情境理論下培養學生物理觀念的教學途徑探討
——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,廣東 湛江 524100; 2. 嶺南師范學院附屬中學,廣東 湛江 524048)

物理學研究內容是宇宙的基本組成部分:物質、能量、空間、時間及其相互關系.新課標明確要求高中物理教學要培養學生物理觀念,但實際上,學生平常學習的往往是物理概念或物理規律.物理概念只是知識,而不是觀念,因此教學就陷入困局:知道要培養學生的物理觀念,但教的卻是概念,概念如何才能轉變成觀念?有什么途徑嗎?今昔概念教學的區別在哪里?如何才能實現從三維目標到核心素養目標的教育目的呢? 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學生物理觀念的教學途徑,展示如何在概念課中慢慢地培養學生的物理觀念.

1 相關概念的界定

1.1 物理課程標準中的物理觀念

物理觀念是基于物理概念和客觀規律,經過邏輯加工的一種物理哲學思想,是從物理學視角形成的關于物質、運動、相互作用與能量等的基本認識,是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華,是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.物理觀念包括物質觀、運動觀、相互作用觀和能量觀.[1]其中物理觀念形成過程的架構為:事實經驗、概念規律、核心概念、物理觀念、應用實踐、遷移創新.[2]物理觀念形成的初級標志是能將物理概念規律等知識遷移應用于實際問題中,如解釋自然現象或解決實際問題,終極標志是學生能實現思維上的遷移創新.

1.2 物理概念

物理概念是某類物理現象和物理過程的共同性質和本質特性在人們頭腦中的反映,是對物理現象、物理過程抽象化和概括化的思維形式.[3]這一性質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、形象的現象或事實中產生的.

1.3 情境與情境教學

情境就是影響個體行為變化的各種刺激的自然現象所構成的特殊環境,往往被認為是展開的有一定事實情節的環境.情境教學的概念,首先由布朗、科林斯和杜吉德于1989年在“情境認知與學習文化”的論文中提出:“知識只有在它們產生及應用的情境中才能產生意義.”情境教學要求教師根據教學目的的需要,調節情節與環境二者的地位,并對其進行改造,使之能激發學生的興趣、啟發學生的思維、開發學生的探究能力等,從而提高教學的成效.[4]情境的形式一般是真實、具體、形象、能夠提出待研究問題、能夠提供學習信息的文字資料、圖片資料、視頻資料或實體場景.有效的情境必須具備趣味性、問題性、啟迪性、關聯性、任務性、構建性和有效性等性質.

2 情境理論下的高中物理概念課教學

2.1 情境與物理概念、物理觀念之間的邏輯關系

由情境認知理論可知,物理概念只有在它們產生及應用的情境中才能產生意義.物理概念絕不能從它本身所處的環境中孤立出來.學習物理概念的最好方法就是在現象事實所構成的情境中進行.其中,物理概念具有客觀性,物理觀念具有相對主觀性,因為物理觀念是本體主觀地將物理知識通過某種途徑綜合起來最終形成的知識體系.因此,情境、物理概念與物理觀念之間存在一定的教學邏輯關系(圖1).

圖1 概念培養物理觀念的教學邏輯關系

2.2 情境理論下的高中物理概念課教學途徑

《普通高中物理課程標準(2020年修訂)》明確建議:物理概念的建立需要創設情境.從對教材的觀察與對課堂教學的實踐研究中,可知物理學科所用的情境主要來源于生活生產、自然現象、科研前沿、物理學史和理論探究等,因此物理教學所創設的情境類型主要有生活生產情境、體驗情境、實驗情境、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、情境的性質和圖1的教學邏輯關系,本文提出基于情境理論下的物理概念課培養學生物理觀念的教學途徑(如圖2所示),簡稱情境式概念課教學. 情境式概念課教學主要有4個關鍵環節:抓住趣味性,創設體驗情境,喚醒學生物理常識,引出物理概念;注重啟迪性,創設實驗情境,從特點性質方面修正物理概念,使學生萌發物理意識;利用質疑性,創設理論情境,從不同角度完善物理概念,發展學生的物理知識;注重關聯性,創設應用情境,最后遷移物理概念去解決問題,檢驗學生的物理知識形成程度,若最后能在學生的大腦中構建完整的知識體系,那就證明了學生已經形成了相關方面的物理觀念.

