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透視高一物理“難學(xué)”現(xiàn)象*
——以“運(yùn)動(dòng)的描述”教學(xué)為例

2018-01-28 21:48
江蘇教育 2018年51期
關(guān)鍵詞:圖線坐標(biāo)軸圖象

在普通大眾心目中,對(duì)高中物理學(xué)習(xí)形成了一些“偏見”。例如物理學(xué)得好的學(xué)生數(shù)學(xué)一定學(xué)得好,但數(shù)學(xué)好的物理不一定好。高中物理是最難學(xué)的一門課,物理學(xué)習(xí)男生要好于女生,學(xué)物理對(duì)智力水平要求高,等等?,F(xiàn)行人教版教材把“運(yùn)動(dòng)學(xué)”放到高中物理的最前面,意圖或許是為了降低學(xué)習(xí)的難度,讓高一學(xué)生更好地適應(yīng)高中物理的學(xué)習(xí),但“難學(xué)”的問題依然十分嚴(yán)重。筆者以為,我們應(yīng)當(dāng)從一線教學(xué)實(shí)踐出發(fā)分析物理“難學(xué)”的原因,進(jìn)而找到對(duì)應(yīng)的解決辦法。

在筆者看來(lái),高中物理的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生來(lái)說是有很大的挑戰(zhàn)的,學(xué)習(xí)難度不可避免地客觀存在。從客觀上來(lái)說主要因素有,初、高中學(xué)習(xí)內(nèi)容跨度大,高中對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求明顯提高,對(duì)學(xué)生的建模能力、理解能力、分析能力、解決實(shí)際問題的能力要求與初中相比顯著提高。從主觀上來(lái)說也有高中要分科,部分學(xué)生缺少學(xué)習(xí)熱情,學(xué)生過早地放棄物理學(xué)習(xí)等原因。由此梳理造成困難的內(nèi)在原因,依據(jù)學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律及認(rèn)知規(guī)律,采取科學(xué)的應(yīng)對(duì)策略可以有效降低學(xué)習(xí)的難度,提振學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情,從而改變學(xué)生對(duì)物理學(xué)科學(xué)習(xí)的態(tài)度,讓更多的學(xué)生樹立“盡管物理有難度但我仍然喜歡,我會(huì)自覺地努力學(xué)習(xí)物理”的觀念。以下結(jié)合物理必修一第一章“運(yùn)動(dòng)的描述”做具體剖析。

一、物理思想方法的變化帶來(lái)的困難

1.更高的要求。

初中學(xué)習(xí)中已經(jīng)涉及的不少物理思想方法,到高中階段有了更高的要求,使得部分學(xué)生覺得難以掌握。我們以“理想模型”為例。將具體復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化,摒棄次要條件,抓住主要因素,對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行理想化處理,構(gòu)建理想化的物理模型,這是一種重要的物理思想。初中階段的“光線”,就是一種理想模型。高中階段對(duì)理想模型要求更高,對(duì)理想模型有了抽象表達(dá),這種表達(dá)對(duì)學(xué)生極具挑戰(zhàn)性。在建立起理想模型的基礎(chǔ)上,有時(shí)為了更加形象地描述所要研究的物理現(xiàn)象、物理問題,還需要引入一些虛擬的內(nèi)容,借此來(lái)形象、直觀地表述物理情景。什么是次要條件、主要因素?對(duì)實(shí)際問題為什么能進(jìn)行理想化處理?這些對(duì)高一學(xué)生來(lái)說都是極具難度的。

高中生最先遇到的物理理想模型是“質(zhì)點(diǎn)”。學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單具體的問題還可以進(jìn)行正確的判斷,但對(duì)于諸如“平動(dòng)的汽車能否看成質(zhì)點(diǎn)”等與實(shí)際結(jié)合的問題或間接表達(dá)的問題,學(xué)生卻難以把握。為幫助學(xué)生克服這一難點(diǎn),教師一方面要對(duì)比初、高中階段對(duì)同一思想方法的不同要求,另一方面則要將學(xué)術(shù)表達(dá)轉(zhuǎn)化為易于學(xué)生理解的表達(dá),要引導(dǎo)學(xué)生從概念的定義和法則出發(fā),去進(jìn)行具體問題的具體分析。

2.更新的方法。

相較于初中物理,高中階段的物理增加了不少新的思想方法,重點(diǎn)有“微元法”和“極限思想”等。

“微元法”是指在處理問題時(shí),從對(duì)事物的極小部分(微元)分析入手,達(dá)到解決事物整體目的的方法。它在解決物理學(xué)問題時(shí)很常用,思想就是“化整為零”,先分析“微元”,再通過“微元”分析整體。把變化的物理量通過無(wú)限細(xì)分后,轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算的恒量,從而解決問題。

