相隔120°均匀分布,卫星的直线电波将能覆盖全球有人居住的绝大部分区域(除两极以外),可构成全球通讯网．

(1) 根据以上材料,填写下面的“六个一定”表2.

表2 地球同步卫星的“六个一定”

图3 人造地球卫星分布图

(2) 图3为当前人造地球卫星分布图,你能识别出地球同步轨道吗?

图4 3个不同位置的卫星

(3) 如图4所示,A为地面上的待发射卫星,B为近地圆轨道卫星,C为地球同步卫星．

①________和________都是万有引力提供向心力,可用“一定四定”,即r越大,v、ω、an、g′________(选填“越大”或“越小”),T________(选填“越大”或“越小”);________是万有引力的分力提供向心力,不可用“一定四定”．

②________和________周期和角速度相同,可通过v=________和an=________比较两者的线速度和向心加速度的大小．

③ 设3颗卫星质量相同,3颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC,角速度大小分别为ωA、ωB、ωC,周期分别为TA、TB、TC,向心加速度分别为aA、aB、aC,则

(A)ωA=ωC<ωB. (B)TA=TC

(C)vA=vCaB.

图5 用圆锥摆验证向心力表达式的实验示意图

课例首先呈现了有关地球同步卫星的材料,然后学生根据材料填写和计算描述同步卫星的6个方面的特征或物理量,接着再从众多的卫星图片中去寻找同步卫星,并让学生交流各自的证据.这样的教学设计与直接让学生记忆规律相比,有利于学生形成物理观念．根据刺激-反应心理学,如果两个事件反复同时呈现,它们之间会形成一种联想．[1]材料中的“其运行角速度等于地球自转的角速度”,第3个问题中“地面上的待发射卫星A”,不断地将地球同步卫星与地球自转周期的联系进行着强化．另外,通过3颗卫星受力特征的不同,将学生错用结论的行为进行了去强化．

课例片段4：(实验)用圆锥摆粗略验证向心力的表达式.

(1) 思考实验原理．

阅读教材,思考并讨论:如何利用圆锥摆模型(如图5所示)验证向心力表达式的正确性?

(2) 讨论实验方案．

① 请对小球进行受力分析,写出小球所受的合力表达式,并根据设计的实验方案推导出最终需要验证的表达式．

② 实验过程中需要测量哪些物理量?

③ 用秒表测量周期时,如何测量可以减小误差?

④ 同心圆纸放置有何要求?如何测量小球做圆周运动的半径?观察小球位置时眼晴应如何看?

⑤ 如何让小球尽可能做匀速圆周运动?

(3) 记录处理数据．

(4) 得出实验结论．

“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”实验为《课标》中新增加的学生必做实验．该实验最大的问题是如何让小球尽可能做匀速圆周运动?对这个问题的突破,需要学生利用运动和相互作用观念来思考,即如何施加力的问题．学生之间的交流碰撞出了思维的火花,大致形成了3种可行方案: ① 推动法:将绳子拉直,轻推小球,让它做圆周运动;② 绳子带动法:用手捏住紧靠悬点下方的绳子,轻轻转动手腕,带动小球做圆周运动;③ 圆盘带动法:将画有同心圆的白纸贴在一个圆盘上,小球静止时在圆心处,此时绳子稍松弛,然后用电机带动圆盘匀速转动,圆盘再带动小球做圆周运动,小球离开圆盘后做的就是匀速圆周运动．

1.3 反思完善

在注重概念、规律教学的基础上,还要注意将这些概念规律适时加以提升,逐步形成正确的物理观念．[2]教学中,必须使学生理解概念的内涵,了解概念的外延,了解概念与有关概念的联系和区别,懂得研究物理规律的方法,理解物理规律的物理意义,明确物理规律的适用条件,认清所研究的物理规律与有关的物理概念和物理规律之间的关系,所以课堂上需要留给学生一定的时间用以整合或重组与改造自己原有的认知结构．

围绕物质、运动、相互作用、能量这些核心概念,学生从初中开始就陆陆续续学习了不少概念和规律,它们有进阶性和系统性．为了帮助学生深刻地理解知识,提炼物理观念,有效地解决问题,还需要在教学过程适时地帮助学生构建知识体系．例如,能量观念是通过逐渐学习动能、重力势能、弹性势能、机械能、电势能、波传播或携带能量、分子势能、内能、核能及能量转化与守恒等而逐渐形成和发展的．

课例片段5：选用合适的运动学公式解决问题.

匀变速直线运动公式中共涉及5个物理量:v0、v、a、t和x,公式的选用可参考表3所列方法.

表3 匀变速直线运动公式的选用

以上4个公式都是矢量式,直线运动可以用正、负号表示矢量的方向．一般情况下,规定初速度的方向为正方向,与初速度同向的物理量取正值,反向的物理量取负值．当v0=0时,一般以a的方向为正方向．

请选用合适的公式解决下面的问题:汽车由静止出发做匀加速直线运动,用10 s时间通过一座长140 m的桥,过桥后汽车的速度是16 m/s．求:

(1) 它刚上桥头时的速度是多大?

(2) 桥头与出发点之间的距离是多大?

