情境理论下培养学生物理观念的教学途径探讨——以“液体的表面张力”概念课为例

郑映凤 麦建华 杨昌彪

(1. 广东省徐闻县第一中学,广东 湛江 524100; 2. 岭南师范学院附属中学,广东 湛江 524048)

物理学研究内容是宇宙的基本组成部分:物质、能量、空间、时间及其相互关系.新课标明确要求高中物理教学要培养学生物理观念,但实际上,学生平常学习的往往是物理概念或物理规律.物理概念只是知识,而不是观念,因此教学就陷入困局:知道要培养学生的物理观念,但教的却是概念,概念如何才能转变成观念?有什么途径吗?今昔概念教学的区别在哪里?如何才能实现从三维目标到核心素养目标的教育目的呢? 基于这些问题的思考,本文以“液体的表面张力”概念课举例分析,探讨了基于情境理论下培养学生物理观念的教学途径,展示如何在概念课中慢慢地培养学生的物理观念.

1 相关概念的界定

1.1 物理课程标准中的物理观念

物理观念是基于物理概念和客观规律,经过逻辑加工的一种物理哲学思想,是从物理学视角形成的关于物质、运动、相互作用与能量等的基本认识,是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华,是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.物理观念包括物质观、运动观、相互作用观和能量观.[1]其中物理观念形成过程的架构为:事实经验、概念规律、核心概念、物理观念、应用实践、迁移创新.[2]物理观念形成的初级标志是能将物理概念规律等知识迁移应用于实际问题中,如解释自然现象或解决实际问题,终极标志是学生能实现思维上的迁移创新.

1.2 物理概念

物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特性在人们头脑中的反映,是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式.[3]这一性质决定了物理概念的抽象性.[4]这也意味着物理概念是从大量、具体、形象的现象或事实中产生的.

1.3 情境与情境教学

情境就是影响个体行为变化的各种刺激的自然现象所构成的特殊环境,往往被认为是展开的有一定事实情节的环境.情境教学的概念,首先由布朗、科林斯和杜吉德于1989年在“情境认知与学习文化”的论文中提出:“知识只有在它们产生及应用的情境中才能产生意义.”情境教学要求教师根据教学目的的需要,调节情节与环境二者的地位,并对其进行改造,使之能激发学生的兴趣、启发学生的思维、开发学生的探究能力等,从而提高教学的成效.[4]情境的形式一般是真实、具体、形象、能够提出待研究问题、能够提供学习信息的文字资料、图片资料、视频资料或实体场景.有效的情境必须具备趣味性、问题性、启迪性、关联性、任务性、构建性和有效性等性质.

2 情境理论下的高中物理概念课教学

2.1 情境与物理概念、物理观念之间的逻辑关系

由情境认知理论可知,物理概念只有在它们产生及应用的情境中才能产生意义.物理概念绝不能从它本身所处的环境中孤立出来.学习物理概念的最好方法就是在现象事实所构成的情境中进行.其中,物理概念具有客观性,物理观念具有相对主观性,因为物理观念是本体主观地将物理知识通过某种途径综合起来最终形成的知识体系.因此,情境、物理概念与物理观念之间存在一定的教学逻辑关系(图1).

图1 概念培养物理观念的教学逻辑关系

2.2 情境理论下的高中物理概念课教学途径

《普通高中物理课程标准(2020年修订)》明确建议:物理概念的建立需要创设情境.从对教材的观察与对课堂教学的实践研究中,可知物理学科所用的情境主要来源于生活生产、自然现象、科研前沿、物理学史和理论探究等,因此物理教学所创设的情境类型主要有生活生产情境、体验情境、实验情境、科研探索情境、理论情境、故事情境、问题情境等.综合物理情境的类型、情境的性质和图1的教学逻辑关系,本文提出基于情境理论下的物理概念课培养学生物理观念的教学途径(如图2所示),简称情境式概念课教学. 情境式概念课教学主要有4个关键环节:抓住趣味性,创设体验情境,唤醒学生物理常识,引出物理概念;注重启迪性,创设实验情境,从特点性质方面修正物理概念,使学生萌发物理意识;利用质疑性,创设理论情境,从不同角度完善物理概念,发展学生的物理知识;注重关联性,创设应用情境,最后迁移物理概念去解决问题,检验学生的物理知识形成程度,若最后能在学生的大脑中构建完整的知识体系,那就证明了学生已经形成了相关方面的物理观念.

图2 情境教学培养物理观念的教学途径

3 情境式概念课教学案例

“液体的表面张力”是物理选择性必修第3册的一个课例.下面我们从课标、学情和教材几个方面来分析,以期从中找出课例的教学目标和合适的教学途径.

