蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學(xué)，浙江 溫嶺 317502)

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基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式

蔡千斌

(浙江省溫嶺市新河中學(xué)，浙江 溫嶺 317502)

本文提出了基于概念學(xué)習(xí)路徑、基于規(guī)律學(xué)習(xí)路徑、基于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式,豐富了基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)方式．

高中物理； 教學(xué)模式； 學(xué)習(xí)路徑

1 基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑高中物理教學(xué)的提出

近來(lái),筆者觀摩了多節(jié)高級(jí)別的省級(jí)公開課,發(fā)現(xiàn)高中物理教學(xué)中存在著一些不良的現(xiàn)象．一種是執(zhí)教者為創(chuàng)新而創(chuàng)新,課堂表演味道太濃,花樣玩得太多,到要揭示物理本質(zhì)的時(shí)候,下課鈴卻響了．這是教師從表演途徑出發(fā)來(lái)組織教學(xué),沒(méi)有從學(xué)生學(xué)習(xí)路徑出發(fā)來(lái)組織教學(xué)所造成的．結(jié)果學(xué)生的概念學(xué)習(xí)不夠清晰,規(guī)律學(xué)習(xí)比較模糊．另一種是課堂教學(xué)缺乏規(guī)范的操作路徑,某些教學(xué)環(huán)節(jié)明顯缺失,導(dǎo)致學(xué)生的物理學(xué)習(xí)體驗(yàn)不足．例如,在概念、規(guī)律的應(yīng)用后,缺乏題后的反思總結(jié),教師與學(xué)生都沒(méi)有用一種非?？隙ǖ?、到位的語(yǔ)言來(lái)概括,造成學(xué)生的學(xué)習(xí)不夠深刻．另外,實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中還是告知的較多,缺乏真正的探究體驗(yàn)．基于上述問(wèn)題,筆者提出了基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)方式．基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)是從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)體驗(yàn)出發(fā),根據(jù)物理概念、物理規(guī)律、實(shí)驗(yàn)探究等內(nèi)在的邏輯規(guī)律來(lái)組織教學(xué)的過(guò)程．

2 基于學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式

2.1 基于概念學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式

基于概念學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式是沿著“設(shè)置情境——引出概念——闡釋內(nèi)涵——應(yīng)用概念——拓展概念”進(jìn)行的．首先設(shè)置一個(gè)情境,提出一個(gè)問(wèn)題．然后通過(guò)邏輯推理,得出物理結(jié)論．再引導(dǎo)學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題．要順利地解決某個(gè)問(wèn)題,必須引出一個(gè)物理概念才能講清楚．接著闡明概念的內(nèi)涵,進(jìn)行概念的初步應(yīng)用．最后還要進(jìn)一步拓展概念的外延．

這種教學(xué)模式的特點(diǎn)是概念學(xué)習(xí)的路徑比較簡(jiǎn)潔,能抓住概念的本質(zhì)和概念理解的突破點(diǎn)．例如,在熵的教學(xué)中,有教師列舉了大量的生活事例,像“學(xué)生做操后解散,隊(duì)伍變亂”、“圖書掉地、花瓶落地、木頭腐爛、金屬生銹”等．這些生活中的事件講得太多,反而不能引起學(xué)生對(duì)物理本質(zhì)的思考,不如大膽刪去．抓住概念理解的突破點(diǎn),讓學(xué)生“從統(tǒng)計(jì)概率的角度來(lái)理解熵”．從這個(gè)角度來(lái)設(shè)置情境,符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),學(xué)生能正確理解熵的基本特點(diǎn)．

案例:熵概念的教學(xué)．

(1) 設(shè)置情境.

一個(gè)容器被隔板分成左右相等的兩個(gè)部分,左邊有氣體,右邊為真空．抽掉隔板后,氣體均勻地充滿整個(gè)容器,但是不會(huì)出現(xiàn)充滿整個(gè)容器的氣體自動(dòng)地收縮回左邊,使右邊成為真空的現(xiàn)象．如何從微觀的角度來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象?

