基于原始物理問題的教學實踐

陳燕琴

(浙江省回浦中學,浙江 臺州 317000)

1 在物理教學中引入原始問題的必要性

趙凱華教授指出：“在我們的教學中,同一問題,既可以把原始的物理問題提交給學生,也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后再提交給學生。習慣于解后一類問題的學生,在遇到前一類問題時,往往會不知所措。”[1]這里提到的“原始物理問題”是指自然界及社會生產、生活中客觀存在的,能反映物理概念、物理規(guī)律且尚未被人加工的典型物理問題。“原始物理問題”具有非常規(guī)性和非現(xiàn)成性,它往往需要學生透過實際情境發(fā)現(xiàn)物理本質，進而抽象出物理模型,并在此基礎上運用所學知識解決問題,因此無法通過簡單模仿的方式實現(xiàn)問題解決。中學生之所以對“物理原始問題”常表現(xiàn)出不知所措,多是因為習慣了現(xiàn)成的物理模型，而欠缺關鍵信息提取能力及物理模型建構能力。因此,在教學中非常有必要在“抽象物理問題”教學的基礎上，引入“原始物理問題”教學,培養(yǎng)學生的模型建構能力,提高學生的物理學科核心素養(yǎng)。

2 基于原始物理問題的教學途徑

為保證原始物理問題教學的成功開展,需要教師課前精心鉆研教材,了解學情,并以此選用合適的素材創(chuàng)設原始物理問題。因此基于原始物理問題的教學需要教師投入更多的時間和精力。為培養(yǎng)學生的模型建構能力及科學思維能力,教學可按如圖1所示的路徑展開。

圖1

在教學開展前,教師要分析學情及教學內容,挖掘學生熟悉的教學素材。在課堂教學中,展現(xiàn)實際情境,生成課堂教學所需的原始物理問題；通過對原始物理問題的分析、抽象,建構問題解決所需的物理模型；引導學生利用所學物理知識開展科學推理、科學論證、科學探究等活動,從中建構新知,進而解決問題,并對學生學習效果進行評價。筆者以“焦耳定律”教學為例,探討基于原始物理問題的教學。

2.1 教材與學情分析

“焦耳定律”是人教版高中物理選修3-1中第二章《恒定電流》的第5節(jié)內容。學生在學習前已經熟練掌握了電功、電功率、電熱、熱功率的計算表達式,但尚未明了電功與電熱、電功率與熱功率之間的區(qū)別和聯(lián)系。而且,受初中純電阻學習的影響,學生對電功與電熱尤其是電功率與熱功率的區(qū)別存有較大困難。本節(jié)課的主要學習目標為：(1) 從電能向其他形式能的轉化視角理解電功與電動率；(2) 知道焦耳定律的物理意義,關注焦耳定律在生活、生產中的應用；(3) 從能量的轉化和守恒的視角理解電功和電熱的區(qū)別,知道純電阻電路和非純電阻電路。理解純電阻與非純電阻的區(qū)別是突破教學難點、達成學習目標的關鍵。

2.2 基于原始問題的教學設計

電風扇是學生熟悉的家用電器,利用它可以實現(xiàn)從純電阻問題向非純電阻問題的順利轉化,因此可選為課堂教學的重要素材。課堂以“研究風扇起火原因”為明線、以“研究純電阻與非純電阻對應的電功率和熱功率關系”為暗線展開教學,教學結構設計如圖2所示，課堂重要教學環(huán)節(jié)設計具體如下。