3.1 课标分析

“液体的表面张力” 的课标内容:通过观察液体的表面张力现象,了解表面张力产生的原因,知道毛细现象.很明显,这个课例重在现象观察,因此本课例非常适合用情境式概念课教学途径进行授课.教师在授课时要有意识地创设与液体关联的情境,在课堂上给学生提供理解表面张力的经验情境,引导学生从生活情境中去观察液体表面现象,从实验情境中发现液体表面特点、从理论情境中论证液体表面的本质特征、从应用情境中(如浸润、不浸润或毛细现象)应用表面张力概念.

3.2 学情分析

学生对液体的现象并不陌生,但对表面张力概念陌生,因为以往的经验没有出现过表面张力概念,学生头脑中基本没有表面张力的意识.鉴于对浮力的学习经验,学生会混淆浮力与表面张力概念,产生疑惑,陷于迷思概念状态中,所以“液体的表面张力”的教学建议从熟悉的日常现象中出发,试着把生活现象创设成生活情境、体验情境、实验情境等供学生思考的课堂经验.

3.3 教材分析

为了能更好地把握这节课的突破口和落脚点,我们对比分析了当前5个版本的教材,具体如表1所示,以期给概念课教学带来事半功倍的效果.

表1 “液体的表面张力”的5种版本教材分析

3.4 教学目标

综上所述,本课例是一般概念课,会经历一般概念、学科初级概念、学科大概念过程来培养学生物理观念,对情境非常倚重,因此,本课例的教学目的就是要通过创设相关情境,使复杂问题简单化,使抽象概念形象化,使知识角度多面化,引导学生观察现象,理解表面张力,能用表面张力知识解释自然现象,完善对液体的认识,形成相对完整、科学的液体观念.通过创设问题情境发展学生的物理观念,发展学生观察、分析、推理、论证等科学思维;通过创设实验情境发展学生的科学探究能力;通过创设实验情境培养学生严谨认真、实事求是的科学态度及科学精神.

3.5 教学过程

根据情境式概念课教学途径,我们把情境式概念课教学中的主要4个关键环节,分成以下4个步骤去组织课堂教学.

第1步:体验情境,唤醒物理常识,引出物理概念.

创设体验情境:展示停水面的水黾和浮水面的硬币相片(图3),提供回形针和装水的烧杯(图4).

图3 生活情境

图4 体验情境

情境活动与任务.

活动任务1:学生观察图片,讨论“为什么轻小物体能浮在水面,而不沉入水中”原因.

活动任务2:学生把回形针轻轻放在装有水的烧杯里,观察并分析回形针浮力情况.

设计意图:以熟悉的生活现象为情境,引起学生的兴趣;关注学生元认知,激发认知冲突,为表面张力概念做铺垫.

实践分析:生活情境使学生觉得物理亲切,又能引出学生的元认知,导致学生能用物理学角度“重力浮力”的观念分析问题;体验情境又使学生觉得物理好玩有趣,同时在视觉冲击中暴露了元认知的不足,激发学生学习的动力和好胜心.

创设生活情境:展示气球与水珠、静止在保鲜膜上的手机和停在水上的水黾(图5);播放CCTV9纪录片《隐形世界》视频.

情境活动与任务.

活动任务1:教师提出问题:液体的表面有什么特点呢?学生观察并猜测,液体表面类似气球膜和保鲜膜一样有弹性,能收缩和支撑其他物体.

活动任务2:学生从视频中发现水滴下落在水面上,水面没有被撕破,只是被拉伸了再将水滴弹回空中,水面上就像有一层弹性薄膜.

活动任务3:师生概括归纳,由于液体表面绷紧得像一张弹性薄膜,能对停在液体表面的物体起到支撑的作用.在物理学上,我们把液体表面能产生一种使液体表面绷紧得像弹性薄膜的力叫作液体表面张力.

设计意图:对比情境学习,以旧唤新,符合学生的认知规律,锻炼学生的类比思维,锻炼学生从不同现象中找共性,然后概括归纳概念的能力.

实践分析:从对比情境中,学生猜测液体表面也像弹性薄膜一样;从视频情境中,学生感觉自己的猜测成立,心中自我构建液体表面特点和理解了物体能浮在水面的原因,最后从现象共性中构建新概念.

第2步:实验情境,修正物理概念,萌发物理意识.

创设实验情境:一个装有肥皂水的烧杯、一个带有细线的圆环和一根烧红的针(图6).

图6 探究实验情境

情境活动与任务.

活动任务1:学生把圆环放入肥皂水中使其沾上肥皂薄膜,再用烧热的针刺破薄膜一侧,学生观察薄膜的变化情况.

活动任务2:教师给学生演示在酒精或柴油中的水滴,即平衡状态下的水滴;教师播放太空飞船中的水滴视频,即完全失重状态下的水滴(图7).

