高中物理學習路徑獲取的三個維度*

蔡千斌

(溫嶺市新河中學 浙江 臺州 317502)

基于學生學習路徑的高中物理教學是發展學生物理核心素養的重要途徑．因為學生物理學習路徑的“起點、過程和終點”分別對應著“學生已有知識經驗、學生思維過程和學生知識表征”這3個要素[1]，所以學生物理學習路徑的獲取就應著眼于學生已有知識經驗、學生思維過程和學生知識表征這三個維度．

1 學生已有知識經驗

學生已有知識經驗需從“初中教材”和“學生原有物理知識的的熟練程度”這兩個方面去獲取．

1.1 初中教材

1.2 學生原有物理知識的熟練程度

學生原有物理知識的熟練程度怎么樣，是知道這一知識，還是能夠靈活應用這一知識？知道的情況怎么樣，是比較完善的，還是存在較多紕漏？教師讓學生說一說頭腦中印象深刻的物理知識，畫一畫對應的物理知識結構圖，做一做相關的物理問題，就可以獲取學生對已有知識的熟練情況．例如，關于重力的說法，學生能夠說出3點.

(1)重力的大小：G=mg；

(2)重力的方向：豎直向下；

(3)重力的施力物體：地球．

據此，教師可以判斷：學生關于重力的說法是清晰的，但站在一個結構完備的角度上來看，學生關于重力的圖式是有缺陷的．存在的缺陷有：

(1)重力的產生原因是什么？

(2)重力大小計算公式G=mg中的g與必修1第二章中的重力加速度g一樣嗎？

(3)重力的大小能否測量，用什么工具來測量？

(4)重力的方向豎直向下是一個什么樣的方向，如斜面上物體所受重力的方向豎直向下是指垂直斜面向下嗎？

(5)一個物體的每一部分都受到重力的作用嗎？

等等．

2 學生思維過程

學生思維過程可從“問題解決”和“課堂教學中的互動”這兩個方面去獲取．

2.1 問題解決

通過問題解決，讓學生呈現自己的思維過程，教師從中獲取學生思維過程中存在的問題．例如，電磁感應中的焦耳熱問題．相距L=1.5 m的足夠長金屬導軌豎直放置，質量為m1=1 kg的金屬棒ab和質量為m2=0.27 kg的金屬棒cd均通過棒兩端的套環水平地套在金屬導軌上，如圖1(a)所示，虛線上方磁場方向垂直紙面向里，虛線下方磁場方向豎直向下，兩處磁場磁感應強度大小相同．ab棒光滑，cd棒與導軌間動摩擦因數為μ=0.75，兩棒的電阻相等，均為0.9 Ω，導軌電阻不計，ab棒在方向豎直向上、大小按圖1(b)所示規律變化的外力F作用下，從靜止開始，沿導軌向上做勻加速運動，同時cd棒也由靜止釋放，g取10 m/s2．已知在2 s內外力F做功40 J，求這一過程中ab棒所產生的焦耳熱．

圖1 電磁感應中的焦耳熱問題

學生呈現自己的思維過程：

(1)對ab棒

F-m1g-BIL=m1a

v=at

由F-t圖像得

則

當t=0時

a=1 m/s2

(2)對ab棒，由動能定理得

v=at=2 m/s

Qab=W安

則

Qab=18 J

據此，教師可以獲取到學生思維中存在的問題：學生誤認為ab棒克服安培力所做功的大小就是ab棒產生的焦耳熱．

2.2 課堂教學中的互動

通過師生互動的方式，教師可以獲取學生問題解決的思維過程．

比如，針對上述“電磁感應中的焦耳熱問題”，教師在課堂教學中可以采用問題鏈的形式開展課堂互動，以獲取學生的思維過程．

師：功是能量轉化的量度．做了多少功，就表明有多少能量發生了轉化．安培力對ab棒所做負功的絕對值大小等于電路中什么能量的變化大小？

生：等于ab棒電流發熱產生內能的大小．

師：ab棒上有電流通過時，cd棒上也有電流通過，那么cd棒電流發熱產生的內能對應的是哪個安培力所做負功的大小？

生：cd棒所受的安培力．

師：cd棒所受的安培力指向哪里？

生：垂直紙面向內．

師：cd棒所受的安培力對cd棒做功嗎？

生：不做功．

師：既然cd棒所受的安培力不做功，我們就不能說“cd棒電流發熱產生的內能等于cd棒受到安培力所做負功的大小”．那么，cd棒電流發熱產生的內能應該對應哪個安培力所做負功的大小？

