情境理論下培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的教學(xué)途徑探討
——以“液體的表面張力”概念課為例

鄭映鳳 麥建華 楊昌彪

(1. 廣東省徐聞縣第一中學(xué),廣東 湛江 524100; 2. 嶺南師范學(xué)院附屬中學(xué),廣東 湛江 524048)

物理學(xué)研究?jī)?nèi)容是宇宙的基本組成部分:物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間及其相互關(guān)系.新課標(biāo)明確要求高中物理教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生物理觀念,但實(shí)際上,學(xué)生平常學(xué)習(xí)的往往是物理概念或物理規(guī)律.物理概念只是知識(shí),而不是觀念,因此教學(xué)就陷入困局:知道要培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念,但教的卻是概念,概念如何才能轉(zhuǎn)變成觀念?有什么途徑嗎?今昔概念教學(xué)的區(qū)別在哪里?如何才能實(shí)現(xiàn)從三維目標(biāo)到核心素養(yǎng)目標(biāo)的教育目的呢? 基于這些問題的思考,本文以“液體的表面張力”概念課舉例分析,探討了基于情境理論下培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的教學(xué)途徑,展示如何在概念課中慢慢地培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念.

1 相關(guān)概念的界定

1.1 物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的物理觀念

物理觀念是基于物理概念和客觀規(guī)律,經(jīng)過邏輯加工的一種物理哲學(xué)思想,是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用與能量等的基本認(rèn)識(shí),是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華,是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).物理觀念包括物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀和能量觀.[1]其中物理觀念形成過程的架構(gòu)為:事實(shí)經(jīng)驗(yàn)、概念規(guī)律、核心概念、物理觀念、應(yīng)用實(shí)踐、遷移創(chuàng)新.[2]物理觀念形成的初級(jí)標(biāo)志是能將物理概念規(guī)律等知識(shí)遷移應(yīng)用于實(shí)際問題中,如解釋自然現(xiàn)象或解決實(shí)際問題,終極標(biāo)志是學(xué)生能實(shí)現(xiàn)思維上的遷移創(chuàng)新.

1.2 物理概念

物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特性在人們頭腦中的反映,是對(duì)物理現(xiàn)象、物理過程抽象化和概括化的思維形式.[3]這一性質(zhì)決定了物理概念的抽象性.[4]這也意味著物理概念是從大量、具體、形象的現(xiàn)象或事實(shí)中產(chǎn)生的.

1.3 情境與情境教學(xué)

情境就是影響個(gè)體行為變化的各種刺激的自然現(xiàn)象所構(gòu)成的特殊環(huán)境,往往被認(rèn)為是展開的有一定事實(shí)情節(jié)的環(huán)境.情境教學(xué)的概念,首先由布朗、科林斯和杜吉德于1989年在“情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)文化”的論文中提出:“知識(shí)只有在它們產(chǎn)生及應(yīng)用的情境中才能產(chǎn)生意義.”情境教學(xué)要求教師根據(jù)教學(xué)目的的需要,調(diào)節(jié)情節(jié)與環(huán)境二者的地位,并對(duì)其進(jìn)行改造,使之能激發(fā)學(xué)生的興趣、啟發(fā)學(xué)生的思維、開發(fā)學(xué)生的探究能力等,從而提高教學(xué)的成效.[4]情境的形式一般是真實(shí)、具體、形象、能夠提出待研究問題、能夠提供學(xué)習(xí)信息的文字資料、圖片資料、視頻資料或?qū)嶓w場(chǎng)景.有效的情境必須具備趣味性、問題性、啟迪性、關(guān)聯(lián)性、任務(wù)性、構(gòu)建性和有效性等性質(zhì).

2 情境理論下的高中物理概念課教學(xué)

2.1 情境與物理概念、物理觀念之間的邏輯關(guān)系

由情境認(rèn)知理論可知,物理概念只有在它們產(chǎn)生及應(yīng)用的情境中才能產(chǎn)生意義.物理概念絕不能從它本身所處的環(huán)境中孤立出來.學(xué)習(xí)物理概念的最好方法就是在現(xiàn)象事實(shí)所構(gòu)成的情境中進(jìn)行.其中,物理概念具有客觀性,物理觀念具有相對(duì)主觀性,因?yàn)槲锢碛^念是本體主觀地將物理知識(shí)通過某種途徑綜合起來最終形成的知識(shí)體系.因此,情境、物理概念與物理觀念之間存在一定的教學(xué)邏輯關(guān)系(圖1).

