指向迷思概念转变的高中物理教学探讨——以“弹力”教学为例

陈伟明 周 勋

(贵州师范大学物理与电子科学学院,贵州 贵阳 550025)

有些教师在物理教学中往往忽视学生的已有认知,采用灌输方式开展教学,学生虽说接受了大量的知识,但缺少对知识的充分思考,在对一些基本概念尚未完全理解的情况下就进入了下一章节的学习,迷思概念没有得到转变,造成学习困难。专家型教师往往能够对学生的迷思概念了然于心,并清楚地知道其产生的原因,通过有效的教学帮助学生转变迷思概念,提高课堂效率和学生的学习效果。所以诊断与了解学生可能存在的迷思概念,通过一定的方式帮助学生转变迷思概念很有必要。

1 迷思概念与前概念

《普通高中物理课程标准( 2017 年版)》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”四个方面。物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华。[1]学生在正式学习之前,常常对将要学习的知识有一定的认识,这部分认知中有的是正确的,有的则存在错误,我们将其称为前概念。迷思概念则指学生在构建科学概念的过程中由于自身经验或所处环境的影响从而产生的模糊、模棱两可或与科学认识背道而驰的认识。迷思概念作为科学概念形成的原初状态,既是课堂教学的“生长点”,也是新旧知识间的桥梁,会妨碍学生对新知识的理解,或与所学结合生成新的迷思概念。[2]迷思概念具有普遍性、隐蔽性、顽固性和反复性的特点。[3]

2 指向迷思概念转变的教学设计

在教学中应采用合适的方式诊断学生的迷思概念,并通过有效的教学帮助学生转变迷思概念,从而建构科学概念。在学习“弹力”一节时,学生往往对于弹力产生的条件、弹力的方向以及哪些常见的力属于弹力等存在错误认知,应针对学生存在的问题并结合教学内容开展相应的概念转变教学。

2.1 内容分析

2.1.1 高中物理课程标准的内容要求

认识弹力,通过实验,了解胡克定律。

2.1.2 本节内容在高中物理中的地位

“重力与弹力”是高中物理必修第一册第三章《相互作用——力》的第一节内容,[4]“弹力”是学生在重力之后学习的第一个接触力,为后续摩擦力的学习及受力分析打下基础。

2.2 学情分析

学生在生活中能够观察到许多关于弹力的现象,但是对于形变与弹力的关系把握不准,虽然能根据现象定性地看出形变与弹力存在一定联系,但是不能指出具体的定量关系,通过实验探究帮助学生找出规律是关键。学生在初中已经学过弹力的相关知识,但并未深刻理解弹力的本质,在判断是否产生弹力方面存在一定的困难,对于弹力的方向把握不准。他们在学习弹力之前学习了重力,对于力的三要素有了一定的了解,已经接触过控制变量法,能够通过相关实验数据绘制图像,能够在教师引导下运用控制变量法进行科学探究。

2.3 教学目标

(1) 物理观念

① 通过生活实例感知形变,通过小车实验了解形变的类型并且能够识别生活中的形变。

② 通过动手实验,知道任何物体在力的作用下都能够发生形变,知道形变与弹力的关系。

③ 知道弹力的定义,能够根据实际情况判断是否产生了弹力以及弹力的方向。

(2) 科学思维

① 通过是否产生形变的讨论以及实验方案的设计与论证,提高科学论证和质疑创新能力。

② 通过探究弹簧弹力与形变量的关系实验,提高科学论证能力。

(3) 科学探究

① 通过对身边物体施加力的作用,探究力与形变的关系,提高发现问题、提出科学猜想的能力。

② 通过微小形变证明方案的讨论与设计,体会科学探究过程。

③ 通过弹簧与橡皮泥对小车产生的不同作用效果的实验,学会观察实验现象,能够基于证据对实验结果进行合理解释,得出科学结论。

④ 通过探究弹簧弹力与形变量的关系,提高分析与处理数据从而得出规律的能力。

(4) 科学态度与责任

① 通过力能使物体发生形变的实验,发展基于证据和逻辑发表自己观点的意识以及严谨认真的科学态度。

② 通过小组合作探究微小形变,增强乐于合作和分享的团队意识。

③ 利用所学的弹力知识,讨论如何更好地利用弹力,领会物理知识对生活的指导作用,提高社会责任感。

2.4 教学流程设计

指向迷思概念转变的教学流程如图1所示。

图1

3 指向迷思概念转变的教学过程

3.1 创设情境,导入新课

教师借助多媒体展示奥运会上跳水、撑竿跳与射箭的视频。

师：请同学们思考以上运动项目的完成有什么共同特点?

