物理學(xué)習(xí)路徑的特征與尋找方法

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學(xué),浙江 溫嶺 317502)

日常生活中的路徑有起點(diǎn)、過程和終點(diǎn)．相應(yīng)地,物理學(xué)習(xí)路徑也有起點(diǎn)、過程和終點(diǎn)．物理學(xué)習(xí)路徑的起點(diǎn)指學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗(yàn),過程指學(xué)生的物理思維過程,終點(diǎn)指學(xué)生對知識的表征方式．

1 物理學(xué)習(xí)路徑的特征

1.1 適切性

學(xué)生的物理學(xué)習(xí)路徑并非只有一條,世界上也不存在最好的學(xué)習(xí)路徑．但應(yīng)有一條非常適合自己學(xué)校、自己眼前學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑．這條學(xué)習(xí)路徑受制于學(xué)校的硬件、學(xué)生的基礎(chǔ)和教師的能力等實(shí)際情況．

像某些實(shí)驗(yàn),由于學(xué)校的器材太少,只能做做演示實(shí)驗(yàn),無法開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)．這時,學(xué)生的物理學(xué)習(xí)路徑就只有通過觀察演示實(shí)驗(yàn)、討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等過程而展開．象有些實(shí)驗(yàn)方案很多,由于學(xué)習(xí)時間有限,我們也不可能在一節(jié)課中將每種方案都試過去．例如,“實(shí)驗(yàn):探究碰撞中的不變量”的學(xué)習(xí),可用于探究的學(xué)習(xí)路徑很多．有“用氣墊導(dǎo)軌做碰撞實(shí)驗(yàn)”、“用兩個懸掛的擺球做碰撞實(shí)驗(yàn)”、“用裝有撞針的小車與裝有橡皮泥的小車做碰撞實(shí)驗(yàn)”、“質(zhì)量不同小球碰后做平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)”等多種形式．如考慮到實(shí)驗(yàn)的精度問題,學(xué)校又恰好有氣墊導(dǎo)軌器材,可選用第1種學(xué)習(xí)路徑來學(xué)習(xí)．如考慮到學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng),學(xué)校關(guān)于擺球碰撞的創(chuàng)新性器材也比較多等這些因素,可選用第2種學(xué)習(xí)路徑來學(xué)習(xí)．但第2種方案需要學(xué)校自制的擺球碰撞器材．有些學(xué)校缺少這方面的開發(fā)能力,就不好采用此種學(xué)習(xí)路徑．如考慮到學(xué)校購置的小車上按有撞針,可選用第3種學(xué)習(xí)路徑．但有些學(xué)校根本沒有能按撞針的小車,就不好選用第3種學(xué)習(xí)路徑．這時第4種學(xué)習(xí)路徑——用“質(zhì)量不同小球碰后做平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)”來探究碰撞規(guī)律,就不失為一條較為合適的學(xué)習(xí)路徑．因此,我們要從學(xué)校、學(xué)生與教師的實(shí)際情況出發(fā),來選擇當(dāng)前最適切的學(xué)習(xí)路徑．但是,這一條路徑對其他學(xué)校、其他學(xué)生、其他教師來說,就不一定是最佳的．

1.2 靈活性

在物理學(xué)習(xí)中,物理學(xué)習(xí)路徑隨不同學(xué)校教學(xué)資源的不同而靈活變化．例如,在沒有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的日子里,學(xué)生學(xué)習(xí)“作用力與反作用力的關(guān)系”時,只能用兩把彈簧秤來探究兩者的大小與方向關(guān)系．但局限于靜態(tài)問題的實(shí)驗(yàn)．對于加速、減速時,兩者的大小、方向關(guān)系就無從入手．待有了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教具后,學(xué)生的物理學(xué)習(xí)路徑就發(fā)生了質(zhì)的變化．學(xué)生學(xué)習(xí)這一關(guān)系時,可以親手通過力傳感器來比較“物體做直線運(yùn)動、曲線運(yùn)動”,“加速運(yùn)動、減速運(yùn)動、勻速運(yùn)動”,以及處于靜止?fàn)顟B(tài)時,兩力的大小、方向問題．在光影畫布、頻閃小球出現(xiàn)前,我們在探究平拋運(yùn)動規(guī)律的學(xué)習(xí)路徑中,常用“描跡法”畫出小球做平拋運(yùn)動的軌跡,再來研究小球做平拋運(yùn)動的規(guī)律．現(xiàn)在時代發(fā)展了,有了光影畫布和頻閃小球作為物理學(xué)習(xí)的用具,學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑就發(fā)生了質(zhì)變．只要在光影畫布上覆蓋一張印有小方格的透明膜,就可直接利用頻閃小球在光影畫布上留下的痕跡來進(jìn)行研究．顯然,在新課學(xué)習(xí)中,后一種學(xué)習(xí)路徑就比原先的要好得多．當(dāng)然,在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中,還是保留“留跡法”這條學(xué)習(xí)路徑．因?yàn)樗N(yùn)含了一種獨(dú)特的研究路徑,在此不再贅述．