圖1 概念培養(yǎng)物理觀念的教學(xué)邏輯關(guān)系

2.2 情境理論下的高中物理概念課教學(xué)途徑

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年修訂)》明確建議:物理概念的建立需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境.從對(duì)教材的觀察與對(duì)課堂教學(xué)的實(shí)踐研究中,可知物理學(xué)科所用的情境主要來源于生活生產(chǎn)、自然現(xiàn)象、科研前沿、物理學(xué)史和理論探究等,因此物理教學(xué)所創(chuàng)設(shè)的情境類型主要有生活生產(chǎn)情境、體驗(yàn)情境、實(shí)驗(yàn)情境、科研探索情境、理論情境、故事情境、問題情境等.綜合物理情境的類型、情境的性質(zhì)和圖1的教學(xué)邏輯關(guān)系,本文提出基于情境理論下的物理概念課培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的教學(xué)途徑(如圖2所示),簡(jiǎn)稱情境式概念課教學(xué). 情境式概念課教學(xué)主要有4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):抓住趣味性,創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境,喚醒學(xué)生物理常識(shí),引出物理概念;注重啟迪性,創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,從特點(diǎn)性質(zhì)方面修正物理概念,使學(xué)生萌發(fā)物理意識(shí);利用質(zhì)疑性,創(chuàng)設(shè)理論情境,從不同角度完善物理概念,發(fā)展學(xué)生的物理知識(shí);注重關(guān)聯(lián)性,創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境,最后遷移物理概念去解決問題,檢驗(yàn)學(xué)生的物理知識(shí)形成程度,若最后能在學(xué)生的大腦中構(gòu)建完整的知識(shí)體系,那就證明了學(xué)生已經(jīng)形成了相關(guān)方面的物理觀念.

圖2 情境教學(xué)培養(yǎng)物理觀念的教學(xué)途徑

3 情境式概念課教學(xué)案例

“液體的表面張力”是物理選擇性必修第3冊(cè)的一個(gè)課例.下面我們從課標(biāo)、學(xué)情和教材幾個(gè)方面來分析,以期從中找出課例的教學(xué)目標(biāo)和合適的教學(xué)途徑.

3.1 課標(biāo)分析

“液體的表面張力” 的課標(biāo)內(nèi)容:通過觀察液體的表面張力現(xiàn)象,了解表面張力產(chǎn)生的原因,知道毛細(xì)現(xiàn)象.很明顯,這個(gè)課例重在現(xiàn)象觀察,因此本課例非常適合用情境式概念課教學(xué)途徑進(jìn)行授課.教師在授課時(shí)要有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)與液體關(guān)聯(lián)的情境,在課堂上給學(xué)生提供理解表面張力的經(jīng)驗(yàn)情境,引導(dǎo)學(xué)生從生活情境中去觀察液體表面現(xiàn)象,從實(shí)驗(yàn)情境中發(fā)現(xiàn)液體表面特點(diǎn)、從理論情境中論證液體表面的本質(zhì)特征、從應(yīng)用情境中(如浸潤(rùn)、不浸潤(rùn)或毛細(xì)現(xiàn)象)應(yīng)用表面張力概念.

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生對(duì)液體的現(xiàn)象并不陌生,但對(duì)表面張力概念陌生,因?yàn)橐酝慕?jīng)驗(yàn)沒有出現(xiàn)過表面張力概念,學(xué)生頭腦中基本沒有表面張力的意識(shí).鑒于對(duì)浮力的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),學(xué)生會(huì)混淆浮力與表面張力概念,產(chǎn)生疑惑,陷于迷思概念狀態(tài)中,所以“液體的表面張力”的教學(xué)建議從熟悉的日?，F(xiàn)象中出發(fā),試著把生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)成生活情境、體驗(yàn)情境、實(shí)驗(yàn)情境等供學(xué)生思考的課堂經(jīng)驗(yàn).

