應用模型遷移學習法培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)
——以“機車兩種起動方式”為例

顧建元

(蘇州工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 蘇州 215021)

學習方式的變革,是新一輪基礎(chǔ)教育改革的顯著特征.核心素養(yǎng)的提出,為學習方式的轉(zhuǎn)變提供了引領(lǐng)性方向.高中物理教學應聚焦學科核心素養(yǎng),讓學生通過自主學習、實驗探究、合作學習、綜合實踐,逐步形成物理觀念、科學態(tài)度和責任,以及科學思維和科學創(chuàng)新.然而,目前的高中物理教學“過分注重系統(tǒng)知識的傳授,忽視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”的現(xiàn)象隨處可見;學生處于“死記硬背、淺層學習”的狀態(tài)依然存在.只會記概念、規(guī)律等靜態(tài)結(jié)論,而不重視得出結(jié)論的過程;只會照葫畫瓢,模仿性地解決簡單的物理問題,而對于復雜的情景問題,不會透過現(xiàn)象看本質(zhì),不會在現(xiàn)實情景中建構(gòu)隱含其中的物理模型等.可見,改變物理學習方式、提升學科核心素養(yǎng),需要廣大物理教師必須立足于課堂.下面,以“機車兩種起動方式”為例,談談應用模型遷移學習法培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng).

1 模型構(gòu)建,立足自主性學習

構(gòu)建物理模型,是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法.學習高中物理,在一定程度上就是學生構(gòu)建物理模型、應用物理模型的過程.重視對學生建模意識的培養(yǎng),是提高學生學科素養(yǎng)的行之有效方法.在教學實施過程中,我們不能以教師的“講”代替學生的“學”.為此,在學習“機車兩種起動方式”時,我們采用“問題導學法”,從學生的生活實際出發(fā),提出系列問題來促進學生自主思考、自主學習,并自主構(gòu)建物理模型,取得了較好的教學效果.探究問題的設(shè)計如下.

(1) 汽車從靜止開始到起動的過程中受幾個力?(設(shè)計目的:引出“牽引力”.)

(2) 汽車換擋、加大油門是怎么回事?(設(shè)計目的:引導學生了解汽車的速度由變速器控制,調(diào)節(jié)變速器改變車速,俗稱“換擋”.汽車發(fā)動機的功率改變可以通過控制油門改變供油量來實現(xiàn).加大油門提高功率,減小油門降低功率;油門調(diào)節(jié)到最大,其功率達到最大.)

(4) 汽車起動可能做何種運動?(設(shè)計目的:通過分組討論得出，汽車可能做勻加速運動或變加速運動兩種情況.)

(5) 請對汽車的兩種起動過程進行受力分析、運動過程分析,并畫出其速度-時間圖像.(設(shè)計目的:通過分組討論,構(gòu)建出兩種模型:模型1,汽車在牽引力一定時起動,做勻加速直線運動;模型2,汽車在功率一定時起動,先做變加速運動,后做勻速運動.)

(6) 請求出模型1中汽車能達到的最大速度vm′和這一過程維持的時間.(設(shè)計目的:應用牛頓第二定律和瞬時功率解決實際問題.)

(7) 請求出模型2中汽車能達到的最大速度vm,并比較vm和vm′的大小關(guān)系.(設(shè)計目的:比較是理解和思維的基礎(chǔ),通過比較兩種模型中的最大速度,可以發(fā)現(xiàn)它們的不同點,防止知識混淆,提高思辨能力,促進知識進階.)

設(shè)計意圖:在物理教學中,引導學生構(gòu)建物理模型、領(lǐng)悟科學方法,直接關(guān)系到學生在課堂學習中的成敗.根據(jù)學生的認知基礎(chǔ)和思維水平,教師創(chuàng)設(shè)系列遞進式的問題,引導學生明確探究方向和目標,并進行科學研究方法和思路的點撥,驅(qū)動學生積極地思考、自主地探究,在問題解決過程中提升思維能力和科學素養(yǎng),在合作學習中增強責任意識.教師把時間還給學生,促進學習從“被組織”向“自組織”轉(zhuǎn)變,讓學生真正成為學習的主人.

