在問題解決中通過深度學(xué)習(xí)發(fā)展物理觀念

李春來

(廣東省深圳市紅嶺中學(xué)高中部，廣東 深圳 518049)

物理觀念居于物理學(xué)科核心素養(yǎng)之首,物理教學(xué)應(yīng)以物理觀念來統(tǒng)領(lǐng)．在問題解決中,創(chuàng)設(shè)真實問題情境,強(qiáng)化物理知識、思維方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用,是發(fā)展物理觀念重要而有效的教學(xué)策略．

1 問題的提出

圖1

題目.如圖1所示,粗細(xì)均勻、兩端開口的玻璃管AB長L=25cm,把B端插入水銀槽中,L1=12cm,現(xiàn)將A端密封,把AB沿豎直方向緩慢提起,B完全離開水銀面時,把AB緩慢轉(zhuǎn)過來豎直放置,A端在下,B端在上,封閉氣體質(zhì)量不變,已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)p0=75cmHg,整個過程保持溫度不變．求

(1)B端剛離開水銀面時,管內(nèi)氣體的壓強(qiáng);

(2)A在下端時,被水銀封閉氣體的長度．

以上是一道高中物理測試題,教師的初步分析是該題的難度較小,涉及的物理知識是“玻意耳定律”和“壓強(qiáng)”概念,是對氣體等溫變化規(guī)律的一個簡單應(yīng)用．但在閱卷過程中卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生的得分率很低,出乎預(yù)料．經(jīng)過對學(xué)生的訪談發(fā)現(xiàn),對于第(1)問,約有30%左右的學(xué)生無法入手作答,他們說“你怎么知道玻璃管被提出來后的情形是什么樣”．

看來學(xué)生的困惑出在對物理情境的把握上,他們不能通過獨立分析得到清晰的封閉氣體末狀態(tài),缺乏解決問題的方法．針對該題目,如何進(jìn)行講評呢,如何才能幫助學(xué)生突破難點?

2 物理觀念的培養(yǎng)途徑

物理觀念是學(xué)生在反思感悟和實踐應(yīng)用中將蘊(yùn)含于具體知識中的物理思想、觀點和方法等抽象概括出來的觀念性認(rèn)識,是物理學(xué)科的研究對象、過程和結(jié)果在學(xué)習(xí)者頭腦中整體概括的反映．物理觀念的形成既是認(rèn)知性的,更是體驗性的．物理觀念不可能通過記憶物理知識自發(fā)形成,而需要學(xué)生在積極主動的探究活動中深刻理解和掌握有關(guān)的物理知識,并在對知識的理解和應(yīng)用中不斷概括、提煉而形成．為了有效地形成物理觀念,課堂教學(xué)應(yīng)重視以下兩個方面．

(1) 幫助學(xué)生構(gòu)建有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的高中物理知識體系.所謂概念和規(guī)律的提煉,就是把這些概念和規(guī)律組合成優(yōu)化的結(jié)構(gòu),成為某一知識領(lǐng)域的核心內(nèi)容,是解決問題的關(guān)鍵視角和思維指南．

(2) 強(qiáng)化物理知識與實踐情境的關(guān)聯(lián)．是否形成了物理觀念的標(biāo)志就是“會用物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題”,要做到這一點,就必須強(qiáng)化物理知識與實踐情境的關(guān)聯(lián),提高把物理知識與實踐情境進(jìn)行聯(lián)系的自覺性,增強(qiáng)學(xué)生的實踐意識．

3 問題解決中的思維過程與深度學(xué)習(xí)的涵義

3.1 解題中的思維過程

教育部考試中心李勇副主任指出解題的思維過程有兩個階段．第一個階段是運(yùn)用物理知識,經(jīng)過分析、判斷、簡化、抽象后將情境化試題轉(zhuǎn)化為非情境化試題;第二個階段是運(yùn)用物理知識和數(shù)學(xué)工具,經(jīng)過推導(dǎo)和演算后實現(xiàn)問題解決,如圖2所示．

圖2 解題思維過程

簡單地說,解題的過程要經(jīng)歷兩個重要的“轉(zhuǎn)化”,即運(yùn)用歸納推理思維將文字轉(zhuǎn)化為情境,再運(yùn)用演繹推理思維將情境轉(zhuǎn)化為物理條件,從而解決問題．

物理學(xué)科的程序性知識是關(guān)于如何完成物理學(xué)習(xí)任務(wù)的知識,反映的是各種“過程”的知識,在試題解答中體現(xiàn)出來的就是解決問題的知識,習(xí)題教學(xué)能有效地促進(jìn)學(xué)生程序性知識的發(fā)展．