得出結(jié)論:對(duì)于單個(gè)分子或少量分子來(lái)說(shuō),它們擴(kuò)散到容器右邊的過(guò)程原則上是可逆的．

對(duì)于大量分子組成的宏觀系統(tǒng)來(lái)說(shuō),它們向容器右邊自由膨脹的宏觀過(guò)程實(shí)際上是不可逆的．這就是宏觀過(guò)程的不可逆性在微觀上的統(tǒng)計(jì)解釋．

(2) 引出概念.

(3) 闡釋內(nèi)涵.

熵大,出現(xiàn)的概率大,意味著無(wú)序、混亂、分散．熵小,出現(xiàn)的概率小,意味著有序、整齊、集中．

(4) 應(yīng)用概念.

將一滴紅墨水滴入一杯清水中,會(huì)均勻分布在整杯水中,在這個(gè)過(guò)程中,熵增大還是減少?(答案為:熵增大．)

(5) 拓展概念.

拓展1:在熱傳遞現(xiàn)象中,系統(tǒng)自發(fā)地從溫度不均勻趨向均勻;在功熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中,系統(tǒng)自發(fā)地從宏觀有規(guī)則的機(jī)械運(yùn)動(dòng)趨向微觀分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng);在擴(kuò)散現(xiàn)象中,系統(tǒng)自發(fā)地從物質(zhì)集中趨向分散．熱過(guò)程的方向性可以表述為一條原理:孤立系統(tǒng)的熵總是增加的,或者孤立系統(tǒng)的熵總不減少,這就是熵增加原理．

拓展2:現(xiàn)在,熵的概念已經(jīng)拓展到了各個(gè)領(lǐng)域．在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域,生產(chǎn)是以形成高熵“廢物”為代價(jià)而產(chǎn)生出高度有序低熵產(chǎn)品的過(guò)程;消費(fèi)是向無(wú)序發(fā)展,是熵增加的過(guò)程．在工業(yè)領(lǐng)域,礦石成為鋼鐵,是向有序的過(guò)程;機(jī)器成為廢鐵,是熵增加的過(guò)程．煉鐵的生產(chǎn)過(guò)程,從熵的觀點(diǎn)來(lái)看,煉成的是低熵狀態(tài)的鐵,同時(shí)產(chǎn)生了高熵的廢渣、廢氣,整體的熵依然增加．目前,熵已被人們視為是一種世界觀．

2.2 基于規(guī)律學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式

(1) 從定性到定量的規(guī)律學(xué)習(xí)路徑模式.

從定性到定量的規(guī)律學(xué)習(xí)路徑模式是沿著“定性討論——定量實(shí)驗(yàn)(或理論推導(dǎo))——得出規(guī)律——適用條件(或各量意義)——直接應(yīng)用——題后反思——拓展應(yīng)用”進(jìn)行的．先是通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)(或問(wèn)題)做定性的探討,然后通過(guò)一個(gè)定量的實(shí)驗(yàn)來(lái)總結(jié)規(guī)律(或通過(guò)邏輯推理推導(dǎo)出某個(gè)規(guī)律),接著闡述規(guī)律的適用條件、規(guī)律中各量取正負(fù)值的物理意義,再是進(jìn)行規(guī)律的簡(jiǎn)單應(yīng)用,通過(guò)題后的反思,總結(jié)規(guī)律應(yīng)用的解題方法等,最后做進(jìn)一步的拓展應(yīng)用．

