巧用活动设计,突破思维障碍提升科学思维

赵 丹

《普通高中物理课程标准》指出物理教学应以培养学生适应终身发展的能力为教学目标。教学活动中应以此目标为指引,注重学生的经历体验,重视发展学生的科学思维能力,提升学生的科学素养。而在以往的教学中,教师关注的重点是学生知识的掌握情况,为了达到此目的,会进行大量的习题训练。长此以往学生学到的通常是解题的技巧,失去了对物理问题探索的欲望,形成专注解题的思维模式。当遇到具体情景的物理问题时,由于思维的干扰性和片面性,学生会遇到一定的思维障碍。与习题训练相比教学活动更应该关注的是如何突破学生的思维障碍,提升学生的科学思维能力。本文中通过目标明确的活动设计,创设一定的问题情景,引领学生经历知识观念的建立过程,在探究体验中思维碰撞,突破思维障碍,解决实际问题,提升科学思维品质。

一、由宏观到微观,类比问题情景

由于缺乏微观世界的了解和认识,对于微观世界抽象的概念和规律,学生很难建立起正确的观念。如何突破由宏观到微观的思维障碍? 这里可以采用类比的方法,创计一个类似的宏观情景,并与微观问题进行对比来实现。学生通过活动的讨论与探究,逐步的学会从复杂的情境中把所研究的问题剥离出来,建立正确的物理模型,实现由宏观到微观的转变。

案例1:《单分子油膜法估测分子的大小》是学生走进微观世界的大门,是学生了解微观世界物理规律的伊始。该实验中,学生需完成利用宏观物理量的测量来完成微观量的估测。在实验原理的讨论环节中有一个难点内容:如何建立单分子油膜的物理模型。对于完全陌生的微观世界,学生很难正确的建立物理模型。这里可以设计以下类比讨论活动,来实现由宏观到微观世界的转变。

【学生活动】:小组讨论如何测量一颗绿豆直径的大小

【实验器材】:刻度尺、直角三角尺(两个)、量筒、画有方格的白纸

【方案1】:将N个绿豆排成一列,测量这一列绿豆的总长度L,通过计算得到一颗绿豆的直径D=L/N。

【方案2】:利用“排水法”测量出绿豆的体积V0,然后通过V0=公式计算出绿豆的直径D。

【方案3】:利用“排水法”测量出N 颗绿豆的总体积V,计算出一颗绿豆的体积V0=V/N,然后通过公式计算出绿豆的直径。

【方案4】:利用“排水法”测量若干绿豆的体积V,然后把绿豆平铺成紧密排列的图形,测出其面积S,根据D=V/S计算得到绿豆的厚度(绿豆的直径)。

经过小组讨论,学生比较容易得到方案1、2、3。教师可以利用实物模型引导学生得到实验方案4,通过寻找测量微小尺度的方法,渗透累计放大的物理思想。并类比测量一颗绿豆直径大小的方法,引导学生分析如何实现油酸分子直径的测量,正确地建立单分子油膜模型。通过宏观实验与微观相关问题的类比,学生经历了实验方案的形成过程,加强了对实验原理的理解,逐步形成正确的物理观念。

二、由现象到本质,再现物理过程

习题教学中存在着重计算结果,轻思维过程的现状。而习题教学的有效性,不仅影响着学生知识的掌握水平而且也影响着思维能力、探究能力的提升。在以往的反馈中,常常会发现由于学生思维存在着片面性,凭借对问题的粗浅了解和草率分析就得出结论,对于物理过程的本质不能深入理解,以至于不能正确的解决问题。因此习题课教学中,突破学生思维障碍的关键在于让学生深入地了解物理现象,理清物理过程,以此达到从简单的低阶思维上升到高阶思维的目的。本案例,创设实验探究活动,引导学生从理论分析和实验探究两个角度对物理问题进行分析。

案例2:如图所示,一根长L的细绳,固定在O点,绳另一端系一条质量为m的小球。使细绳与水平方向成θ=30°角。求小球从A点由静止释放后到达最低点C的速度。(L=36.5cm,g=9.8m/s2)

分析过程:大部分学生在分析时,认为小球从A点运动到C点的过程中小球的机械能守恒。

【理论运算】:根据机械能守恒定律,求解过程如下:

解得:vC=2gL(1+sinθ) ≈3.28m/s

【实验探究】利用光电门传感器,在实验中测量相同情景中小球在最低点的速度VC,测得实验数据为VC=1.946m/s。(实验所需器材:光电门传感器,数据采集器,计算机,固定轻绳的小球)

【发现与讨论】小球在最低点C点的速度实验测量值1.946m/s2明显小于理论运算值3.28m/s。请学生结合小球的运动过程思考,实验测量值小于理论运算值的原因。大部分学生会猜想是由于空气阻力做功,导致了机械能的损失ΔE机1。同学们的猜想是否正确,用实验来检验。将小球拉至水平位置的D点,轻绳处于拉直状态,静止释放小球,测量其运动到C点的速度,计算出小球从点D到点C的过程中的机械能损失ΔE机2。比较两个过程中机械能损失ΔE机1和ΔE机2的大小,学生很容易判断之前的猜想是错误的。针对案例2 中物理过程的问题情境作细节性分析,可分为自由落体运动、绳子绷直、圆周运动三个阶段。引导学生进一步讨论,前后两个过程由于只有重力做功,机械能守恒。机械能损失一定发生在绳子绷直这一阶段。进而从理论上分析,绳子绷直时在沿绳收缩的方向上产生弹力,产生加速度,使该方向上的分速度减小为零。从能量转化的角度来分析,由于绳的拉力对小球做负功,小球的部分机械能转化为绳子内能,因此绳子绷直这一阶段小球的机械能并不守恒。

教学过程中利用实验活动把轻绳做功这个抽象的物理问题直观化,让学生从数据上感受轻绳做功的存在,激发学生探究的强烈欲望和深入思考。在理论运算、实验探究、启发讨论的基础上,以学生为中心开展问题求解的学习活动,发展学生的思维深度,提升学生对物理过程本质的深度认识。学习过程中,学生面对真实的物理情境,利用理论分析和实验探究双重角度,发现问题并作出科学分析,促进高阶思维的形成。通过物理过程的再现,激发学生的深入思考,在矛盾结果的讨论中,促进科学思维和科学探究能力的提升。

三、由生活概念到物理观念,创设课外探究活动

凭借生活中的经历,学生头脑中会建立一些与物理学习有关的前置概念。其中有些正确的前置概念对物理学习有正面作用,但也有些生活概念由于本身存在错误,或由于生活概念与物理观念之间存在区别,对物理的学习造成一定的阻碍。科学思维培养存在一定的干扰性,因此部分学生在由生活概念迁移到物理观念时,会存在一定的思维障碍。而正确观念的形成应该在具体的问题情境中,通过活动参与,在探究讨论中逐步建构来实现。因此在将生活概念转变到物理观念这个问题上,创设情景提供平台让学生参与探究是一条有效途径。

案例3:《超重与失重》这节课是牛顿第二定律的一节理论应用课。在学习这节课之前,部分学生在生活中会建立起超重就是重力增加,失重就是减小的生活概念。如何厘清这个错误的概念? 本案例中,学生通过课外探究活动发现生活概念的错误所在,并在教师的引导下逐步建立正确的物理观念。

【学生活动】:请学生按照小组,利用业余时间参与探究活动。在观光电梯内录制视频:体重计示数的变化,并完成数据记录。

电梯状态:静止 加速上升 匀速上升 减速上升

体重计示数:__________________________________________

电梯状态:静止 加速下降 匀速下降 减速下降

体重计示数:__________________________________________

通过确凿的实验数据的分析,学生会意识到生活概念的不准确性,并通过讨论得到视重(体重计上的示数)、实重(物体实际受到的重力)的含义,最终通过视重和实重的对比,结合物体的运动情况分析,建立起超重和失重的物理观念。活动的参与过程中,学生录制实验视频和观察实验数据,并实事求是地对数据进行分析研讨,更新了原有头脑中错误的生活概念的同时,也实现了将学习兴趣转化为合作探究的能力。

本文中的三个教学案例,巧妙地利用活动设计,有目的有计划地开展教学活动,促进学生物理知识的建构,加强学生在探究经历中的体验,激发学生在体验中的深度思考。学生在活动中,通过合作交流和实践探究,提升了实验观察的能力和勇于提出质疑的勇气,突破原有的思维障碍。通过知识方法的类比迁移、理论实验的对比探究、感性思维理性思维的碰撞,促进物理观念的形成和科学思维能力的提升。