圖2 情境教學培養物理觀念的教學途徑

3 情境式概念課教學案例

“液體的表面張力”是物理選擇性必修第3冊的一個課例.下面我們從課標、學情和教材幾個方面來分析,以期從中找出課例的教學目標和合適的教學途徑.

3.1 課標分析

“液體的表面張力” 的課標內容:通過觀察液體的表面張力現象,了解表面張力產生的原因,知道毛細現象.很明顯,這個課例重在現象觀察,因此本課例非常適合用情境式概念課教學途徑進行授課.教師在授課時要有意識地創設與液體關聯的情境,在課堂上給學生提供理解表面張力的經驗情境,引導學生從生活情境中去觀察液體表面現象,從實驗情境中發現液體表面特點、從理論情境中論證液體表面的本質特征、從應用情境中(如浸潤、不浸潤或毛細現象)應用表面張力概念.

3.2 學情分析

學生對液體的現象并不陌生,但對表面張力概念陌生,因為以往的經驗沒有出現過表面張力概念,學生頭腦中基本沒有表面張力的意識.鑒于對浮力的學習經驗,學生會混淆浮力與表面張力概念,產生疑惑,陷于迷思概念狀態中,所以“液體的表面張力”的教學建議從熟悉的日常現象中出發,試著把生活現象創設成生活情境、體驗情境、實驗情境等供學生思考的課堂經驗.

3.3 教材分析

為了能更好地把握這節課的突破口和落腳點,我們對比分析了當前5個版本的教材,具體如表1所示,以期給概念課教學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 教學目標

綜上所述,本課例是一般概念課,會經歷一般概念、學科初級概念、學科大概念過程來培養學生物理觀念,對情境非常倚重,因此,本課例的教學目的就是要通過創設相關情境,使復雜問題簡單化,使抽象概念形象化,使知識角度多面化,引導學生觀察現象,理解表面張力,能用表面張力知識解釋自然現象,完善對液體的認識,形成相對完整、科學的液體觀念.通過創設問題情境發展學生的物理觀念,發展學生觀察、分析、推理、論證等科學思維;通過創設實驗情境發展學生的科學探究能力;通過創設實驗情境培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度及科學精神.

3.5 教學過程

根據情境式概念課教學途徑,我們把情境式概念課教學中的主要4個關鍵環節,分成以下4個步驟去組織課堂教學.

第1步:體驗情境,喚醒物理常識,引出物理概念.

創設體驗情境: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 體驗情境

情境活動與任務.

活動任務1:學生觀察圖片,討論“為什么輕小物體能浮在水面,而不沉入水中”原因.

活動任務2:學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.

設計意圖:以熟悉的生活現象為情境,引起學生的興趣;關注學生元認知,激發認知沖突,為表面張力概念做鋪墊.

實踐分析:生活情境使學生覺得物理親切,又能引出學生的元認知,導致學生能用物理學角度“重力浮力”的觀念分析問題;體驗情境又使學生覺得物理好玩有趣,同時在視覺沖擊中暴露了元認知的不足,激發學生學習的動力和好勝心.

創設生活情境:展示氣球與水珠、靜止在保鮮膜上的手機和停在水上的水黽(圖5);播放CCTV9紀錄片《隱形世界》視頻.

情境活動與任務.

活動任務1:教師提出問題:液體的表面有什么特點呢?學生觀察并猜測,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.

活動任務2:學生從視頻中發現水滴下落在水面上,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.

活動任務3:師生概括歸納,由于液體表面繃緊得像一張彈性薄膜,能對停在液體表面的物體起到支撐的作用.在物理學上,我們把液體表面能產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.

設計意圖:對比情境學習,以舊喚新,符合學生的認知規律,鍛煉學生的類比思維,鍛煉學生從不同現象中找共性,然后概括歸納概念的能力.

實踐分析:從對比情境中,學生猜測液體表面也像彈性薄膜一樣;從視頻情境中,學生感覺自己的猜測成立,心中自我構建液體表面特點和理解了物體能浮在水面的原因,最后從現象共性中構建新概念.

第2步:實驗情境,修正物理概念,萌發物理意識.

創設實驗情境:一個裝有肥皂水的燒杯、一個帶有細線的圓環和一根燒紅的針(圖6).

圖6 探究實驗情境

情境活動與任務.

活動任務1:學生把圓環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,學生觀察薄膜的變化情況.

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

圖7 驗證實驗情境

設計意圖:探究實驗情境能使學生找出表面張力的特點,驗證實驗情境使學生從理想回歸現實,既能補充表面張力的特點,又能修正表面張力與現實的差異.