3.3 教材分析

為了能更好地把握這節(jié)課的突破口和落腳點(diǎn),我們對(duì)比分析了當(dāng)前5個(gè)版本的教材,具體如表1所示,以期給概念課教學(xué)帶來事半功倍的效果.

表1 “液體的表面張力”的5種版本教材分析

3.4 教學(xué)目標(biāo)

綜上所述,本課例是一般概念課,會(huì)經(jīng)歷一般概念、學(xué)科初級(jí)概念、學(xué)科大概念過程來培養(yǎng)學(xué)生物理觀念,對(duì)情境非常倚重,因此,本課例的教學(xué)目的就是要通過創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境,使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化,使抽象概念形象化,使知識(shí)角度多面化,引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象,理解表面張力,能用表面張力知識(shí)解釋自然現(xiàn)象,完善對(duì)液體的認(rèn)識(shí),形成相對(duì)完整、科學(xué)的液體觀念.通過創(chuàng)設(shè)問題情境發(fā)展學(xué)生的物理觀念,發(fā)展學(xué)生觀察、分析、推理、論證等科學(xué)思維;通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力;通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度及科學(xué)精神.

3.5 教學(xué)過程

根據(jù)情境式概念課教學(xué)途徑,我們把情境式概念課教學(xué)中的主要4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),分成以下4個(gè)步驟去組織課堂教學(xué).

第1步:體驗(yàn)情境,喚醒物理常識(shí),引出物理概念.

創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境:展示停水面的水黽和浮水面的硬幣相片(圖3),提供回形針和裝水的燒杯(圖4).

圖3 生活情境

圖4 體驗(yàn)情境

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù)1:學(xué)生觀察圖片,討論“為什么輕小物體能浮在水面,而不沉入水中”原因.

活動(dòng)任務(wù)2:學(xué)生把回形針輕輕放在裝有水的燒杯里,觀察并分析回形針浮力情況.

設(shè)計(jì)意圖:以熟悉的生活現(xiàn)象為情境,引起學(xué)生的興趣;關(guān)注學(xué)生元認(rèn)知,激發(fā)認(rèn)知沖突,為表面張力概念做鋪墊.

實(shí)踐分析:生活情境使學(xué)生覺得物理親切,又能引出學(xué)生的元認(rèn)知,導(dǎo)致學(xué)生能用物理學(xué)角度“重力浮力”的觀念分析問題;體驗(yàn)情境又使學(xué)生覺得物理好玩有趣,同時(shí)在視覺沖擊中暴露了元認(rèn)知的不足,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和好勝心.

創(chuàng)設(shè)生活情境:展示氣球與水珠、靜止在保鮮膜上的手機(jī)和停在水上的水黽(圖5);播放CCTV9紀(jì)錄片《隱形世界》視頻.

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù)1:教師提出問題:液體的表面有什么特點(diǎn)呢?學(xué)生觀察并猜測(cè),液體表面類似氣球膜和保鮮膜一樣有彈性,能收縮和支撐其他物體.

活動(dòng)任務(wù)2:學(xué)生從視頻中發(fā)現(xiàn)水滴下落在水面上,水面沒有被撕破,只是被拉伸了再將水滴彈回空中,水面上就像有一層彈性薄膜.

活動(dòng)任務(wù)3:師生概括歸納,由于液體表面繃緊得像一張彈性薄膜,能對(duì)停在液體表面的物體起到支撐的作用.在物理學(xué)上,我們把液體表面能產(chǎn)生一種使液體表面繃緊得像彈性薄膜的力叫作液體表面張力.

設(shè)計(jì)意圖:對(duì)比情境學(xué)習(xí),以舊喚新,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,鍛煉學(xué)生的類比思維,鍛煉學(xué)生從不同現(xiàn)象中找共性,然后概括歸納概念的能力.