2 模型變換,促進深度性學習

深度學習是相對于淺層學習所提出的一個概念.淺層學習的最大特征,是學生被動地、機械地、孤立地記憶所傳授的知識.深度學習是一種基于高階思維發(fā)展的理解性學習,具有理解與批判、聯(lián)系與構(gòu)建、遷移與應用的特征.深度學習不僅需要學生積極主動地參與,還需要教師通過確立高階思維發(fā)展的學習目標、整合學習內(nèi)容、創(chuàng)設(shè)促進深度學習的真實情境,激發(fā)學生深入地思考,靈活地把原有知識結(jié)構(gòu)、物理模型、思維方法等遷移到新的情境中,在解決問題中發(fā)展學習能力,提升學科素養(yǎng).

實踐告訴我們,基于問題的教學設(shè)計是促進學生深度學習的有效策略之一.為了促進學生對模型的真正理解,擺脫死記硬背的淺層學習、低階思維狀態(tài),我們在學生建立起“機車兩種起動方式”基本模型之后,采用模型“變臉”或“換裝”方式,及時檢驗學生對原模型的理解能力、遷移能力,讓學生通過對新情景問題的批判性學習,促進學生元認知發(fā)展.為此,我們呈現(xiàn)了如下問題.

圖1

(1) 根據(jù)圖線ABC判斷汽車做什么運動?

(2)v2的大小;

(3) 整個運動中的最大加速度;

(4) 當汽車的速度為20 m/s時發(fā)動機的功率為多大?

設(shè)計意圖:深度學習,更強調(diào)學習目標、學習內(nèi)容、學習過程、學習方式和發(fā)展價值的內(nèi)涵和品質(zhì).深度學習理念下的物理學習活動,不僅是求知活動,更是一種生命體驗和感悟活動.教師要準確挖掘教材的核心知識、整體結(jié)構(gòu)和豐富內(nèi)涵;要積極地創(chuàng)設(shè)問題新情景,讓學生在新情景中挖掘并建立模型,使問題解決得到簡化,在學習活動中加深對物理規(guī)律的理解和把握,在認知、建構(gòu)中提升學習力,在體驗、感悟中提升學科素養(yǎng),從而實現(xiàn)學習從“淺層學習”向“深度學習”過渡.

3 模型遷移,實現(xiàn)創(chuàng)造性學習

模型的類比和遷移,是高中物理重要的學習方法之一.對原模型的理解、深度學習的品質(zhì)和效果,還表現(xiàn)在能否將原有模型順利地遷移到新的情景中.如何讓知識的學習過程轉(zhuǎn)變成學科素養(yǎng)的形成過程,筆者認為不應把教學的重心過多放在知識點的鞏固上,尤其是通過“題海戰(zhàn)術(shù)”,進行“熟練工”的訓練上,而應該轉(zhuǎn)向讓學生通過知識的遷移和應用,拓寬知識的寬度,加深思維的深度,提升學科素養(yǎng)和學習能力的高度,這才是學科核心素養(yǎng)導向下的學習活動.要把機車起動兩種模型的學習,進一步升華為學生學科素養(yǎng)的培養(yǎng),可以把模型進一步隱身于在其他知識板塊中,給學生提供“庖丁解?！敝畽C,讓其創(chuàng)造性地解決問題,促進學生能力和素養(yǎng)的全面提升.

3.1 機車起動模型隱身于力學板塊模型

例2.(2010年福建高考題改編)如圖2所示,物體A放在足夠長的木板B的右端,木板B靜止于水平面.t=0時,電動機通過水平細繩以恒力F拉木板B,使之做初速度為0,加速度為aB=1.0 m/s2的勻加速直線運動.已知A的質(zhì)量mA和B的質(zhì)量mB均為2.0 kg,A、B之間的動摩擦因數(shù)μ1=0.05,B與水平面之間的動摩擦因數(shù)μ2=0.1,最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小視為相等,重力加速度g取10 m/s2.求:

圖2

(1) 物體A剛運動時的加速度aA大小和方向;

(2)t=1.0 s時,電動機的輸出功率P;

(3) 若t=1.0 s時,將電動機的輸出功率立即調(diào)整為P′=5 W,并在以后的運動過程中始終保持這一功率不變,則再經(jīng)過多長時間物體A與木板B的速度相等?

解析:“板塊模型”中涉及到兩個物體的受力和運動,對學生而言有一定難度,再把“機車兩種起動模型”嵌入其中,無疑對受力分析和運動過程分析要求較高,難度較大.但是,如果能從試題信息中建立起這兩種模型,并對兩種模型的理解和處理方法比較熟悉,解決該問題就會迎刃而解.為此,在日常教學中,夯實基礎(chǔ)、通透模型至關(guān)重要.