實踐分析:實驗探究情境使學生學習熱情高漲,動手操作帶來興奮,同時能近距離觀察實驗現象,認真細致找表面張力的特點.然而現實中橢圓形的水滴又狠狠打臉,使學生很困惑痛苦,此時演示式的驗證實驗又為學生撥開眼前的迷霧,大量情境視覺刺激,感性理性思維交互,激發學生的物理意識萌芽.

第3步:理論情境,完善物理概念,發展物理知識.

創設理論情境:表面張力為什么能使液體收縮呢?

情境活動與任務.

活動任務1:教師提出問題:生活中哪些力也能產生收縮的效果呢,在什么狀態下能產生收縮的效果?學生聯想并關聯遷移應用其他知識,如用彈簧的彈力特點來解釋.

活動任務2:教師提出問題:液體分子什么情況下也會產生收縮的引力,跟液體表面有什么關系嗎?學生聯想,關聯最近發展區知識,如分子動理論,分析論證(圖8).

圖8 理論情境

創設體驗情境:一把小刀、保鮮膜、氣球(圖9).

圖9 類比情境

情境活動與任務.

活動任務:教師提出問題:液體表面張力是分子引力的宏觀表現,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,那么我們應該如何描述液體表面張力的方向?學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

設計意圖:銜接表面張力特點,進階學習液體產生收縮特點的原因,邏輯合理.類比情境能啟迪學生思維,使學生正確思考,容易想到的關鍵詞,有利于學生解決理論情境下的問題,完善概念內容,突破本節課的重難點,養成宏觀、微觀多角度科學思考的好習慣.

實踐分析:理論情境問題驅動學生聯想,從關鍵詞很快說出彈力和彈簧平衡位置.類比情境使學生易得到猜測,再關聯遷移分子動理論知識,有水到渠成的效果,有效的情境和點睛式的問題完全能引導學生完成對概念的完善、對知識的構建、組建完整的知識體系(物理觀念).

第4步:應用情境,應用物理概念,檢驗物理知識.

創設應用情境: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).

創設探究實驗情境:玻璃管插入液體中(圖12).

圖12 探究實驗情境

創設問題情境:我國為紀念孫中山逝世3周年將植樹節定于每年3月12日,植樹節是按照法律規定宣傳保護樹木,并組織動員群眾積極參加以植樹造林為活動內容的節日.提倡通過這種活動,激發人們愛林造林的熱情、意識到環保的重要性.種植樹木的時候為什么要用力踩實泥土,而農民為什么要經常給土地松土呢?

情境活動與任務.

活動任務1:教師展示應用情境圖片,學生觀察圖片特點,應用表面張力知識解釋現象原因.

活動任務2:學生分別把粗細相同的玻璃管插入清水和紅墨水中,觀察實驗現象;教師播放玻璃管插入水銀中的實驗,學生觀看實驗現象,概括歸納浸潤不浸潤概念,對比分析兩種實驗結果,并猜測原因,分子力的不同作用情況.

活動任務3:學生把粗細相同的玻璃管插入清水中,觀察實驗現象,構建毛細現象概念.

活動任務4:教師出示問題情境,學生根據信息的提示,應用表面張力、浸潤現象、不浸潤現象和毛細現象知識解釋交流,解決問題.

設計意圖:通過應用情境、驗證情境和問題情境,關聯生活生產事實,使學生構建表面張力下的子概念,發展學生解釋交流、解決問題的能力,檢驗學生物理觀念形成的程度.

實踐分析:應用情境使學生親切,覺得物理來源于生活應用于生活,有學以致用的心理.探究情境使學生積極性被調動起來,能發展學生基于證據思考的科學習慣,同時又鍛煉了學生的科學探究能力.問題情境給學生展現交流解釋、表現自己的機會,同時也能把關本節課的學習掌握程度.

4 結束語

物理概念是培養學生物理觀念的載體,情境能為物理概念教學提供大量、具體和形象的素材,因此,情境式概念課教學培養學生物理觀念的教學途徑值得借鑒.在具體操作中,教師需要注意以下兩點:(1) 要把握好情境的趣味性、問題性、啟迪性、關聯性、任務性、構建性、有效性和目的性等性質,試著從情境的性質入手有效創設適當類型的情境;(2) 要從情境中滲透常識、意識、知識到觀念,循序漸進地有效培養學生的物理觀念.