實(shí)踐分析:從對(duì)比情境中,學(xué)生猜測(cè)液體表面也像彈性薄膜一樣;從視頻情境中,學(xué)生感覺自己的猜測(cè)成立,心中自我構(gòu)建液體表面特點(diǎn)和理解了物體能浮在水面的原因,最后從現(xiàn)象共性中構(gòu)建新概念.

第2步:實(shí)驗(yàn)情境,修正物理概念,萌發(fā)物理意識(shí).

創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境:一個(gè)裝有肥皂水的燒杯、一個(gè)帶有細(xì)線的圓環(huán)和一根燒紅的針(圖6).

圖6 探究實(shí)驗(yàn)情境

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù)1:學(xué)生把圓環(huán)放入肥皂水中使其沾上肥皂薄膜,再用燒熱的針刺破薄膜一側(cè),學(xué)生觀察薄膜的變化情況.

活動(dòng)任務(wù)2:教師給學(xué)生演示在酒精或柴油中的水滴,即平衡狀態(tài)下的水滴;教師播放太空飛船中的水滴視頻,即完全失重狀態(tài)下的水滴(圖7).

圖7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)情境

設(shè)計(jì)意圖:探究實(shí)驗(yàn)情境能使學(xué)生找出表面張力的特點(diǎn),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)情境使學(xué)生從理想回歸現(xiàn)實(shí),既能補(bǔ)充表面張力的特點(diǎn),又能修正表面張力與現(xiàn)實(shí)的差異.

實(shí)踐分析:實(shí)驗(yàn)探究情境使學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲,動(dòng)手操作帶來興奮,同時(shí)能近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,認(rèn)真細(xì)致找表面張力的特點(diǎn).然而現(xiàn)實(shí)中橢圓形的水滴又狠狠打臉,使學(xué)生很困惑痛苦,此時(shí)演示式的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)又為學(xué)生撥開眼前的迷霧,大量情境視覺刺激,感性理性思維交互,激發(fā)學(xué)生的物理意識(shí)萌芽.

第3步:理論情境,完善物理概念,發(fā)展物理知識(shí).

創(chuàng)設(shè)理論情境:表面張力為什么能使液體收縮呢?

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù)1:教師提出問題:生活中哪些力也能產(chǎn)生收縮的效果呢,在什么狀態(tài)下能產(chǎn)生收縮的效果?學(xué)生聯(lián)想并關(guān)聯(lián)遷移應(yīng)用其他知識(shí),如用彈簧的彈力特點(diǎn)來解釋.

活動(dòng)任務(wù)2:教師提出問題:液體分子什么情況下也會(huì)產(chǎn)生收縮的引力,跟液體表面有什么關(guān)系嗎?學(xué)生聯(lián)想,關(guān)聯(lián)最近發(fā)展區(qū)知識(shí),如分子動(dòng)理論,分析論證(圖8).

圖8 理論情境

創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境:一把小刀、保鮮膜、氣球(圖9).

圖9 類比情境

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù):教師提出問題:液體表面張力是分子引力的宏觀表現(xiàn),力是矢量,既有大小又有方向.高中階段我們不需要研究表面張力大小,但需要研究表面張力方向,那么我們應(yīng)該如何描述液體表面張力的方向?學(xué)生用鋒利的小刀劃破膨脹的氣球或用力撕拉繃緊的保鮮膜,再類比推理,找出表面張力的方向,即表面張力(如F1、F2)的方向與液面相切,總是跟這部分液面的分界線垂直(圖10).

圖10 理論情境

設(shè)計(jì)意圖:銜接表面張力特點(diǎn),進(jìn)階學(xué)習(xí)液體產(chǎn)生收縮特點(diǎn)的原因,邏輯合理.類比情境能啟迪學(xué)生思維,使學(xué)生正確思考,容易想到的關(guān)鍵詞,有利于學(xué)生解決理論情境下的問題,完善概念內(nèi)容,突破本節(jié)課的重難點(diǎn),養(yǎng)成宏觀、微觀多角度科學(xué)思考的好習(xí)慣.

