基于原始物理问题的教学实践

陈燕琴

(浙江省回浦中学,浙江 台州 317000)

1 在物理教学中引入原始问题的必要性

赵凯华教授指出：“在我们的教学中,同一问题,既可以把原始的物理问题提交给学生,也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生,在遇到前一类问题时,往往会不知所措。”[1]这里提到的“原始物理问题”是指自然界及社会生产、生活中客观存在的,能反映物理概念、物理规律且尚未被人加工的典型物理问题。“原始物理问题”具有非常规性和非现成性,它往往需要学生透过实际情境发现物理本质，进而抽象出物理模型,并在此基础上运用所学知识解决问题,因此无法通过简单模仿的方式实现问题解决。中学生之所以对“物理原始问题”常表现出不知所措,多是因为习惯了现成的物理模型，而欠缺关键信息提取能力及物理模型建构能力。因此,在教学中非常有必要在“抽象物理问题”教学的基础上，引入“原始物理问题”教学,培养学生的模型建构能力,提高学生的物理学科核心素养。

2 基于原始物理问题的教学途径

为保证原始物理问题教学的成功开展,需要教师课前精心钻研教材,了解学情,并以此选用合适的素材创设原始物理问题。因此基于原始物理问题的教学需要教师投入更多的时间和精力。为培养学生的模型建构能力及科学思维能力,教学可按如图1所示的路径展开。

图1

在教学开展前,教师要分析学情及教学内容,挖掘学生熟悉的教学素材。在课堂教学中,展现实际情境,生成课堂教学所需的原始物理问题；通过对原始物理问题的分析、抽象,建构问题解决所需的物理模型；引导学生利用所学物理知识开展科学推理、科学论证、科学探究等活动,从中建构新知,进而解决问题,并对学生学习效果进行评价。笔者以“焦耳定律”教学为例,探讨基于原始物理问题的教学。

2.1 教材与学情分析

“焦耳定律”是人教版高中物理选修3-1中第二章《恒定电流》的第5节内容。学生在学习前已经熟练掌握了电功、电功率、电热、热功率的计算表达式,但尚未明了电功与电热、电功率与热功率之间的区别和联系。而且,受初中纯电阻学习的影响,学生对电功与电热尤其是电功率与热功率的区别存有较大困难。本节课的主要学习目标为：(1) 从电能向其他形式能的转化视角理解电功与电动率；(2) 知道焦耳定律的物理意义,关注焦耳定律在生活、生产中的应用；(3) 从能量的转化和守恒的视角理解电功和电热的区别,知道纯电阻电路和非纯电阻电路。理解纯电阻与非纯电阻的区别是突破教学难点、达成学习目标的关键。

2.2 基于原始问题的教学设计

电风扇是学生熟悉的家用电器,利用它可以实现从纯电阻问题向非纯电阻问题的顺利转化,因此可选为课堂教学的重要素材。课堂以“研究风扇起火原因”为明线、以“研究纯电阻与非纯电阻对应的电功率和热功率关系”为暗线展开教学,教学结构设计如图2所示，课堂重要教学环节设计具体如下。

图2

(1) 基于生活情境,生成原始问题

教师播放新闻视频《安全第一：小心电风扇起火》，提问：转动不畅的电风扇为什么会起火？学生讨论、提出自己的观点,但无法说明本质原因。

教师点拨：“着火”跟电风扇转动不畅、正常运转时有着怎样的区别？

不少学生会因为时间问题而对初中所学的焦耳热、电功、热功率、电功率有所遗忘,教师可借此和学生一起对相应的电学知识进行有效复习。

(2) 分析原始问题,建构物理模型

学生猜测：电风扇着火说明电风扇生热变快,也就是热功率变大。

教师启发：电风扇运转不畅时,为什么热功率会变大？

学生猜测：流过电风扇的电流变大。

教师提问：电风扇运转不畅时电流是否真的会变大？电阻不变为什么电流会变大？

学生遇到障碍,无法回答。

教师引导：我们不妨通过实验模拟,尝试找出其中原因。请同学们设计模拟实验，画出对应的电路图。

教师在学生画出电路图的基础上进一步优化,利用与电风扇串联的小灯泡亮度直观显示电流的变化情况(图3)。

图3

(3) 立足物理模型,建立物理规律

① 定性实验,引发认知冲突

学生根据设计的实验电路图连接线路,并观察电风扇运转不畅(卡住)与正常转动时小电灯泡亮度变化,验证猜想。

教师提问：电风扇运转不畅时小灯泡变亮,说明同学们的猜想正确,确实是电流变大导致电风扇热功率变大。但电风扇电阻不变,为何电流会变大？

以此激发学生的认知冲突,他们通过讨论依然无法化解。

教师引导：焦耳热是通过电流做功转化而来,电功率与热功率有着重要的联系,我们不妨通过研究电功率与热功率的关系来寻找答案。

② 定量实验,化解认知冲突

教师引导学生复习焦耳定律、热功率,并从电流做功的微观本质推导电功和电功率的表达式，实现初、高中知识衔接。

图4

学生分组合作,在原有实验基础上,设计实验(图4),分组测量电风扇运转不畅、电风扇正常运转、定值电阻等的电功率和热功率,完成实验记录(表1),并找寻规律。

各组共享数据,讨论得出实验结论,并分析风扇正常转动时电功率和热功率不相等的原因。

教师引导：电功、焦耳热、电功率、热功率都涉及能量问题,同学们可从能量角度寻找原因。

表1 定量研究电功率和热功率关系

学生讨论交流,从能量转化及能量守恒的视角得出电功与电热、电功率与热功率的区别和联系。

③ 深入本质,构建纯电阻与非纯电阻

教师引导学生在能量守恒的基础上构建纯电阻与非纯电阻的概念。

(4) 掌握物理规律,化解原始问题

学生在掌握电功率与热功率的区别和联系以及纯电阻与非纯电阻的概念后,学以致用解决本堂节课的原始物理问题：运转不畅的电风扇为什么会起火？同时,教师可凭借学生在对问题解决时的表现,对学生学习效果进行评价。

3 总结与反思

课堂教学以“电风扇运转不畅时为什么会起火”的原始物理问题为主线,引导学生经历“生活现象呈现→原始问题分析→物理模型建构→引发认知冲突→定量实验探究→化解认知冲突→建立物理规律→化解物理问题”等一系列过程。其中物理模型的建构是学生由“原始问题”到“深入研究”的关键,也是后续化解学习障碍的思维起点。基于“原始物理问题”的教学注重学生模型建构能力的培养,有利于解决学生在真实物理情境中出现的思维混乱、思维僵化、毫无头绪等问题。同时,将“抽象物理问题”教学中的“为学而学”转变为“原始物理问题”教学中的“为用而学”，能让学生基于内在发展需求展开积极、主动的学习活动,并在问题解决过程中经历模型建构、科学推理、科学论证等思维过程,促进学生提高思维的深刻性、独创性以及灵活性,[2]有效提升学生的核心素养。基于“原始物理问题”的教学模式既适用于某一节课，也适用于某一单元,为使课堂教学顺利开展,关键在于教师要勤于钻研教材,不断积攒素材,精准把握学情,为学生设计基于“原始物理问题”的教学。