生：运动员都与物体发生了接触,并且被接触的物体(如跳板、弓箭的弦和撑竿)都发生了形状上的变化。

师生总结形变的定义：物体在力的作用下形状或体积会发生变化,这种变化叫作形变。

设计意图：以学生感兴趣的奥运项目入手,激发学生的兴趣,培养学生观察、处理信息以及讨论交流的能力。引出形变的概念,为后续学习弹力的定义打下基础。

3.2 诊断、转变迷思概念

师：既然形变需要在力的作用下才能发生,请同学们回忆一下初中时力的定义。

生：力是物体与物体之间的相互作用,可以改变物体运动状态,也可以使物体发生形变。

师：那么请各位同学对身边的物体用力,观察并交流它们的形变情况是否相同?

学生挤压桌子、弯曲尺子、捏压橡皮、挤压海绵和黏土等。

教师引导学生回忆初中所学知识,根据形变的物体在撤去作用力后能否恢复原状,将形变分为弹性形变和塑性形变。

生：尺子、橡皮、海绵都发生了明显的形变,撤去作用力后恢复原来的形状,而黏土撤去作用力后没有恢复原状。

学生对于桌子是否发生形变产生了分歧。

迷思概念1：因看不到明显的形变,故物体没有发生形变。

(1) 教师诊断

对于桌子是否发生形变,引导学生畅所欲言,让持不同观点的学生分别说明理由。

生1：我认为桌子没有发生形变。眼见为实,我看不到桌子的形变。

生2：我对桌子用力的时我的手掌发生了形变,我认为桌子也有形变,但是用肉眼无法直接辨别。

设计意图：学生对于新知识并不是一无所知的,需要在其已有认知基础上展开教学。通过回忆力的定义,结合形变的概念引导学生自主探索,并引发学生对于对桌子受力后是否发生形变进行讨论,引发一部分学生的认知冲突。通过讨论,教师从中了解学生的迷思概念,对症下药。在这样的情境下学生更容易投入学习,更愿意将自己的发现与其他同学分享。

(2) 引发认知冲突

通过实验将微小形变放大。

师：如果将这种微小的形变放大,是不是就可以检验我们的想法?

学生分小组进行探究,并将所得结果进行分析、解释与讨论(图2)。

图2

师：你们看到了什么现象?

生：当向下压桌面时,光点向下移动。放手之后,光点向上移动,恢复到原来的位置。说明用力压桌面时,桌面确实发生了形变。

设计意图：学生在教师的引导下进行实验,并自主归纳、交流,形成结论。通过将微小形变放大,转变学生的迷思概念,加深学生对于形变的理解。

(3) 转变迷思概念

师：通过以上实验的启发,我们再一起来探究挤压玻璃瓶时的形变。

学生挤压玻璃瓶,发现它并没有产生明显的形变,思考将微小形变放大的方法。

师：可以在玻璃瓶中注满有色液体,在瓶塞上加一根玻璃管并密封好,可以挤压瓶的中部来观察玻璃管中液面的上升高度,判断是否发生形变。

学生动手实验(图3),发现挤压玻璃瓶时玻璃管内的液柱上升。

图3

师：通过实验我们能够得出什么结论呢?

生：用力挤压玻璃瓶,玻璃瓶也发生了形变。

师生通过分析、归纳,得出结论：一切物体在外力的作用下都会发生形变。

设计意图：通过挤压玻璃瓶的实验,运用放大法,加深学生对力与形变之间的关联,得出结论。

教师演示发生形变的弹簧使小车由静止开始运动的实验(图4)。

图4

师：小车的运动状态为什么会发生变化?为什么运动方向不一样?

生：弹簧发生了形变,小车受到了弹簧的作用力,从而改变了运动状态。小车运动方向不一样是因为弹簧的形变存在差异,一根弹簧是被拉伸,另一根弹簧是被压缩。

设计意图：有了前面对于形变的分析与讲解,引入教学主题——弹力,以演示实验的方式将弹力展示在学生面前,让学生分析弹力产生的原因,并通过分析小车运动方向的不同,结合形变指出弹力的方向与形变之间的关系。

迷思概念2：有形变就会有弹力。

(1) 教师诊断

是不是只要有形变就一定有弹力的作用呢?