生：只能是ab棒．

師：這樣的話，說明安培力對ab棒所做負功的絕對值大小應當等于電路中誰產生的焦耳熱？

生：安培力對ab棒所做負功的絕對值大小等于ab棒、cd棒產生的總的焦耳熱．

師：Qab應該等于多少？

再如，在“磁感應強度”概念的教學中，教師提出問題：“在磁場中垂直于磁場方向的通電導線，所受的磁場力F跟電流I和導線長度L的乘積IL的比值叫磁感應強度．”在磁感應強度的定義中，為什么要求磁場方向與通電直導線垂直？此時，學生無言以對．

針對這一問題，教師在課堂教學中可以采用啟發的形式開展課堂互動，以獲取學生的思維過程．

教師啟發：磁場與通電直導線平行的話是否可以呢，為什么？

生：不可以．平行時，通電直導線所受的力為零，無法判斷磁場的強弱．

教師再啟發：磁場方向與通電直導線既不平行也不垂直的話是否可以呢，為什么？

生甲：這時通電直導線所受的力不是最大，無法試探出磁場最強的一面．

生乙：只有磁場方向與通電直導線相垂直時，磁場最強的一面才能表現出來．

生丙：要試探磁場的強弱，就應該讓磁場最強的一面表現出來，因此試探磁場強弱時，磁場方向與通電直導線必須垂直．

3 學生知識表征

關于知識表征我們要明確3點．首先是知識表征的特征．從心理學角度來看，知識表征是靜態的，也有人稱之為一個狀態量．其次是知識表征的形式．學生的知識表征有多種形式，包括語言、文字、圖象、公式、概念圖和知識結構圖等各種形式．第三是知識表征的獲取角度．學生知識表征可從“學之前的知識表征”和“學之后的知識表征”這兩個方面去獲取．

3.1 學之前的知識表征

獲取學生學之前的知識表征，目的是確定教學的基點．例如，學生在學高中“摩擦力”之前的知識表征是這樣的．

(1)摩擦力分為滑動摩擦力和靜摩擦力；

(2)只有運動的物體才會受到滑動摩擦力，靜止物體受到的摩擦力是靜摩擦力不是滑動摩擦力；

(3)滑動摩擦力的方向與物體的運動方向相反．

3.2 學之后的知識表征

獲取學生學之前的知識表征，目的是評估教學的終點，看看是否達成了學習的目標，如沒有則需作出相應的調整以彌補學生的學習結果．例如，學生學了高中“摩擦力”之后的知識表征發生了變化．

(1)運動的物體、靜止的物體都能受到滑動摩擦力的作用．象用黑板擦擦黑板時，黑板擦與黑板之間發生了相對滑動，黑板擦受到的是滑動摩擦力．反之，相對地面靜止的黑板也受到黑板擦對它滑動摩擦力的作用．

(2)運動的物體、靜止的物體都能受到靜摩擦力的作用．比如，用大拇指和食指夾著一支豎直方向的鉛筆處于靜止狀態，靜止的鉛筆受到靜摩擦力的作用．這個靜摩擦力與鉛筆的重力是一對平衡力．又如，用大拇指和食指夾著一支豎直方向的鉛筆勻速向上運動，鉛筆處于平衡狀態，與鉛筆重力相平衡的是手指對它的摩擦力．由于手指與鉛筆之間沒有發生相對滑動，鉛筆所受的摩擦力是靜摩擦力．可見，運動的物體也可受到靜摩擦力的作用．

(3)滑動摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反，而與物體的運動方向可以相同也可以相反．如圖2所示，傳送帶沿順時針方向勻速轉動，傳送帶的速度為v1，小物體以速度v2滑上傳送帶的左端．如v2小于v1，小物體相對傳送帶的運動方向向左，則傳送帶對小物體的滑動摩擦力水平向右，與小物體的運動方向相同．如v2大于v1，小物體相對傳送帶的運動方向向右，則傳送帶對小物體的滑動摩擦力水平向左，與小物體的運動方向相反．

圖2 傳送帶上的摩擦力

總之，從“學生已有知識經驗、學生思維過程、學生知識表征”這三個維度去獲取高中物理學習路徑的“起點、過程和終點”，這是優化高中物理學習路徑，實現學生物理素養發展的重要基礎．