這種模式是按“定性——定量——結(jié)論”的思路來(lái)展開教學(xué)的,符合學(xué)生的認(rèn)知路徑．比如,在熱力學(xué)第一定律的教學(xué)中,教師從壓縮氣體做功的定性小實(shí)驗(yàn)→焦耳槳葉攪拌的定量實(shí)驗(yàn)→結(jié)論:ΔU=W．這樣的教學(xué),學(xué)生學(xué)起來(lái)就比較輕松．因?yàn)橛辛硕ㄐ詫?shí)驗(yàn),能起到激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣．再介紹焦耳的定量實(shí)驗(yàn),能讓學(xué)生感到物理學(xué)科是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?是容不得半點(diǎn)差錯(cuò)的．最后,以數(shù)學(xué)結(jié)論進(jìn)行概括,既讓學(xué)生感到自然界的規(guī)律是簡(jiǎn)潔的、優(yōu)美的,又讓學(xué)生體會(huì)到“理論只有用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)時(shí),才上升為科學(xué)”．

案例:熱力學(xué)第一定律的教學(xué)．

定性討論1:在一個(gè)配有活塞的厚壁有機(jī)玻璃筒底放入一小團(tuán)蘸了乙醚的硝化棉,用力迅速壓下活塞,觀察筒底硝化棉的變化,并解釋原因．

定量實(shí)驗(yàn)1:介紹焦耳的槳葉攪拌實(shí)驗(yàn)．說(shuō)明在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過(guò)程中,系統(tǒng)內(nèi)能的增加量ΔU等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W,即ΔU=W．

定性討論2:大口玻璃瓶?jī)?nèi)裝一些水,水面上方有無(wú)色的水蒸氣,用帶孔的橡皮塞塞住瓶口,給瓶?jī)?nèi)打氣,當(dāng)瓶塞“砰”地跳出時(shí),觀察瓶?jī)?nèi)的變化,并解釋原因．

定量實(shí)驗(yàn)2:介紹焦耳的磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)．說(shuō)明在外界沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)做功的過(guò)程中,系統(tǒng)內(nèi)能的增加量ΔU等于系統(tǒng)從外界所吸收的熱量Q,即ΔU=Q．

得出規(guī)律:綜合定量實(shí)驗(yàn)1、2,得出:在系統(tǒng)跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程中,系統(tǒng)內(nèi)能的增加量ΔU等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量Q與外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W之和．這個(gè)關(guān)系叫做熱力學(xué)第一定律,用公式表示為ΔU=Q+W．

各量意義:請(qǐng)你說(shuō)出熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式中ΔU、Q、W這3個(gè)物理量所取正、負(fù)值的意義．

直接應(yīng)用:一定質(zhì)量的氣體從外界吸收熱量3.2×105J,對(duì)外做功4.0×105J,則氣體的內(nèi)能如何變化,變化了多少?

題后反思:說(shuō)出應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法、步驟和注意事項(xiàng)．

拓展應(yīng)用:不需任何動(dòng)力和燃料,能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器,人們把它叫做“第一類永動(dòng)機(jī)”．在20世紀(jì)20年代德國(guó)發(fā)行了一張“第一類永動(dòng)機(jī)”的明信片——“拿愛因斯坦開玩笑”,如圖1所示．請(qǐng)你說(shuō)說(shuō)看這種永動(dòng)機(jī)能否實(shí)現(xiàn),理由是什么?

圖1 德國(guó)發(fā)行的第一類永動(dòng)機(jī)的明信片

(2) 蘊(yùn)含物理學(xué)史的規(guī)律學(xué)習(xí)路徑模式.

蘊(yùn)含物理學(xué)史的規(guī)律學(xué)習(xí)路徑模式是沿著“規(guī)律建立的基礎(chǔ)——規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立——規(guī)律的適用范圍”進(jìn)行的．首先從物理學(xué)史的角度來(lái)認(rèn)識(shí)規(guī)律得出的必要準(zhǔn)備,然后介紹規(guī)律發(fā)現(xiàn)和確立的過(guò)程,讓學(xué)生領(lǐng)悟到一個(gè)規(guī)律的得出并非是一蹴而就的,也并非一個(gè)人就能得出的,常常是一個(gè)群體的智慧的結(jié)晶．最后還要對(duì)規(guī)律的適用范圍提出質(zhì)疑,看看能否普遍適用,讓學(xué)生充分感受到物理學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)性．