图7 验证实验情境

设计意图:探究实验情境能使学生找出表面张力的特点,验证实验情境使学生从理想回归现实,既能补充表面张力的特点,又能修正表面张力与现实的差异.

实践分析:实验探究情境使学生学习热情高涨,动手操作带来兴奋,同时能近距离观察实验现象,认真细致找表面张力的特点.然而现实中椭圆形的水滴又狠狠打脸,使学生很困惑痛苦,此时演示式的验证实验又为学生拨开眼前的迷雾,大量情境视觉刺激,感性理性思维交互,激发学生的物理意识萌芽.

第3步:理论情境,完善物理概念,发展物理知识.

创设理论情境:表面张力为什么能使液体收缩呢?

情境活动与任务.

活动任务1:教师提出问题:生活中哪些力也能产生收缩的效果呢,在什么状态下能产生收缩的效果?学生联想并关联迁移应用其他知识,如用弹簧的弹力特点来解释.

活动任务2:教师提出问题:液体分子什么情况下也会产生收缩的引力,跟液体表面有什么关系吗?学生联想,关联最近发展区知识,如分子动理论,分析论证(图8).

图8 理论情境

创设体验情境:一把小刀、保鲜膜、气球(图9).

图9 类比情境

情境活动与任务.

活动任务:教师提出问题:液体表面张力是分子引力的宏观表现,力是矢量,既有大小又有方向.高中阶段我们不需要研究表面张力大小,但需要研究表面张力方向,那么我们应该如何描述液体表面张力的方向?学生用锋利的小刀划破膨胀的气球或用力撕拉绷紧的保鲜膜,再类比推理,找出表面张力的方向,即表面张力(如F1、F2)的方向与液面相切,总是跟这部分液面的分界线垂直(图10).

图10 理论情境

设计意图:衔接表面张力特点,进阶学习液体产生收缩特点的原因,逻辑合理.类比情境能启迪学生思维,使学生正确思考,容易想到的关键词,有利于学生解决理论情境下的问题,完善概念内容,突破本节课的重难点,养成宏观、微观多角度科学思考的好习惯.

实践分析:理论情境问题驱动学生联想,从关键词很快说出弹力和弹簧平衡位置.类比情境使学生易得到猜测,再关联迁移分子动理论知识,有水到渠成的效果,有效的情境和点睛式的问题完全能引导学生完成对概念的完善、对知识的构建、组建完整的知识体系(物理观念).

第4步:应用情境,应用物理概念,检验物理知识.

创设应用情境:水银分别滴在玻璃和雨伞上、水滴在玻璃上、毛笔沾上墨汁(图11).

创设探究实验情境:玻璃管插入液体中(图12).

图12 探究实验情境

创设问题情境:我国为纪念孙中山逝世3周年将植树节定于每年3月12日,植树节是按照法律规定宣传保护树木,并组织动员群众积极参加以植树造林为活动内容的节日.提倡通过这种活动,激发人们爱林造林的热情、意识到环保的重要性.种植树木的时候为什么要用力踩实泥土,而农民为什么要经常给土地松土呢?

情境活动与任务.

活动任务1:教师展示应用情境图片,学生观察图片特点,应用表面张力知识解释现象原因.

活动任务2:学生分别把粗细相同的玻璃管插入清水和红墨水中,观察实验现象;教师播放玻璃管插入水银中的实验,学生观看实验现象,概括归纳浸润不浸润概念,对比分析两种实验结果,并猜测原因,分子力的不同作用情况.

活动任务3:学生把粗细相同的玻璃管插入清水中,观察实验现象,构建毛细现象概念.

活动任务4:教师出示问题情境,学生根据信息的提示,应用表面张力、浸润现象、不浸润现象和毛细现象知识解释交流,解决问题.

设计意图:通过应用情境、验证情境和问题情境,关联生活生产事实,使学生构建表面张力下的子概念,发展学生解释交流、解决问题的能力,检验学生物理观念形成的程度.

实践分析:应用情境使学生亲切,觉得物理来源于生活应用于生活,有学以致用的心理.探究情境使学生积极性被调动起来,能发展学生基于证据思考的科学习惯,同时又锻炼了学生的科学探究能力.问题情境给学生展现交流解释、表现自己的机会,同时也能把关本节课的学习掌握程度.

4 结束语

物理概念是培养学生物理观念的载体,情境能为物理概念教学提供大量、具体和形象的素材,因此,情境式概念课教学培养学生物理观念的教学途径值得借鉴.在具体操作中,教师需要注意以下两点:(1) 要把握好情境的趣味性、问题性、启迪性、关联性、任务性、构建性、有效性和目的性等性质,试着从情境的性质入手有效创设适当类型的情境;(2) 要从情境中渗透常识、意识、知识到观念,循序渐进地有效培养学生的物理观念.