注重学习过程 聚焦可视思维——高中物理习题教学中思维可视化应用的实践探索

沈 榴

(江苏省前黄高级中学国际分校)

一、问题的提出

高中物理习题教学是物理课堂的重要组成部分,既能夯实学生的必备知识,培养物理观念,又能加深对物理概念、规律的理解与应用,提升学生的思维品质,引导从“解题”逐渐转变为“解决问题”。物理是一门思维逻辑性很强的学科,传统的习题教学重视“大运动量”训练,而忽视思维发展,注重知识灌输,而较少考虑学生知识习得过程性的价值,导致学生在分析、解决问题时只会生搬硬套,不会灵活迁移,科学思维得不到提升,“听得懂,不会做”现象变得愈加普遍。因此,发展学生的科学思维应当成为“双减”和“核心素养”背景下的高中物理习题教学的重要目标,而思维可视化是实现这一目标的有效方式。

思维可视化是指运用一系列图示、实验、动画等手段把本不可视的思维用易于理解的方式清晰地呈现出来的过程。聚焦可视思维,将情境知识本质化,抽象问题直观化,方法过程结构化,可以有效突破教学过程中的难点,促进学生对知识规律的理解与运用,提升学生的思维品质。

二、例析习题教学中的思维可视化手段

思维能力是核心素养的重要组成部分,为了更好地还原物理学的本质,落实核心素养的培养,教师可以创设多元化的教学情境,丰富课堂的教学资源与手段,把不可见的思路和想法呈现出来,在思维可视化教学中激发学生的学习兴趣,促进学生掌握和理解核心知识,提升关键能力,助力习题教学提质增效。

1.可视化教具——将情境知识本质化

物理实验是核心素养发展的良好生长点和重要发展途径,教学中很多老师都有这样的感受:辛辛苦苦讲解原理千遍,不如认认真真做实验一遍。由此可见,物理实验教学有利于促进学生形成物理观念,有利于发展学生的科学思维。因此,教师可以创设多样的情境化实验,利用可视化教具帮助学生理解其物理本质,做到情境知识本质化,更好地激发学生学习物理的兴趣,实现“从隐性到显性、从静态到动态”的转变。

【例1】零刻度在表盘正中间的电流计,非常灵敏,通入电流后,线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹力作用达到平衡时,指针在示数附近的摆动很难停下,使读数变得困难。在指针转轴上装上扇形铝框或扇形铝板,在合适区域加上磁场,可以解决此困难。下列方案合理的是

( )

A

B

C

D

【答案】D

【解析】本题考查电磁阻尼的原理,以探究灵敏电流计的指针快速停下为真实情境,要求学生结合电磁感应现象对上述四个方案进行分析,强化对电磁阻尼的理解与应用。学生不会从情境中提取信息、建构模型,不知其知识本质,无法分析铝框与铝板、磁场在中央与侧边的区别,基于知识本身的抽象性,因此教师可以将其制成教具进行课堂演示,如图1所示,学生能非常直观地看到磁场在侧边时,不论是铝框还是铝板,指针都不能很快停下,而磁场在中央时,铝板的效果要比铝框好很多,学生在观察、体验中建构物理知识,掌握物理规律,有利于对知识原理的再理解和再认知,提升关键能力,从而有效突破教学的重难点。

图1

2.多媒体情境——将抽象问题直观化

多媒体技术是一种重要的思维可视化手段,在教学中使用较多的有希沃白板、几何画板、物理实验室AR、GeoGebra软件等,不仅可以丰富教学资源,将一些不易演示的实验“搬进”课堂,而且可以通过多渠道刺激学生的感官,极大地降低了学生的认知难度,将抽象的问题直观化,从而激活学生思维。

【例2】如图2所示,电荷量为Q的正电荷均匀地分布在半径为r的圆环上。M为圆环平面内的点,过圆心O点的x轴垂直于环面,N为x轴上一点,ON=h,则

( )

图2

A.M、O两点场强都为零

B.M、O、N三点O点电势最高

D.过M点以O点为圆心的圆是一条等势线

【答案】D

图3

图4

上述分析方法要求学生具备高阶思维,对学生来说难度较大,而在实际教学中,上述方法讲解后仍有不少学生对于均匀带电圆环在其周围空间产生的电场分布情况模糊不清,因此笔者借助物理实验室AR模拟了均匀带正电的圆环产生的电场线分布,如图5所示,在一定程度上助力学生的认识从理性理解到感性认知,从抽象模糊到直观透彻。此外,还可以模拟不同种类的均匀带电圆环在其周围产生的电场分布,如图6所示,引导一题多变,以此来辅助变式教学,促进学生思维方式的不断进阶。