這種教學(xué)模式是基于科學(xué)的發(fā)展歷史,是以事實(shí)為依據(jù)的一種教學(xué)．能讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到當(dāng)年科學(xué)家們面對(duì)原始的物理問(wèn)題時(shí),他們是如何思考與探索的,又是如何解決的．這是一種顯化科學(xué)方法的物理教學(xué)方式．

案例:能量守恒定律的教學(xué)．

規(guī)律建立的基礎(chǔ):能量守恒定律的建立離不開自然哲學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)和物理理論這3個(gè)方面的必要準(zhǔn)備．17世紀(jì),人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的某個(gè)量是守恒的．笛卡爾、萊布尼茲都提出了運(yùn)動(dòng)中守恒的量．但僅局限于機(jī)械運(yùn)動(dòng),沒(méi)有深入到其他運(yùn)動(dòng)．到了19世紀(jì),物理學(xué)的研究范圍不斷擴(kuò)大．電池的發(fā)明,電流磁效應(yīng)、溫差電現(xiàn)象、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、溫差電現(xiàn)象的逆效應(yīng)珀耳帖效應(yīng)等現(xiàn)象的相繼發(fā)現(xiàn),所有這些運(yùn)動(dòng)形式之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)提供了基本的條件．還有,德國(guó)自然哲學(xué)中相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的思想為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)提供了適宜的思想基礎(chǔ)．

規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立:介紹德國(guó)醫(yī)生邁爾發(fā)現(xiàn)人在熱帶時(shí)的靜脈血比在溫帶時(shí)要紅,暴風(fēng)雨中的海水比較熱,從自然哲學(xué)的思想出發(fā)提出了能量守恒的觀點(diǎn)．焦耳歷經(jīng)40年,通過(guò)槳葉攪拌實(shí)驗(yàn)、磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)等,精確地測(cè)定了熱功當(dāng)量的數(shù)值,為能量守恒定律打下了牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．亥姆霍赫茲闡述了熱、功、化學(xué)能、電磁能、光能、機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律,建立了能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式．在大量事實(shí)的基礎(chǔ)上確立了能量守恒定律．

規(guī)律的適用范圍:介紹1914年的“能量失竊案”．查德威克在做放射性實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)原子核A放射出β粒子后,變成原子核B,原子核B與β粒子的總能量比變化前原子核A的總能量要?。柛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí),指出在微觀粒子領(lǐng)域內(nèi)要放棄能量觀點(diǎn)．泡利認(rèn)為能量守恒定律是普遍適用的．為了拯救能量守恒定律,他提出在原子核里還有一種尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子,這種粒子不帶電,質(zhì)量很小很小,實(shí)驗(yàn)中“失竊”的能量就是被這個(gè)新粒子——中微子所帶走的．直到1956年,人類首次捕捉到中微子．泡利拯救能量守恒定律的壯舉終于得以實(shí)現(xiàn)．因此得出結(jié)論:不管是宏觀世界還是微觀世界,只要有能量轉(zhuǎn)化,就一定遵守能量守恒定律．

2.3 基于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式

基于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式是沿著“情境設(shè)置——問(wèn)題討論——實(shí)驗(yàn)操作——數(shù)據(jù)處理——問(wèn)題拓展”進(jìn)行的．通過(guò)設(shè)置的情境,得出實(shí)驗(yàn)的原理．通過(guò)問(wèn)題討論,解決實(shí)驗(yàn)操作中的疑點(diǎn)難點(diǎn)．通過(guò)操作,親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)過(guò)程.在操作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題．通過(guò)問(wèn)題拓展,解決與本實(shí)驗(yàn)緊密相關(guān)的問(wèn)題．

這種教學(xué)模式秉承的原則是“做與不做不一樣,認(rèn)真做與不認(rèn)真做不一樣,做了思考過(guò)與沒(méi)有思考過(guò)不一樣”．實(shí)驗(yàn)前不直接告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)的原理,讓學(xué)生通過(guò)思考得出實(shí)驗(yàn)的原理．在操作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,討論問(wèn)題,解決問(wèn)題,從而真正提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力．

案例:“用油膜法估測(cè)分子的大小”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)．

情境設(shè)置:一個(gè)量筒中盛放著一堆綠豆,將這堆綠豆倒入一個(gè)較大的淺盤中,綠豆平鋪開來(lái),形成薄薄的一層．將綠豆看成為球形,如果測(cè)出綠豆薄層的面積,就可粗略地得到綠豆的直徑．說(shuō)說(shuō)看,這是什么道理?