1.3 發(fā)展性

學(xué)習(xí)路徑并非是固定不變的,是隨教學(xué)理念、學(xué)生知識經(jīng)驗(yàn)、教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展而發(fā)展的．

第一,學(xué)習(xí)路徑隨教學(xué)理念的發(fā)展而發(fā)展．應(yīng)試導(dǎo)向的學(xué)習(xí)路徑與素養(yǎng)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)路徑是不同的．像《伽利略對自由落體運(yùn)動的研究》之類的物理學(xué)史課,在應(yīng)試導(dǎo)向的教學(xué)中,主要采用教師講學(xué)生聽的方式進(jìn)行,教師講完后,再提供幾個常考的物理學(xué)思想方法問題讓學(xué)生練習(xí)．同一個課題,在素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)中,教師設(shè)置問題情境、利用已有知識、運(yùn)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)等多種方法,優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑,獲得更好的教育效益．具體操作如下: (1) 教師設(shè)置物理悖論情境組織正反方學(xué)生參與討論,讓學(xué)生深切感受邏輯推理的力量; (2) 教師引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識經(jīng)驗(yàn)對“做自由落體運(yùn)動物體的速度與時間成正比還是與位移成正比”提出質(zhì)疑,讓學(xué)生在質(zhì)疑中獲得成功的體驗(yàn); (3) 教師提供滴水計(jì)時裝置,讓學(xué)生模擬伽利略當(dāng)年做過的“斜面實(shí)驗(yàn)”,通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”思想．

第二,學(xué)習(xí)路徑隨學(xué)生知識經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展而發(fā)展．學(xué)生學(xué)了運(yùn)動學(xué)規(guī)律和牛頓運(yùn)動定律后,碰到動力學(xué)問題就只能用“力觀點(diǎn)的路徑”來解決．及至學(xué)了動能定理和能量守恒定律后,學(xué)生的能力提升了,碰到動力學(xué)問題就能用“力觀點(diǎn)的路徑”和“能量觀點(diǎn)的路徑”來解決．這時,就會優(yōu)先考慮用“能量觀點(diǎn)的路徑”來解決動力學(xué)問題．等到學(xué)了動量定理和動量守恒定律后,學(xué)生的能力更強(qiáng)了,碰到動力學(xué)問題就能用“力觀點(diǎn)的路徑”、“能量觀點(diǎn)的路徑”和“動量觀點(diǎn)的路徑”來解決．對于單一物體,就會優(yōu)先考慮動能定理和動量定理．對于多個物體組成的系統(tǒng),就會優(yōu)先考慮機(jī)械能守恒定律與動量守恒定律,不會都從牛頓運(yùn)動定律出發(fā)來求解了．

第三,學(xué)習(xí)路徑隨教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展而發(fā)展．教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展,會促使教學(xué)方法的改變,將直接影響著學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的變化．如圖1所示是教材上的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)．教師按照這個實(shí)驗(yàn)來演示,驗(yàn)電器指針根本不會張開,無法達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果．初入職教師常借助PPT呈現(xiàn)圖1,采用講實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法來教學(xué)．等教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)增加后,他們會分析這一實(shí)驗(yàn)不能成功的原因: (1) 鋅板在弧光燈的照射下,發(fā)射出光電子,鋅板失去電子帶上正電,在鋅板周圍形成一個電場; (2) 鋅板射出的光電子越多,鋅板周圍的電場越強(qiáng); (3) 鋅板周圍的電場阻礙光電子的射出,由于射出的光電子過少,無法觀察到驗(yàn)電器指針的偏轉(zhuǎn); (4) 鋅板與驗(yàn)電器的連接上存在漏電現(xiàn)象,也會影響指針偏轉(zhuǎn)的觀察．而后,根據(jù)這一實(shí)際情況,改進(jìn)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置和做法,就可以成功演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)了,具體如圖2所示．為了減少鋅板與驗(yàn)電器的連接漏電現(xiàn)象,將驗(yàn)電器直接安裝到驗(yàn)電器的頂端．為了避免鋅板周圍電場對光電子的阻礙作用,將與毛皮摩擦過帶負(fù)電的橡膠棒接觸鋅板,使鋅板先帶上負(fù)電．弧光燈照射鋅板時,鋅板周圍的電場不影響光電子的飛出,鋅板因飛出光電子,導(dǎo)致驗(yàn)電器指針偏角減小．現(xiàn)象明顯,效果很好．這都得益于教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的提升．