学生学习了几个运动学公式后,头脑中比较混乱,本课例的设计可以让学生了解4个运动学公式使用的最佳条件,形成关于匀变速直线运动规律的知识体系,从而在遇到具体问题时可以轻松选择适合的公式进行解题,提升解题速度和正确率．

1.4 应用迁移

在学生形成物理观念后,需要及时给他们提供应用观念解决问题的机会．通过解决具体问题,学生可以巩固、深化和活化对相关概念和规律的理解,可以体悟分析问题和解决问题的思路和方法,提升问题解决能力,认识物理学的价值与社会、生活、科技、环境间的联系．

课例片段6：自由落体运动规律的应用.

日常工作中,有时需要人们反应灵敏,对于战士、驾驶员、运动员等更是如此．从发现情况到采取相应行动经过的时间叫反应时间．

(1) 请和邻近的一位同学合作测出自己的反应时间．

操作方法:如图6所示,图甲中A握住尺的上端,B在尺的下部做握尺的准备(但不与尺接触),当看到A放开手时,B立刻握住尺．若B做握尺准备时,手指位置如图乙所示,而握住尺时的位置如图丙所示,通过尺的下落高度可以计算反应时间．

图6 用直尺测量反应时间

(2) 你和图中的B同学谁的反应时间短?定性比较时需要计算出B同学的反应时间吗?

(3) 某学生把“刻度尺”改造成“反应时间尺”,可以直接读出反应时间．“反应时间尺”上的时间标度均匀吗?

课例通过反应时间的测量与比较,不仅引导学生在体验中应用自由落体运动的规律,同时拓展了物理与生活、社会之间的认识．课例中,反应时间的比较可以根据自由落体运动的位移公式,转化为比较尺下落的高度.这样的问题可以增强学生灵活解决问题的意识．学生生活中所见的测量仪器的刻度一般都是均匀的,如刻度尺、弹簧秤、电流表刻度盘等,课例中自制“反应时间尺”上不均匀的刻度,可以让学生产生认知冲突,转化前概念,为以后欧姆表的教学奠定基础．

当然,不是所有物理观念的教学均需要有以上的4个环节．例如,当学生通过阅读教材就能很容易地“同化”某个概念时,教学中可以直接设置问题情境,让学生应用此概念解决相关问题．

2 物理观念的评价

评价是为了改进教师教学和促进学生学习,并最终提升学生的物理核心素养．

2.1 质量水平

根据学生在不同复杂程度情境中运用重要概念、思维、方法和观念等解决问题的关键特征,《课标》的“学业质量”部分将核心素养的4个方面划分了5级水平,关于“物理观念”的5级水平描述如表4所示．[3]

从“初步了解”“了解”“理解”“清晰、系统地理解”等用词,各级学业质量水平循序渐进,学业质量水平2是学业水平合格考试的命题依据,水平4是用于高校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据,水平5为高校自主招生的要求．布鲁姆教育目标分类学的认知过程的有6个维度:记忆(回忆)、理解、应用、分析、评价和创造．[4]学业质量水平1～2大致与记忆(回忆)和理解对应,水平3～4大致与应用、分析和评价相对应,水平5大致与创造相对应．

表4 “物理观念”的5级水平

2.2 评价方式

《课标》指出日常学习评价通常有4种方式:课堂问答、书面评语、自我评价和同伴评价、阶段性测试．[5]

课堂问答、自我评价和同伴评价主要发生在课堂教学中的“学习交流“、“反思完善”、“应用迁移”环节,是发生在教师与学生、学生与学生和学生自己(元认知)之间的定性的过程性评价,正面积极的评价有助于学生学习潜能的开发．

书面评语是教师利用评语对学生书面作业进行的过程性评价,可具体说明学生的进步、存在的问题或努力的方向．书面评语能让学生感受到教师对他的帮助和关心．

阶段性测试是为了解学生经过一个阶段学习之后的学习水平与存在的问题．测试试题的命制要围绕课程内容和学业质量要求的规定,科学、有效地反映出学生的水平．

2.3 试题案例

试题的探究性和情境性可以有效了解和探知学生物理观念的质量水平．[6]

图7 装置图

试题案例：如图7所示,将一质量为m的可视为质点的物块放到倾角为θ的光滑木板上,物块距木板底端的水平距离为L．已知重力加速度为g,求:

(1) 物块从静止开始运动到木板底端时的速度大小;

(2) 为使物块与木板相对静止,请分别设计出物块在水平面内做不同轨迹运动的两种方案(需要根据题设条件求出相应情境下物块运动的1～2个物理量)．

测试类型：学完《课标》必修2“曲线运动与万有引力定律”主题之后的阶段性测试.

测试目标：第(1)问达到物理观念质量水平2的要求,主要考查物理学科核心素养中“物理观念”的运动与相互作用观念和“科学思维”中的模型建构．学生要能从物理情境中构建物体做匀加速直线运动的模型,利用相互作用与运动的知识解决问题．第(2)问达到物理观念质量水平4的要求,主要考查物理学科核心素养中“物理观念”的运动与相互作用观念和“科学思维”中的模型建构和科学论证能力．学生要能根据问题情境构建运动的模型,并能运用证据描述运动模型．

参考答案：