3.2 深度學(xué)習(xí)的涵義

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)是否進(jìn)行了深入思考和深入探究,可將學(xué)習(xí)分為深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí),深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者以淺層學(xué)習(xí)為邏輯基點,主動深入思考和深入探究,自覺將新知融入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中,建構(gòu)眾多認(rèn)知之間的有效聯(lián)系,能夠?qū)⒁延械闹R遷移到新情境之中,并做出相應(yīng)決策和解決相應(yīng)問題的學(xué)習(xí),其核心是知識遷移、問題解決、思維提升,其本質(zhì)是學(xué)會學(xué)習(xí)和應(yīng)用．

4 在問題解決中發(fā)展物理觀念的具體運(yùn)用

針對上述試題,為達(dá)成深度學(xué)習(xí),發(fā)展物理觀念,筆者設(shè)計了思維深度逐層遞進(jìn)的4個教學(xué)過程,以期突破難點．

層次1:強(qiáng)化知識點,展示作答過程．

思路點撥:以封閉氣體為研究對象,確定初末狀態(tài),聯(lián)立方程求解．

將玻璃管A端封閉后,以上部被封閉氣體為研究對象．

圖3 氣體初、末態(tài)

初狀態(tài)如圖3(a)所示,V1=S(L-L1),p1=p0;末狀態(tài)如圖3(b)所示,這時玻璃管已經(jīng)被提起而離開液面,水銀柱靜止且下表面與管口平齊,設(shè)水銀柱長為x,被封閉氣體體積V2=S(L-x),壓強(qiáng)p2=p0-px．

根據(jù)玻意耳定律有p1V1=p2V2,解得x=10cm,p2=65cmHg．

學(xué)生反饋:在訪談中,筆者發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分學(xué)生不能準(zhǔn)確把握題目中所展現(xiàn)的物理情境,即不能順利地將“文字信息”轉(zhuǎn)化為“物理情境”,導(dǎo)致不能順利作答．當(dāng)教師講解該題的作答過程后,仍有部分學(xué)生表示無法理解,學(xué)生的反饋是“為什么水銀沒有全部流出去,而是如圖3(b)那樣?”“你怎么知道提起試管后水銀與下端管口是平齊的?”“想象不出來 ‘把AB緩慢轉(zhuǎn)過來豎直放置’穩(wěn)定后水銀柱位置的情況”．

層次2:親歷探過程,體驗真實情境．

圖4 模擬題目情境

教學(xué)過程:為了解決學(xué)生的困難,教師指導(dǎo)學(xué)生動手做個小實驗,親身經(jīng)歷真實的情境和物理變化過程．取一支學(xué)生寫作業(yè)用的中性筆,筆管透明且頂端開有小孔．去除筆芯,只留下筆管,相當(dāng)于玻璃管AB．將筆管插入滴有墨水的水槽中,然后用手按住上端小孔,輕輕上提,會發(fā)現(xiàn)管中下端留下了一段水柱,如圖4所示．學(xué)生看到后發(fā)出“哇”的驚嘆聲．這樣,用身邊簡易材料做實驗?zāi)M了題目中的情境,看到真實的現(xiàn)象后,學(xué)生信服,題目迎刃而解．這正如朱正元教授所說的“千言萬語說不清,一看實驗便分明”．

有的學(xué)生會想到,有水留在筆管中是不是因為筆管較細(xì)而出現(xiàn)了表面張力的原因呢?這里可以將塑料筆管換成口徑稍大一些的玻璃試管,試管上端事先磨出一個小孔,重新做實驗．事實證明,仍會出現(xiàn)同樣的實驗現(xiàn)象．

教學(xué)反思:到此為止,學(xué)生似乎已經(jīng)打消了疑慮,能夠順利解題了．但是學(xué)生真正地理解了嗎?如果學(xué)生下次遇到困難時,沒有條件通過實驗?zāi)M出來,又不清楚最終狀態(tài),怎么辦?能不能通過對物理過程的分析得到確切的結(jié)論呢?

層次3:理論探究物理過程,發(fā)展推理能力．

圖5 物理過程分析

對初狀態(tài)分析:如圖5(c)所示,封閉上端管口,管內(nèi)外液面平齊,管內(nèi)氣體壓強(qiáng)大小為p0,取管內(nèi)液面上的一個薄膜為研究對象,上下壓力大小均為p0S,方向相反,薄膜受力平衡而穩(wěn)定．

對物理過程動態(tài)分析:當(dāng)緩慢向上提起玻璃管時,假設(shè)液面高度不變,即管內(nèi)外液面平齊．由于管內(nèi)氣柱體積增大,根據(jù)玻意耳定律可知,封閉氣體壓強(qiáng)減小,這時對研究對象即管內(nèi)液面上的薄膜受力分析可知,向上和向下的壓力不平衡,假設(shè)不成立．真實情況是合力導(dǎo)致液面上升,管內(nèi)形成高于管外液面的液柱,直至達(dá)到新的平衡,如圖5(d)所示．

對末狀態(tài)分析:當(dāng)玻璃管下端完全提離水銀槽時,會在玻璃管下端形成一個與管口平齊的水銀柱,如圖5(e)所示,這就是題目第(1)問中玻璃管內(nèi)封閉氣體的末狀態(tài)．