圖1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖2 光電效應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2 物理學(xué)習(xí)路徑的尋找方法

2.1 已有知識經(jīng)驗(yàn)尋找的方法

2.1.1 教材分析法

通過教材分析法,了解學(xué)生共性的問題,獲得學(xué)生初始的學(xué)習(xí)路徑．其中,教材分析要從物理核心素養(yǎng)的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任這四個維度來分析．例如,磁感應(yīng)強(qiáng)度教學(xué)目標(biāo)的分析．(1) 物理觀念:說出磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理意義、方向、大小和單位;知道磁感應(yīng)強(qiáng)度定義式的適用條件;會解釋磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的決定因素;會用磁感應(yīng)強(qiáng)度定義式判斷實(shí)際問題和進(jìn)行相關(guān)的定量計(jì)算．(2) 科學(xué)思維:通過磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的比較,體會物理學(xué)中的類比思維;通過電流元法、以勻代變極限思想和比值定義法的運(yùn)用,領(lǐng)會物理學(xué)中的邏輯思維方法．(3) 科學(xué)探究:通過演示實(shí)驗(yàn),體會磁感應(yīng)強(qiáng)度概念形成的實(shí)驗(yàn)方法;通過“探究影響通電導(dǎo)線受力因素”的實(shí)驗(yàn),領(lǐng)會控制變量法．(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過探究磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的決定因素,養(yǎng)成大膽質(zhì)疑的態(tài)度;通過不同磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度大小實(shí)驗(yàn)的測定,形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度．

2.1.2 訪談分析法

訪談分析法是在了解學(xué)生共性的基礎(chǔ)上,融入學(xué)生個體差異的做法．例如,教師提出一個問題:對計(jì)算任何用電器的電功率都適用的公式是P=W/t、P=UI、P=I2R、P=U2/R．如某學(xué)生多選了P=I2R和P=U2/R．教師馬上就可以判斷出該學(xué)生沒有厘清純電阻電路和非純電阻電路的區(qū)別．又如,教師讓某學(xué)生說出“在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,哪些實(shí)驗(yàn)要用到紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器”?根據(jù)這位學(xué)生回答的多寡,教師可以獲取該學(xué)生“力學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性程度”的高低情況．

2.1.3 問卷調(diào)查法

問卷調(diào)查法是一種涉及到學(xué)生個人的調(diào)查方法,可以更快地了解學(xué)生的已有知識經(jīng)驗(yàn),包括學(xué)習(xí)經(jīng)歷、學(xué)到了什么和掌握程度3個方面．下面以伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)為例來說明問卷調(diào)查法的具體操作過程．(1) 學(xué)習(xí)經(jīng)歷的問卷調(diào)查．在伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)中:有無“在一大堆有多余器材中選擇合適儀器”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷?有無根據(jù)指針的實(shí)際偏轉(zhuǎn)情況在實(shí)驗(yàn)中靈活調(diào)整“電流表、電壓表量程”的經(jīng)歷?有無獨(dú)立操作“滑動變阻器分壓式接法、限流式接法”的經(jīng)歷?有無“根據(jù)電流表、電壓表量程正確讀數(shù)”的經(jīng)歷?(2) 學(xué)到了什么的問卷調(diào)查．在伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)中:電表讀數(shù)一般不少于量程的多少分之一?在什么條件下宜用電流表外接法?在什么條件下宜用電流表內(nèi)接法?(3) 掌握程度的問卷調(diào)查．在伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)中:在什么條件下宜用滑動變阻器的分壓式接法?記錄電流、電壓數(shù)據(jù)時,電流表、電壓表的估讀有什么規(guī)則?