3.2 機車起動模型隱身于電磁感應中框架模型

例3.如圖3甲所示,空間存在B=0.5 T、方向豎直向下的勻強磁場,MN、PQ是相互平行的粗糙的長直導軌,處于同一水平面內(nèi),其間距L=0.2 m,R是連在導軌一端的電阻,ab是跨接在導軌上質(zhì)量m=0.1 kg的導體棒,從0時刻開始,通過一小型電動機對ab棒施加一個牽引力F,方向水平向左,使其從靜止開始沿導軌做加速運動,此過程中棒始終保持與導軌垂直且接觸良好,圖3乙是棒的速度-時間圖像,其中OA段是直線,AC是曲線,DE是曲線圖像的漸近線,小型電動機功率在12 s末達到額定功率Pm=4.5 W,此后功率保持不變,除R以外,其余部分的電阻均不計,取g=10 m/s2.求:

甲 乙

(1) 導體棒與導軌間的動摩擦因數(shù)和電阻R的阻值;

(2) 若t=17 s時,導體棒ab達最大速度,從0～17 s內(nèi)共發(fā)生位移100 m,試求12～17 s內(nèi),R上產(chǎn)生的熱量及通過R的電荷量q.

解析:本題貌似電磁感應中非常熟悉的“框架模型”,可一旦做起來,多數(shù)學生感到困難,究其原因是對圖像的分析能力不足,不能準確地把“機車起動的兩種模型”遷移至此.其實,從圖像上看0～12 s內(nèi)棒做勻加速運動,相當于“機車起動模型1”;12 s后功率保持Pm=4.5 W不變,棒先做加速度減小的變加速運動,DE是曲線圖像的漸近線,在C以后內(nèi)棒以10 m/s的速度勻速運動,相當于“機車起動模型2”.理解導體棒的運動類似于汽車的兩種起動方式,對棒的受力情況和問題的處理會順利突破.

設(shè)計意圖: 熟練應用模型方法,是學生應該具備的物理素養(yǎng).力學中的“板塊模型”、電磁學中的“框架模型”和“機車的兩種起動模型”,都是高中物理極其重要的模型,能夠巧妙地把它們?nèi)诤显谝黄鹁褪且环N創(chuàng)造,讓學生在復雜問題和跨單元知識的綜合模型中清晰地構(gòu)建新情景下的物理模型,迅速找到解決問題的方法,正是學生學科核心素養(yǎng)的較好體現(xiàn).通過這樣的情景體驗,不僅開闊了學生視野,而且培養(yǎng)了學生靈活思變、舉一反三、融會貫通的創(chuàng)造性思維能力,學生的學科素養(yǎng)將在問題解決中得到有效發(fā)展,從而實現(xiàn)由“深度學習”向“創(chuàng)造性學習”的高質(zhì)飛躍.

以上學習活動的設(shè)計,依據(jù)學生的認知結(jié)構(gòu)和認知能力,創(chuàng)設(shè)了情景問題,較好地激發(fā)了學生的探究熱情,有效地促進了學生自主學習、深度學習和創(chuàng)造性地學習,學生在建模、析模、用模中不斷地積累方法、提升能力、豐富素養(yǎng).實踐證明,模型遷移學習法是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的有效途徑之一.

阿里巴巴董事會主席馬云先生在2017年9月無錫召開的世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會上,發(fā)表了主題為“物聯(lián)改變未來”的演講:未來死記硬背的東西都會被計算機所取代,人所要做的是必須讓機器像人一樣去學習.可見,學習方式的變革刻不容緩,培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和學科核心素養(yǎng)意義重大.我們每一位教育工作者都應把培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、思維能力落實在每一個學習活動中,為全面提高學生的學科核心素養(yǎng),促進學生的終身發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ).

參考文獻：

1 肖建華.學科核心素養(yǎng)導向的物理深度實驗教學思考[J].中學物理教學參考,2017(6):12-15.

2 孟擁軍.深度教學理念下的高中物理概念教學策略研究[J].中學物理教學參考,2017(10):5-7.

3 卞志榮.用“問題驅(qū)動法”促進學生高效復習[J].物理教師,2010(10):52-56.