圖2 油膜的形狀

問(wèn)題討論:利用上述方法,我們可以粗略地測(cè)出油酸分子的直徑．將一滴純油酸滴入水中,形成一個(gè)薄層,面積將會(huì)很大,因此需將油酸與酒精相混配成一定濃度的油酸酒精溶液．比如,在1mL的油酸中加入酒精配成500mL的油酸酒精溶液．用注射器吸入油酸酒精溶液在水面滴上一滴．(1) 如何知道這一滴油酸酒精溶液的體積?(2) 怎么計(jì)算這一滴油酸酒精溶液中所含的純油酸體積?(3) 油酸酒精溶液滴入水中時(shí),酒精溶于水并很快揮發(fā),剩下的就是油酸的單層油膜,但油膜無(wú)色,肉眼看不清,有什么方法可將油膜顯示出來(lái)?(4) 能否將注射器高高地置于水面上方，往水面上滴油酸的酒精溶液,為什么?(5) 油膜不能近似均勻地在水面上散開成圓形,而是呈現(xiàn)如圖2所示的尖刺狀,這是什么緣故,如何克服?(6) 當(dāng)油酸酒精溶液滴入水中時(shí),水面的痱子粉會(huì)一下子近似均勻地散開,然后往回收縮,這是什么原因?(7) 等液面穩(wěn)定后,如何記錄并測(cè)量油膜的面積?(8) 怎么求油酸的直徑?

實(shí)驗(yàn)操作: (1) 用注射器吸取1mL體積比為1∶500的油酸酒精溶液,往量筒中逐滴滴入,記錄滴數(shù)．(2) 在淺盤中倒入適量的水,在水面上均勻地撒上痱子粉．(3) 將一滴油酸酒精溶液滴入水中,待液面穩(wěn)定后用印有小方格的透明塑料板蓋在盤子上,用記號(hào)筆描下油膜的輪廓,數(shù)出小方格的總格數(shù)并記錄下來(lái)．?dāng)?shù)據(jù)處理： (1) 求出1滴油酸酒精溶液中所含純油酸的體積.(2) 計(jì)算油膜的面積.(3) 求出油酸的直徑.

問(wèn)題拓展:實(shí)驗(yàn)完成后,倒掉盤中的水,簡(jiǎn)單沖一下,就能重做同樣的實(shí)驗(yàn)嗎,為什么?如果不能,應(yīng)當(dāng)怎樣沖洗做過(guò)實(shí)驗(yàn)的淺盤?

3 總結(jié)

總之,本文提出的基于概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)路徑的高中物理教學(xué)模式,簡(jiǎn)潔清楚,環(huán)節(jié)完整,操作簡(jiǎn)單,便于推廣．杜絕了基于教師表演路徑的高中物理教學(xué)問(wèn)題,規(guī)范了高中物理教學(xué)的基本環(huán)節(jié),使廣大高中物理教師在遵循學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的教學(xué)上有章可依．

1 蔡鐵權(quán).普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-3[M].北京： 教育科學(xué)出版社，2006：83.

本文系2017年度浙江省教科規(guī)劃重點(diǎn)研究課題“高中物理‘微課程群’的構(gòu)建與實(shí)施”(編號(hào)： 2017SB073)； 浙江省臺(tái)州市教科規(guī)劃課題“七選三背景下高中物理體驗(yàn)式教學(xué)的研究”； 浙江省臺(tái)州市教研規(guī)劃課題“高中物理深度備課的研究”的研究成果.

2016-12-17)