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以过程模型的建构谈科学思维的培养

金嵩洲
摘 要:由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”构成的物理学科核心素养,是当下物理教师关注的热点.模型建构是科学思维的重要组成部分,是培养学生物理学科核心素养的重要途径.过程模型是物理模型中具有代表性的一类,在过程模型的教与学中,以实验为起点实现知识重演、以思维为中心实现模型建构、以应用为落点实现问题解决,有利于学生真正掌握模型建构的方法,提升思维品质与学科素养.
关键词:科学思维;模型建构;过程模型
一、引言
学科核心素养是学科育人价值的集中体现.物理学科核心素养包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”四个维度.[1]4而其中的 “科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实,建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑与批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格.[1]5科学思维具有四个要素,即模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新.本文以“等时圆”模型的教学为例,探讨这一过程在模型建构教学中,如何进行科学思维的培养.
二、过程模型的建构
我们知道,基于物理问题的特点,可以将物理模型分为以下四类:对象模型、条件模型、理论模型和过程模型,其中的过程模型是将运动变化过程理想化,分清影响物理过程的主要因素和次要因素,只保留其中的主要因素,建构模型,从而揭示事物运动、变化的本质.
(一)以实验为起点——从“知识重现”走向“知识重演”
杨振宁先生告诉我们:学科知识只是形成学科素养的载体,学科活动才是形成学科素养的渠道.一切知识,唯有成为学生探究与实践的对象时,其学习过程才有可能成为素养发展的过程.因此过程模型的建构应以实验为起点,展示研究对象和物理情境,在观察、实践中完成定性感知.
过程1:等时的观察(听)
教师:今天老师带来了一个装置(如图1所示的等时圆装置),装置中三个固定直轨道位于同一竖直圆内,轨道末端交于圆的最低点.三轨道上各有一个相同小球.如果我们将三个小球同时从各自轨道顶端静止释放,请你仔细观察、仔细听,小球运动到轨道底端,用时孰长孰短.
(教师和学生合作完成实验,其他学生认真观察(听),只听几乎是“嗒”的一声,三个小球都到达了轨道底端.)
教师:小球的运动比较快,眼睛可能来不及捕捉……大家听到了几个声音?
学生:一个.
教师:那说明?
学生:三个小球是同时到达轨道底端的.
过程2:等时的证明
如图2(a)所示,ad、bd、cd是竖直面内三根固定的光滑细杆,a、b、c、d 位于同一圆周上, a点为圆周的最高点,d点为最低点.每根杆上都套着一个小球(图中未画出),三小球分别从 a、b、c处静止释放,用t1、t2、t3依次表示各小球到达d所用的时间,则
A. t1t2>t3
C. t3>t1>t2 D. t1=t2=t3
(先請学生试证,然后教师证明)证明:如图2(b)所示,设某一光滑轨道与水平方向的夹角为α,圆的直径为2R.小球沿光滑轨道做初速度为零的匀加速直线运动,加速度为a=gsinα,位移为x=2Rsinα,则运动时间为[t=2xa=4Rsinαgsinα=4Rg],即沿各光滑轨道运动具有等时性,运动时间与轨道的倾角、长度无关.
过程3:等时条件的讨论
教师话锋一转:俗话说耳听为虚,眼见为实!真的等时吗?我们用慢镜头视频重新演示刚才的实验,请大家仔细观察!
……(如图3所示慢镜头截屏)哦~~待到视频尾声,学生中传来小小的尖叫声……
教师:为什么不等时!
学生(几乎异口同声):因为有摩擦等阻力.
教师:那么等时圆模型要成立,到底有哪些前提条件呢?
教师引导,学生回答,师生共同交流总结:
(1)直轨道需在圆形区域中,轨道需光滑;
(2)轨道至少有一个端点在圆形区域的最高点或最低点(如图2(b)),图4有相同规律);
(3)物体沿任意轨道的运动都是从轨道顶点静止开始的匀加速自由下滑.
教师:大家建构和使用模型时,一定要注意模型适用的条件.
(二)以思维为中心[2]——从“模型识别”走向“模型建构”
陈佳洱先生告诉我们:物理学带给我们非常珍贵的东西:一种理性的思维方式.把前人从事智力活动的思想、方法,转化为学生的认知能力和思维方式.以思维为中心,才能抓住本质、识别真伪、真正习得.
过程1:是不是等时圆模型
如图5(a)所示,OBCD为半圆柱玻璃的横截面,OD为直径,一束复色光沿AO方向从真空中射入到玻璃,在玻璃中分为两束单色光,其中甲光沿OB方向从B点射出,乙光沿OC方向从C点射出.问:甲光从O点传播到B点的时间与乙光从O点传播到C点的时间是否相同?