圖2

(1) 基于生活情境,生成原始問題

教師播放新聞視頻《安全第一：小心電風扇起火》，提問：轉動不暢的電風扇為什么會起火？學生討論、提出自己的觀點,但無法說明本質原因。

教師點撥：“著火”跟電風扇轉動不暢、正常運轉時有著怎樣的區(qū)別？

不少學生會因為時間問題而對初中所學的焦耳熱、電功、熱功率、電功率有所遺忘,教師可借此和學生一起對相應的電學知識進行有效復習。

(2) 分析原始問題,建構物理模型

學生猜測：電風扇著火說明電風扇生熱變快,也就是熱功率變大。

教師啟發(fā)：電風扇運轉不暢時,為什么熱功率會變大？

學生猜測：流過電風扇的電流變大。

教師提問：電風扇運轉不暢時電流是否真的會變大？電阻不變?yōu)槭裁措娏鲿兇螅?/p>

學生遇到障礙,無法回答。

教師引導：我們不妨通過實驗模擬,嘗試找出其中原因。請同學們設計模擬實驗，畫出對應的電路圖。

教師在學生畫出電路圖的基礎上進一步優(yōu)化,利用與電風扇串聯(lián)的小燈泡亮度直觀顯示電流的變化情況(圖3)。

圖3

(3) 立足物理模型,建立物理規(guī)律

① 定性實驗,引發(fā)認知沖突

學生根據(jù)設計的實驗電路圖連接線路,并觀察電風扇運轉不暢(卡住)與正常轉動時小電燈泡亮度變化,驗證猜想。

教師提問：電風扇運轉不暢時小燈泡變亮,說明同學們的猜想正確,確實是電流變大導致電風扇熱功率變大。但電風扇電阻不變,為何電流會變大？

以此激發(fā)學生的認知沖突,他們通過討論依然無法化解。

教師引導：焦耳熱是通過電流做功轉化而來,電功率與熱功率有著重要的聯(lián)系,我們不妨通過研究電功率與熱功率的關系來尋找答案。

② 定量實驗,化解認知沖突

教師引導學生復習焦耳定律、熱功率,并從電流做功的微觀本質推導電功和電功率的表達式，實現(xiàn)初、高中知識銜接。

圖4

學生分組合作,在原有實驗基礎上,設計實驗(圖4),分組測量電風扇運轉不暢、電風扇正常運轉、定值電阻等的電功率和熱功率,完成實驗記錄(表1),并找尋規(guī)律。

各組共享數(shù)據(jù),討論得出實驗結論,并分析風扇正常轉動時電功率和熱功率不相等的原因。

教師引導：電功、焦耳熱、電功率、熱功率都涉及能量問題,同學們可從能量角度尋找原因。

表1 定量研究電功率和熱功率關系

學生討論交流,從能量轉化及能量守恒的視角得出電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。

③ 深入本質,構建純電阻與非純電阻

教師引導學生在能量守恒的基礎上構建純電阻與非純電阻的概念。

(4) 掌握物理規(guī)律,化解原始問題

學生在掌握電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系以及純電阻與非純電阻的概念后,學以致用解決本堂節(jié)課的原始物理問題：運轉不暢的電風扇為什么會起火？同時,教師可憑借學生在對問題解決時的表現(xiàn),對學生學習效果進行評價。

3 總結與反思

課堂教學以“電風扇運轉不暢時為什么會起火”的原始物理問題為主線,引導學生經歷“生活現(xiàn)象呈現(xiàn)→原始問題分析→物理模型建構→引發(fā)認知沖突→定量實驗探究→化解認知沖突→建立物理規(guī)律→化解物理問題”等一系列過程。其中物理模型的建構是學生由“原始問題”到“深入研究”的關鍵,也是后續(xù)化解學習障礙的思維起點。基于“原始物理問題”的教學注重學生模型建構能力的培養(yǎng),有利于解決學生在真實物理情境中出現(xiàn)的思維混亂、思維僵化、毫無頭緒等問題。同時,將“抽象物理問題”教學中的“為學而學”轉變?yōu)椤霸嘉锢韱栴}”教學中的“為用而學”，能讓學生基于內在發(fā)展需求展開積極、主動的學習活動,并在問題解決過程中經歷模型建構、科學推理、科學論證等思維過程,促進學生提高思維的深刻性、獨創(chuàng)性以及靈活性,[2]有效提升學生的核心素養(yǎng)。基于“原始物理問題”的教學模式既適用于某一節(jié)課，也適用于某一單元,為使課堂教學順利開展,關鍵在于教師要勤于鉆研教材,不斷積攢素材,精準把握學情,為學生設計基于“原始物理問題”的教學。