2.2 學(xué)生思維過程尋找的方法

2.2.1 觀察法

觀察法主要涉及兩種方法,一是教師看學(xué)生做,二是教師聽學(xué)生說．例如,光電效應(yīng)問題．一波長為200nm的紫外光照射金屬銅,有光電子從銅表面逸出,經(jīng)過一個電場強(qiáng)度大小為15N/C的勻強(qiáng)電場,最大運(yùn)動距離為0.1m,則金屬銅的截止波長為多大．

教師問:上述問題可以轉(zhuǎn)化為求入射光的頻率和逸出光電子的最大初動能．

圖3 光電效應(yīng)示意圖

通過觀察法,教師可以獲取學(xué)生的思維過程,如圖4所示．

圖4 學(xué)生的思維過程

2.2.2 預(yù)測法

(1) 教師提出問題．例如,教師問:一個氫原子處于n=4的能級上,自發(fā)輻射時最多能輻射出幾種頻率不同的光子?教師預(yù)測多數(shù)學(xué)生的思維過程:一種是學(xué)生畫出如圖5所示的氫原子躍遷圖,認(rèn)為自發(fā)輻射時最多能輻射出6種頻率不同的光子．另一種是學(xué)生根據(jù)C42=6,得出自發(fā)輻射時最多能輻射出6種頻率不同的光子．教師預(yù)測個別學(xué)生的思維過程:如圖5所示,畫的是一群氫原子處于n=4能級上,自發(fā)輻射時所輻射出不同頻率光子的情況．這樣的話,就有6種光子．但對于一個處于n=4的氫原子,躍遷時不能既從4→3,又從4→2,還從4→1．可以從4→1,輻射出一種光子．可以從4→3,3→2,輻射出2種光子．可以從4→3,3→1,輻射出兩種光子．可以從4→2,2→1,輻射出2種光子．可以從4→3,3→2,2→1,輻射出3種光子．如圖6所示,一個氫原子躍遷最多輻射的光子數(shù)應(yīng)是3種．

圖5 氫原子的躍遷

圖6 一個氫原子躍遷最多輻射的光子種數(shù)

(2) 教師問學(xué)生是否這樣．

圖7 靜摩擦力的方向

學(xué)生思維過程的尋找還可根據(jù)教師的推測,問學(xué)生是否這樣．例如,如圖7所示,物體相對轉(zhuǎn)動圓盤靜止,隨圓盤一起做勻速圓周運(yùn)動,請判斷物體所受靜摩擦力的方向．

教師可以這樣問學(xué)生:物體所受的靜摩擦力與相對運(yùn)動趨勢方向相反．由于俯視時,圓盤做逆時針方向轉(zhuǎn)動,圖示位置物體的速度方向垂直紙面指向紙內(nèi),物體有相對圓盤沿物體速度方向滑的趨勢,所以物體所受的靜摩擦力方向?yàn)榇怪奔埫嬷赶蚣埻猓@種說法是否正確？

教師還可以這樣問學(xué)生:物體做勻速圓周運(yùn)動合力指向哪里?物體受到哪幾個力的作用?豎直方向上的重力和支持力是一對平衡力,水平方向的靜摩擦力應(yīng)指向哪里?

2.3 學(xué)生知識表征尋找的方法

2.3.1 課堂提問

2.3.2 隨堂檢測

通過隨堂檢測,尋找學(xué)生的知識表征．例如,在學(xué)生學(xué)了電勢能概念后,教師提出下列問題,進(jìn)行隨堂檢測．有一所帶電荷量q=-2×10-8C的點(diǎn)電荷,從電場中的A點(diǎn)沿電場線移到B點(diǎn),克服靜電力做功為6×10-6J,從B點(diǎn)移到C點(diǎn),靜電力做功為8×10-6J．則(1) 請判斷同一負(fù)電荷在A、B、C3個不同位置處,電勢能的高低情況．(2) 如以C點(diǎn)為零勢能點(diǎn),電荷在A點(diǎn)的電勢能為多少?

學(xué)生在紙上畫出圖8,展示了他的思維過程．如B在A右側(cè),負(fù)電荷從A到B,電場力做負(fù)功,

圖8 點(diǎn)電荷沿電場線的運(yùn)動

則電場力向左．負(fù)電荷從B到C,電場力做正功,表明C在B左側(cè),由于|WBC|>|WAB|,則C在A左側(cè)．因此,學(xué)生得到了如負(fù)電荷從B經(jīng)A到C,電場力做正功,電勢能減小,則EpC>EpA>EpB．

學(xué)生在紙上寫出了WAC=WAB+WBC=-6×10-6J+8×10-6J=2×10-6J,以C點(diǎn)為零勢能點(diǎn),WAC=EpA-EpC=EpA-0,則EpA=2×10-6J．

根據(jù)學(xué)生的展示情況,教師可以知道這位學(xué)生的知識表征是完善的．

2.3.3 作業(yè)分析

圖9 下落的小球陷入沙中

參考文獻(xiàn)：

1 蔡干斌.基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式[J].物理教師，2017(6)：19-22.