师生交流:如图5(b)所示,设AO光线与界面所成入射角为i,OP为任意折射光线,折射角为γ,则OP光线在玻璃中传播用时
教师评:同一束复色光的折射光在半圆柱玻璃内传播时也具有等时性.但它不是我们定义的等时圆模型:1.折射光的传播是匀速直线运动;2.入射点O不是圆形区域的最高点,出射点P不(一定)是圆形区域的最低点.
过程2:为什么不等时
如图6(a)所示,Pa、Pb、Pc是竖直面内三根固定的光滑细杆,P、a、b、c、d位于同一圆周上,d点为圆周的最高点,c点为最低点.每根杆上都套着一个小滑环(图中未画出),三个滑环都从P点无初速释放,用t1、t2、t3依次表示滑环到达a、b、c所用的时间,则

A. t1=t2=t3 B. t1>t2>t3
C. t1t1>t2
教师(展示题目,待学生思考片刻):本题是不是选A.
有些学生感觉就是等时圆模型,有些学生则有质疑.
学生:应该不是等时圆,因为这三根直杆的某一端,并没有同时位于此圆周的最高点或最低点.
教师:那这个问题如何解决,是不是看轨道的长度?
学生:……
教师:怎么和我们今天的主题“等时圆”联系呢?
教师给予学生足够的思考时间,引导学生同桌或四人一组讨论……
学生:如图6(b)所示,以P点为最高点,分别以Pa、Pb、Pc为弦构造三个圆,由图6(b)知三个圆半径各异,答案自现,选B .
过程3:為什么会等时
如图7(a)所示,OA=OB=l=10cm,A点为△BAO的最高点,其中AO边为竖直方向.小环从杆AB顶端由静止光滑滑下,求小环从A点到B点所用时间.已知g=10m/s2 .
生1:因为∠OAB未知,既然要求t,则t可能为定值(猜测),故令∠OAB=θ(如图7(b)所示),则θ参量必可最终约去.2lcosθ=gcosθ·t2/2,得 t=0.2s.
教师:××同学证明得非常好,大家应该都能接受.老师感觉这个题目,似乎和角度θ没什么关系,时间是定值,有没有同学能道清其中原委.大家可以讨论一下……
生2:(一段比较长的时间以后)如图7(c)所示,构建等时圆,同样得到t=0.2s.
教师:哦,原来这个题目中蕴含着一个等时圆,××同学真的有一双发现问题本质的眼睛.
生2的方法思维能力要求更高,问题的剖析及外延知识的讲解可能会花费更长的时间.但当师生共同厘清物理本质、模型特征并有序内化后,此法是更易被接受和有效调用的.
(三)以应用为落点——从“模型习得”走向“问题解决”
吴加澍先生告诉我们:教学设计过程是知识“溶解”过程,把知识转化为问题,将问题融合于情境;学生学习过程是知识“结晶”过程,在情境中思考问题,在思考问题中掌握知识.因此,模型的建构,最终要以应用为落点,使学生在问题解决中真正掌握模型的内核.
[“等时圆”模型教学片段3]
(2018年浙江省11月选考)如图8所示为某一游戏的局部简化示意图.
D为弹射装置,AB是长为21m的水平轨道,倾斜直轨道BC固定在竖直放置的半径为R=10m的圆形支架上,B为圆形的最低点,轨道AB与BC平滑连接,且在同一竖直平面内.某次游戏中,无动力小车在弹射装置D的作用下,以v0=10m/s的速度滑上轨道AB,并恰好能冲到轨道BC的最高点.已知小车在轨道AB上受到的摩擦力为其重量的0.2倍,轨道BC光滑,则小车从A到C的运动时间是
A. 5s B. 4.8s
C. 4.4s D. 3s
(学生思考,试做……片刻之后)
教师:AB段的时间求解比较简单,主要难点是如何求解BC段的时间.有没有学生已经想到方法了?
(本题难点是只显示了圆的一部分,增加了联想、识别的难度;且题设中是运动到C点时速度为零,不是无初速度释放,还需要用到逆向思维,在较短的考试时间和较紧张的应试情绪下要求学生完成此模型建构,实为难题)
学生:……
三、过程模型建构的建议
(一)建构起点的层层铺设
过程模型有诸多要素,如模型的特征、模型的适用条件、相似模型的异同比较等.有经验的教师一般不会采用一讲到底、和盘托出的方式,而是如抽丝剥茧般层层铺设、步步观察、细细体会,待水到渠成时,最好由学生一语道破.
(二)锤炼思维的层层深入
在过程模型的习得过程中,如何更好地锤炼学生的思维?这就需要教师以模型为载体,以思维为中心,设计一个或一系列问题串,引导学生从模型出发对问题展开研究与探讨,或由具体情境经过缜密计算、推理,化归为某一模型,或揭示问题、情境对应的模型.
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