“極限思想”是微積分的基本思想,數(shù)學(xué)分析中的一系列重要概念,如函數(shù)的連續(xù)性、導(dǎo)數(shù)以及定積分,等等,都是借助于極限來(lái)定義的。極限思想本是高等數(shù)學(xué)中的知識(shí),在高中階段不可能也不需要把具體知識(shí)體系教給學(xué)生,但作為思想方法,它的重要性反而更高。雖然對(duì)問題的分析都是定性的,卻反映了思維的質(zhì)量和深度。在處理勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移、瞬時(shí)速度、變力做功等問題時(shí)都會(huì)涉及。

以“瞬時(shí)速度”學(xué)習(xí)為例,在測(cè)量瞬時(shí)速度時(shí)采取的策略是:用平均速度來(lái)代替瞬時(shí)速度,選擇研究點(diǎn)的前后相鄰點(diǎn)間的距離作為位移,時(shí)間則通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量,前后相鄰點(diǎn)離研究點(diǎn)越近則平均速度越接近研究點(diǎn)的瞬時(shí)速度。筆者課后在與學(xué)生交流時(shí)多數(shù)學(xué)生表示:“由于計(jì)算平均速度研究的是過程,對(duì)應(yīng)的是時(shí)間,瞬時(shí)速度對(duì)應(yīng)的是時(shí)刻,心里總覺得平均速度跟瞬時(shí)速度總歸有一點(diǎn)差異,我只能當(dāng)作結(jié)論來(lái)記住了。”由此看來(lái)學(xué)生還是沒有真正接受與理解這樣的實(shí)驗(yàn)做法。為更好地幫助學(xué)生掌握瞬時(shí)速度的概念,教學(xué)時(shí)可以通過對(duì)一個(gè)具體問題進(jìn)行深入研究,如對(duì)紙帶上某點(diǎn)瞬時(shí)速度測(cè)量,以此點(diǎn)為基點(diǎn),從較大的相鄰兩點(diǎn)間距離開始,逐步減小兩點(diǎn)間的距離,通過測(cè)量、計(jì)算,把得到的速度和通過其他方法得到的瞬時(shí)速度進(jìn)行比對(duì),通過增強(qiáng)事實(shí)的直觀性提升說服力,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)可度,也使得學(xué)生更加理解相關(guān)思想方法。

二、從經(jīng)驗(yàn)思維走向科學(xué)思維帶來(lái)的困難

1.生活經(jīng)驗(yàn)及初中思維習(xí)慣帶來(lái)的影響。

生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)有時(shí)具有負(fù)面的影響,例如亞里士多德關(guān)于重量和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的描述來(lái)源于生活觀察,但它是不科學(xué)的,并且影響了人類兩千多年,直到伽利略出現(xiàn),他利用邏輯的力量推翻了這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。由此可見,生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)人類認(rèn)識(shí)世界的影響之大。從初中到高中學(xué)生要經(jīng)歷從經(jīng)驗(yàn)思維到科學(xué)思維的跨越。

2.“前概念”的影響。

初中物理的學(xué)習(xí)更多地停留在較為理想的情境,對(duì)問題的處理比較單一,思維的要求不高,再加上應(yīng)試教育在一定程度上加劇了對(duì)物理現(xiàn)象的片面認(rèn)識(shí),形成了一些固化的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知,即物理“前概念”。生活經(jīng)驗(yàn)及初中形成的思維對(duì)學(xué)習(xí)高一物理產(chǎn)生影響的典型“前概念”有:運(yùn)動(dòng)快就是速度大,負(fù)的速度比正的速度小,速度由增大變?yōu)闇p小方向變了;速度由正變?yōu)樨?fù),加速度變了;加速度為負(fù),速度一定減??;第2秒末在時(shí)間軸上對(duì)應(yīng)的是第3秒等。為解決這一問題,對(duì)教學(xué)概念的要求要發(fā)生變化:概念的定義是簡(jiǎn)潔的,但學(xué)生對(duì)概念內(nèi)涵的理解應(yīng)該是豐富的,對(duì)概念外延要認(rèn)知清晰;要引導(dǎo)學(xué)生不僅關(guān)注常規(guī)性現(xiàn)象,還要關(guān)注非常規(guī)性現(xiàn)象并且進(jìn)行比較,形成一個(gè)完整意義上的概念的理解。

3.高強(qiáng)度機(jī)械訓(xùn)練讓學(xué)生陷入推理慣性。

初中生更多的是憑經(jīng)驗(yàn)解題,進(jìn)入高中一個(gè)階段學(xué)習(xí)強(qiáng)化后,學(xué)生又更傾向公式的邏輯推理,這也導(dǎo)致學(xué)生容易脫離生活實(shí)際去空想。這在解決相遇問題中特別明顯。因此教師要及時(shí)教會(huì)學(xué)生結(jié)合實(shí)際構(gòu)建運(yùn)動(dòng)情境,繪制運(yùn)動(dòng)過程的簡(jiǎn)圖,描繪相關(guān)運(yùn)動(dòng)圖象,如v-t圖等。

曾有個(gè)典型的情境讓筆者觸動(dòng)很深。在學(xué)習(xí)了“自由落體運(yùn)動(dòng)”后,筆者讓學(xué)生做了一道練習(xí):甲、乙兩物體在同一地點(diǎn)分別從4h和h高處開始做自由落體運(yùn)動(dòng),若甲的質(zhì)量是乙的4倍,則下列說法中正確的是( )