生1：只要发生形变就一定会有弹力的作用。

生2：发生形变不一定会有弹力的作用。

(2) 引发认知冲突

通过实验说明形变不一定会产生弹力。

教师：演示橡皮泥与小车运动的实验。橡皮泥没有恢复到原来的状态,小车也没有运动起来。

生：这一次橡皮泥没有恢复原状,没有给小车产生弹力的作用,所以小车没有运动起来。因此并不是只要有形变就一定会产生弹力。

(3) 转变迷思概念

根据形变的类型分析弹力产生的条件。

师：两次实验所发生的形变并不相同,前者是弹性形变,后者是塑性形变。请同学们说一说：刚刚自己动手的过程中哪些形变是弹性形变?哪些是塑性形变?

生：尺子产生了弹性形变,铁丝产生了塑性形变。

师：发生形变的物体要恢复原状,对与它接触的物体会产生力的作用,这种力叫作弹力。

设计意图：再以橡皮泥与小车运动的实验说明并不是只要发生形变就能够产生弹力,从而回顾初中所学的弹性形变与塑性形变。明确橡皮泥发生塑性形变、弹簧发生弹性形变。学生通过对两个实验结果的讨论,在教师引导下总结出弹力的定义。

师：既然恢复形变的过程中会产生弹力,那这个弹力的方向又是怎样的?请分析跳水运动员、跳高运动员、箭受到的弹力方向。

生：弹力的产生是因为形变的物体在恢复原状的过程中产生的作用,被跳水运动员压弯的跳板,要恢复原状而对人产生了向上的弹力……

师：既然我们能够判断弹力的方向了,那我们再一起来探究弹力的大小。

迷思概念3：弹力一定与形变量成正比。

(1) 教师诊断

师：既然说到发生形变的物体在恢复原状的过程中产生了弹力,那么是否说明形变越大,产生的弹力也就越大呢?是否存在正比关系呢?

生：根据生活经验,如果弹簧被压缩或者拉伸得越厉害,产生的力也就越大,两者应该是成正比。

(2) 引发认知冲突

学生分组进行实验,探究弹簧弹力与形变量的关系,学生根据得到的数据绘制成F-x图像,通过F-x图像发现：只有在一定范围内弹簧伸长量与所挂钩码的数量成正比,超过这个范围时弹力与弹簧形变量不成正比。只有在弹性限度内,弹力的大小才跟弹簧伸长(或缩短)的长度成正比。

(3) 转变迷思概念

学生总结：弹簧发生弹性形变时,弹力的大小跟弹簧伸长(或缩短)的长度成正比。

迷思概念4：在相同形变的情况下,弹簧弹力的大小相等。

(1) 教师诊断

师：如果换成其他弹簧,在相同形变的情况下产生的弹力会相等吗?

生1：我认为弹力相等。

生2：我认为弹力不相等,因为弹簧不同,其劲度系数也不同。

(2) 引发认知冲突

学生动手探究不同的弹簧在发生相同形变时弹力的大小。分析实验数据,可发现：不同的弹簧在发生相同形变时,产生的弹力可能相同,也可能不同。

(3) 转变迷思概念

师：弹簧发生弹性形变时,弹簧的弹力大小与弹簧伸长量成正比,即F=kx。要判断弹簧弹力的大小,需要从弹簧的劲度系数与形变量两个方面入手。

设计意图：教师先诊断出学生存在的迷思概念,然后通过实验现象与实验数据分析,使学生产生认知冲突,从而转变迷思概念,建构科学概念。在实验探究的过程中培养学生的科学探究能力与合作能力,同时通过数据分析以及绘制图像,提升学生处理数据的能力。

4 结语

学生头脑中存在的迷思概念会对学习产生障碍,如果不能进行有效转变,就难以建构科学概念。因此采取合适的方式诊断学生的迷思概念,并采用适当的教学手段使学生产生认知冲突,从而发生概念转变,建构科学概念,这是教学的重点。物理教师应通过自己的教学实践,有意识地发现并记录学生可能存在的迷思概念,从而开展有针对性的概念转变教学。