教學(xué)后記:對于提起玻璃管的過程,運(yùn)用玻意耳定律對封閉氣體進(jìn)行動態(tài)分析,對管內(nèi)形成的高于管外液面的液柱的受力進(jìn)行動態(tài)分析,經(jīng)過分析與綜合、推理與判斷,即使不用做實驗也可以得到正確結(jié)論．

可以說,本題從物理觀念角度考查了學(xué)生對玻意耳定律、壓強(qiáng)計算、力的動態(tài)平衡知識的掌握情況,從科學(xué)思維角度考查了學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理素養(yǎng)水平．

層次4:拓展延伸,自主探究．

拓展1——質(zhì)疑物理現(xiàn)象．在演示實驗中發(fā)現(xiàn),用較粗的試管做實驗時,當(dāng)插入水中的部分不夠長時,提起試管后容易出現(xiàn)液體全部流出的現(xiàn)象,這是為什么呢?引導(dǎo)學(xué)生更進(jìn)一步地觀察和分析,鼓勵大膽質(zhì)疑,培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣,保持對自然現(xiàn)象的好奇心和探究其中物理原理的熱情．

圖6 自制水槍

拓展2——制作性小實驗．在鉛筆上纏繞適量紗布做成活塞,試管的另一端磨出小孔,將活塞從玻璃試管的開口端插入,仿照注射器原理,制成最簡易的水槍,如圖6所示．在游戲中學(xué)習(xí)和交流,邊玩邊學(xué),完成了一個制作性物理小實驗．

拓展3——深入探究．將試管頂端的小孔用手堵住,然后開口向下豎直插入水銀槽中,插入的深度為L3,求試管中水銀柱的長度．

圖7 封閉試管插入水銀

學(xué)生可以先進(jìn)行理論探究,然后實驗驗證．雖然學(xué)生手頭上沒有水銀,但可以將筆管插入透明水杯(如礦泉水瓶)中做實驗,如圖7所示,理論探究與實驗觀察相結(jié)合．

圖8 試管緩慢傾斜

拓展4——遷移應(yīng)用．將試管插入水銀槽中后,通過頂端的小孔將其中的空氣抽出少許,然后封閉小孔,形成如圖8所示的情形．如果保持水銀槽外的試管長度H大小不變,將試管緩慢傾斜．問:管內(nèi)水銀柱長度h如何變化?

需要學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用玻意耳定律對封閉氣體進(jìn)行動態(tài)分析,對管內(nèi)高于管外液面的液柱進(jìn)行動態(tài)受力分析,可以通過理論分析解決問題．通過該問題可以檢驗學(xué)生是否真正理解玻意耳定律和動態(tài)分析的方法,發(fā)展學(xué)生的遷移能力,學(xué)以致用．當(dāng)然,這個問題情境也可以通過實驗?zāi)M出來,即用口通過小孔從管中吸出少量氣體,然后實驗驗證．

5 結(jié)束語

加涅的學(xué)習(xí)層次理論指出“學(xué)習(xí)較復(fù)雜、抽象的知識,是以較簡單、具體的知識為基礎(chǔ)的,較復(fù)雜、較高級的學(xué)習(xí)是建立在基礎(chǔ)性學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的”．比較4個層次的教學(xué)過程發(fā)現(xiàn),它們的思維深度逐層遞進(jìn),逐步實現(xiàn)了對物理概念的理解和規(guī)律的遷移應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生逐漸形成運(yùn)動與相互作用觀念．結(jié)合布盧姆目標(biāo)分類理論分析如表1.

表1 深度學(xué)習(xí)過程和目標(biāo)達(dá)成情況分析

課堂教學(xué)中,重視事實性知識和概念性知識學(xué)習(xí)的同時,還要重視程序性知識的掌握,當(dāng)學(xué)生面對物理語言、文字和符號時,能自覺地聯(lián)想相應(yīng)的物理情境,當(dāng)學(xué)生面對實踐情境時,會自然聯(lián)想到與此相關(guān)的物理概念和規(guī)律．只有學(xué)生本人親自經(jīng)歷知識的探索,對具體物理知識進(jìn)行深入分析和挖掘,并在具體應(yīng)用中獲得對物理觀念的清晰認(rèn)識,才能實現(xiàn)物理概念和規(guī)律的升華．

核心素養(yǎng)理念下,通過問題解決過程達(dá)成學(xué)生的深度學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生“見物思理、就物論理”的意識,能夠促進(jìn)新舊知識的有效建構(gòu)．教師要用一種開放的立體的教育視野,努力將課堂教學(xué)與生活實際聯(lián)系起來,在真實情境中學(xué)習(xí),設(shè)計逐層遞進(jìn)式的探究問題,讓物理觀念在一個個問題解決中逐漸形成．