A.甲乙兩物體落地時(shí)速度相等;

B.落地時(shí)甲的速度是乙的兩倍;

C.甲乙兩物體同時(shí)落地;

D.甲在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是乙的兩倍

筆者以為此題很簡(jiǎn)單,因而讓學(xué)生稍作思考后就進(jìn)行回答。結(jié)果一名學(xué)生居然說答案是A,理由是后經(jīng)深入交流發(fā)現(xiàn),他沒有完全讀懂題目的意思,認(rèn)為同一地點(diǎn)就是同一高度,然后就直接套用公式。

為更好地解決這一不足,我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)要關(guān)注學(xué)生解題的量的同時(shí)還要關(guān)注質(zhì),更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生解題過程中審題、表達(dá)、檢查等習(xí)慣的養(yǎng)成。

三、用數(shù)學(xué)解決物理問題的要求顯著提高帶來(lái)的困難

1.要求用數(shù)形結(jié)合解決問題。

在高中物理學(xué)科的數(shù)形結(jié)合部分,學(xué)生多容易混淆圖象與圖形的區(qū)別。從計(jì)算機(jī)學(xué)來(lái)說,圖形是矢量文件,由一組組數(shù)據(jù)構(gòu)成,隨著圖象的放大縮小圖形不會(huì)變形或清晰度降低。而圖象是點(diǎn)陣圖,由像素填充。此外,圖形是指在一個(gè)二維空間中可以用輪廓?jiǎng)澐殖鋈舾傻目臻g形狀,它是空間的一部分,不具有空間的延展性,是局限的、可識(shí)別的形狀。

我們要在教學(xué)中逐漸讓學(xué)生明晰,對(duì)物理學(xué)而言,當(dāng)用精確的數(shù)學(xué)描述、表達(dá)物理概念的聯(lián)系時(shí),物理圖象的構(gòu)建就開始了。要作出一個(gè)確定的物理圖象,需要得到相關(guān)的函數(shù)關(guān)系式。在把物理量之間的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為圖象時(shí),最重要的就是要明確公式中的哪個(gè)量是自變量,哪些是常量;關(guān)系式描述的是哪兩個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系,這兩個(gè)物理量就是物理圖象中的兩個(gè)坐標(biāo)軸。只有從高一開始培養(yǎng)學(xué)生這樣的意識(shí),才能使他們順利跨越對(duì)圖形圖象的模糊認(rèn)識(shí)。

除了區(qū)分圖形與圖象,高中生在物理學(xué)習(xí)中還常對(duì)物理情境與圖象的轉(zhuǎn)化感到棘手。為此,教師有必要選取典型例題與習(xí)題,在每個(gè)單元的教學(xué)結(jié)束后有意識(shí)地進(jìn)行講解與滲透。

2.要求對(duì)數(shù)學(xué)圖象進(jìn)行物理解讀。

結(jié)合物理要求,科學(xué)認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)圖象的物理特定意義,能收到事半功倍的效果。為此在教學(xué)中,教師可以有針對(duì)性地向?qū)W生講解,以提升學(xué)生理解數(shù)學(xué)圖象的能力。筆者梳理出常見“點(diǎn)、線、面”的含義如下——

點(diǎn):圖線上每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)研究對(duì)象的一個(gè)狀態(tài)。

線:表示研究對(duì)象的變化過程和規(guī)律。物理學(xué)圖象中的“斜率”(注意與數(shù)學(xué)上斜率的區(qū)別)在直線中表示橫、縱坐標(biāo)上兩物理量的比值,在曲線中表示該點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)微小變化量的比值。一個(gè)物理量與“斜率”對(duì)應(yīng),用于求解定量計(jì)算中對(duì)應(yīng)物理量的大小或定性分析變化的規(guī)律。如在線性變化圖象中,x-t圖象的“斜率”表示速度大小,v-t圖象的“斜率”表示加速度大小。

面:在物理圖象中,“面積”的意義可以分為兩大類。一類是圖線與坐標(biāo)軸所圍的“面積”,它表示相關(guān)的過程,如v-t圖象中,圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示位移;a-t圖象中,圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示速度的變化;F-t圖象中,圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示力F的沖量;I-t圖象中,圖線與坐標(biāo)軸所圍“面積”表示流過導(dǎo)體的電荷量等。另一類是圖線上某一點(diǎn)的坐標(biāo)與坐標(biāo)軸所圍的“面積”表示相關(guān)的狀態(tài)量,如U-I圖象中,圖線上任一點(diǎn)到坐標(biāo)軸的垂線與坐標(biāo)軸所圍的“面積”等于對(duì)應(yīng)狀態(tài)的電功率。

綜上,學(xué)生感到高中物理“難學(xué)”有其客觀原因,教師應(yīng)“對(duì)癥下藥”,讓學(xué)生逐漸地沖破“難學(xué)”的道道關(guān)卡,從而更好地完成高中物理的學(xué)習(xí)。

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