图5

图6

3.思维导图——将方法过程结构化

思维导图可以将零散的知识由点、线、面至网层层铺开,助力学生构建系统的网状知识结构,同时也可以在习题教学中把一个复杂的大问题分解成若干简单而具体的小问题,实现解题方法、思维过程显性化、结构化,逐步训练学生的推理思维与发散思维。

【例3】如图7中的广告形象地描述了高空坠物对人伤害的严重性。小明用以下实例检验广告词的科学性:设一个50 g鸡蛋从18楼窗户落下,相邻楼层高度差为3 m,与地面撞击时鸡蛋的竖直尺度为5 cm,认为鸡蛋下沿落地后,其上沿是匀减速运动,且上沿运动到地面时恰好静止,以鸡蛋上、下沿落地时间间隔作为鸡蛋与地面的撞击时间。空气阻力不计。试估算该下落鸡蛋对地面的平均撞击力有多大?

图7

学生从情境中提取物理信息,经小组讨论、合作探究,在互动中碰撞出火花,教师展示思维导图(如图8),把知识由点到线,由线带面层层铺开,在构图过程中展示解题过程,渗透解题方法,训练学生的逻辑思维和发散思维,实现解题方法与过程的结构化、系统化、可视化,同时本题也培养学生对传媒的物理描述进行质疑和检验的意识,进一步增强学生的“证据意识”,提升学生的学科核心素养。

图8

情境可以不断创新,但知识的逻辑呈现是不变的,将思维导图融入习题教学,引导学生提炼关键信息、有序推进物理问题的解决,可以使课堂变得更加灵动、有趣,从而提升学生思维的品质,促进深度学习,图9是学生运用动量定理解决生活真实情境问题的思路分析。

图9

三、思维可视化对物理习题教学的启示

在这个知识爆炸的时代,思维比知识更为重要,过程比结果更有价值。顾明远强调:“教育的本质是培养思维。”利用思维可视化,把思维难点再现在学生的最近发展区内,有利于突破习题教学的难点,发展科学思维,增强学生克服困难的信心,进一步推进教师的专业化发展。

1.重视问题情境设计,在思疑中培养建模能力

美国著名学者哈尔莫斯说过:“有了问题,思维才有方向;有了问题,思维才有动力;有了问题,思维才有创新。”《中国高考评价体系》也创造性地提出了以能够真实反映考生素质的问题情境作为考查载体,所以,在物理习题教学中应创设真实、适宜的物理情境,让学生通过情境发现和提炼物理问题,激发主动思考,而教师设计有效问题,引导学生在情境中提取关键信息,调动已学知识进行科学建模。比如在习题设计时,教师可以创设“列车进站时的电磁制动”为问题情境供学生讨论,有意识地在教学中培养其建构“等效电路”模型的能力和逻辑推理能力,进一步落实核心素养的培养目标。

2.革新教学理念与方式,在问题解决中提升思维能力

在新课改理念指导下,师生必须及时转变教学观念,创新教学方式,应当由重数量向重质量转变,由知识至上向素养发展转变,高中物理习题教学亦如此。传统的习题教学中老师们亲历过这样的一些现象:只要题干的条件稍微一变,学生就会落入陷阱;知识、原理讲了很多遍,学生依旧理解不透彻到位……以上的无力感,究其本质在于学生并没有发生深度学习。因此习题教学应以思维培养为核心,以问题导向为途径,以问题解决为目的,引导学生对问题进行深入探究,把握核心知识与物理规律的本质内涵和联系,促进学生的思维在问题解决的过程中不断进阶,而不是简单机械地记忆公式。

3.关注科技进步与时代发展,在育人中发展学习内驱力

近几年各地的物理高考出现了许多以社会热点时事和前沿科技成果为真实情境的试题,以此来考查学生解决真实问题的能力,提升关键能力。新教材中也注重和实际生活的联系,更多地融入了生活情境,体现“生活即教育”,比如例题3中的高空坠物情境,每年都有新闻播报因高空坠物导致的悲剧事件,学生通过提取信息、推理论证得到撞击力带来的伤害,以此加深学生对高空坠物危害的认识。因此在遴选习题时,教师应依据课程标准,充分挖掘和整合教材资源,选取具有鲜明时代性、民族性或科技发展最新进展类的素材,以此激发学生学习的兴趣,引发学习内驱力,增强社会责任感,体现物理学科的育人价值。