實(shí)踐分析:理論情境問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生聯(lián)想,從關(guān)鍵詞很快說出彈力和彈簧平衡位置.類比情境使學(xué)生易得到猜測(cè),再關(guān)聯(lián)遷移分子動(dòng)理論知識(shí),有水到渠成的效果,有效的情境和點(diǎn)睛式的問題完全能引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)概念的完善、對(duì)知識(shí)的構(gòu)建、組建完整的知識(shí)體系(物理觀念).

第4步:應(yīng)用情境,應(yīng)用物理概念,檢驗(yàn)物理知識(shí).

創(chuàng)設(shè)應(yīng)用情境:水銀分別滴在玻璃和雨傘上、水滴在玻璃上、毛筆沾上墨汁(圖11).

創(chuàng)設(shè)探究實(shí)驗(yàn)情境:玻璃管插入液體中(圖12).

圖12 探究實(shí)驗(yàn)情境

創(chuàng)設(shè)問題情境:我國(guó)為紀(jì)念孫中山逝世3周年將植樹節(jié)定于每年3月12日,植樹節(jié)是按照法律規(guī)定宣傳保護(hù)樹木,并組織動(dòng)員群眾積極參加以植樹造林為活動(dòng)內(nèi)容的節(jié)日.提倡通過這種活動(dòng),激發(fā)人們愛林造林的熱情、意識(shí)到環(huán)保的重要性.種植樹木的時(shí)候?yàn)槭裁匆昧Σ葘?shí)泥土,而農(nóng)民為什么要經(jīng)常給土地松土呢?

情境活動(dòng)與任務(wù).

活動(dòng)任務(wù)1:教師展示應(yīng)用情境圖片,學(xué)生觀察圖片特點(diǎn),應(yīng)用表面張力知識(shí)解釋現(xiàn)象原因.

活動(dòng)任務(wù)2:學(xué)生分別把粗細(xì)相同的玻璃管插入清水和紅墨水中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;教師播放玻璃管插入水銀中的實(shí)驗(yàn),學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,概括歸納浸潤(rùn)不浸潤(rùn)概念,對(duì)比分析兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并猜測(cè)原因,分子力的不同作用情況.

活動(dòng)任務(wù)3:學(xué)生把粗細(xì)相同的玻璃管插入清水中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,構(gòu)建毛細(xì)現(xiàn)象概念.

活動(dòng)任務(wù)4:教師出示問題情境,學(xué)生根據(jù)信息的提示,應(yīng)用表面張力、浸潤(rùn)現(xiàn)象、不浸潤(rùn)現(xiàn)象和毛細(xì)現(xiàn)象知識(shí)解釋交流,解決問題.

設(shè)計(jì)意圖:通過應(yīng)用情境、驗(yàn)證情境和問題情境,關(guān)聯(lián)生活生產(chǎn)事實(shí),使學(xué)生構(gòu)建表面張力下的子概念,發(fā)展學(xué)生解釋交流、解決問題的能力,檢驗(yàn)學(xué)生物理觀念形成的程度.

實(shí)踐分析:應(yīng)用情境使學(xué)生親切,覺得物理來源于生活應(yīng)用于生活,有學(xué)以致用的心理.探究情境使學(xué)生積極性被調(diào)動(dòng)起來,能發(fā)展學(xué)生基于證據(jù)思考的科學(xué)習(xí)慣,同時(shí)又鍛煉了學(xué)生的科學(xué)探究能力.問題情境給學(xué)生展現(xiàn)交流解釋、表現(xiàn)自己的機(jī)會(huì),同時(shí)也能把關(guān)本節(jié)課的學(xué)習(xí)掌握程度.

4 結(jié)束語(yǔ)

物理概念是培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的載體,情境能為物理概念教學(xué)提供大量、具體和形象的素材,因此,情境式概念課教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的教學(xué)途徑值得借鑒.在具體操作中,教師需要注意以下兩點(diǎn):(1) 要把握好情境的趣味性、問題性、啟迪性、關(guān)聯(lián)性、任務(wù)性、構(gòu)建性、有效性和目的性等性質(zhì),試著從情境的性質(zhì)入手有效創(chuàng)設(shè)適當(dāng)類型的情境;(2) 要從情境中滲透常識(shí)、意識(shí)、知識(shí)到觀念,循序漸進(jìn)地有效培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念.