論物理規(guī)律學習的影響因素與學習路徑

2019-10-18 08:28張新華

物理通報 2019年10期

張新華

(浙江省天臺中學浙江臺州 317200)

學習路徑是在某個學段，為達到一定的學習目標，教師基于認知心理學理論，根據(jù)學習起點(基礎)、載體、氛圍、方法等要素采取一定的教學策略，從而使學生形成的一系列生理和心理活動的軌跡.研究學生物理學習路徑是落實“以生為本”的課改理念和促進教師專業(yè)發(fā)展的重要方式之一.獲取和分析學生的學習路徑，能夠促進教師形成高效的物理教學路徑，使教學設計能從學生自身發(fā)展的角度出發(fā).那么，在物理規(guī)律學習中，學生是如何通過自己內(nèi)部的思維活動建立相關物理概念間的聯(lián)系？影響學生規(guī)律學習的主要因素有哪些？這是亟待探討的課題.

1 物理規(guī)律學習概述

物理規(guī)律指的是物理事物之間一種必然性的基本關系，是形成物理觀念的重要基礎之一.研究學生的物理規(guī)律學習，必然要求教師具有學生視角，即“心中有學生”，包括學生已有知識、思維發(fā)展、困惑與典型錯誤等.

1.1 學生視角下的規(guī)律分類

站在學生的認知角度，從得出物理規(guī)律所用方法進行分類，可分為實驗歸納型規(guī)律、理論演繹型規(guī)律、基于生活經(jīng)驗型規(guī)律.

(1)實驗歸納型規(guī)律

物理學中的絕大多數(shù)規(guī)律都是在觀察和實驗的基礎上，通過分析歸納總結(jié)出來.如牛頓第二定律、歐姆定律、法拉第電磁感應定律等都是通過實驗研究，在實驗的基礎上總結(jié)得到的.

(2)理論演繹型規(guī)律

物理學中有些物理規(guī)律是以已知的物理規(guī)律為根據(jù)，通過推理獲得.如動能定理是根據(jù)牛頓第二定律和運動學公式推導出來的，萬有引力定律是根據(jù)開普勒定律、牛頓第二、第三定律，經(jīng)過數(shù)學推理而發(fā)現(xiàn)的.

(3)基于生活經(jīng)驗型規(guī)律

物理學中有些規(guī)律不能直接用實驗來證明，但是具有足夠數(shù)量的經(jīng)驗事實.如果把這些經(jīng)驗事實進行整理分析，忽略次要因素，抓住主要因素，推理到理想情況下總結(jié)出來.如牛頓第一定律.

1.2 學生視角下的規(guī)律建立

物理規(guī)律是通過與其他概念間的關系界定的，而物理概念間聯(lián)系的建立不是憑空的，主要有控制變量法和演繹推理法.

(1)控制變量法

例如，在研究加速度與作用力、質(zhì)量之間的關系時，采用控制變量法.控制質(zhì)量不變，改變作用力的大小，看加速度如何變化；控制作用力不變，通過改變質(zhì)量來看加速度如何變化，從而去尋找規(guī)律.

(2)演繹推理法

例如，能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是宇宙間最具有普遍意義的規(guī)律之一.從它出發(fā)，經(jīng)過演繹推理，可以推出各種個別場合下的特殊規(guī)律：熱力學第一定律、閉合電路歐姆定律、愛因斯坦光電效應方程.

1.3 學生視角下的規(guī)律理解和運用

(1)規(guī)律的理解

ε=IR+Ir

式中IR為外電路上總的電勢降落，即

U外=IR

Ir為內(nèi)電路的電勢降落，即U內(nèi)=Ir.電動勢與內(nèi)、外電壓的關系為ε=U外+U內(nèi).接著通過實驗驗證，進一步理解電動勢與內(nèi)、外電壓的關系.設計如圖1所示的實驗方案，用兩個數(shù)字電壓表分別測量回路的內(nèi)、外電壓，并將數(shù)據(jù)記錄在表1中.實驗發(fā)現(xiàn)U外+U內(nèi)的值在實驗過程中為一定值，等于電源的電動勢ε.

圖1 電動勢與內(nèi)、外電壓的關系實驗

U內(nèi)/VU外/V(U外+U內(nèi))/V0.0521.0651.1170.0591.0581.1170.0661.0481.1140.0771.0361.1130.0891.0221.1110.1101.0001.1100.1390.9771.1160.2090.8901.0990.3520.7371.089

(2)規(guī)律的運用

只有將物理規(guī)律應用于問題解決，學生才能知道規(guī)律應用的背景、程序、使用策略和注意問題，達到對規(guī)律的鞏固、深化和活化.例如，創(chuàng)設如圖2所示的電路情境(S1先閉合)，在問題解決中運用閉合電路歐姆定律.

設計問題如下：

1)閉合S2后，外電阻如何變化？回路總電阻如何變化？

2)回路總電流如何變化？

圖2 創(chuàng)設的電路情境

3)內(nèi)電壓如何變化？外電壓如何變化？

4)通過上述問題，你能否找到L1亮度變暗的根本原因？

5)你能否得到閉合電路中路端電壓與負載的關系？

6)在外電路斷路或短路的特殊情況下，路端電壓和電流的大小又是多少？

2 物理規(guī)律學習的影響因素

學習心理學提出學習有不同的類型，不同類型的學習具有不同的內(nèi)部過程，需要不同的內(nèi)部學習條件，學習后內(nèi)部表征方式和對外表現(xiàn)出的行為亦有所不同.物理規(guī)律最基本的學習，就是學生通過自己內(nèi)部的思維活動建立相關物理概念間的聯(lián)系.

2.1 知識經(jīng)驗的差異

(1)錯誤的前科學觀念影響物理規(guī)律的學習

學生從大量的物理現(xiàn)象中獲得不少有關物理方面的感性認識，積累了許多生活經(jīng)驗，有些錯誤的生活經(jīng)驗影響著物理規(guī)律的學習.例如,在摩擦力問題的認識上，學生認為摩擦力的方向總是與物體運動的方向相反，而且摩擦力總是阻礙物體的運動等.

(2)相關物理概念理解模糊影響物理規(guī)律的學習

理解清楚物理概念是學好物理規(guī)律的前提.例如，分力、合力、加速度、功、動能等概念的區(qū)別和聯(lián)系，經(jīng)常成為理解力學規(guī)律的障礙.概念模糊主要表現(xiàn)在：學生把生活中形成的某些“非物理意識”(前概念)當作概念，抓不住概念的本質(zhì)屬性以及不清楚概念間的關系.

(3)相關知識的干擾影響物理規(guī)律的學習

對規(guī)律的物理意義、內(nèi)涵和外延、適應條件和適用范圍等理解不透、區(qū)分不清，使得物理規(guī)律的掌握產(chǎn)生干擾.干擾可能來自于規(guī)律涉及的物理概念，也可能來自于規(guī)律獲得的過程.例如，動量定理和動能定理，課本上都是由牛頓第二定律結(jié)合運動學公式經(jīng)過演繹推導出來的，由此學生便得出如下結(jié)論：運動學公式只適用于勻變速直線運動，所以兩個導出的定理也只適用于勻變速直線運動.

2.2 學生思維的差異

(1)思維方法不當影響物理規(guī)律的學習

物理規(guī)律或物理命題有成立的條件.這些條件，有的是充要條件，有的僅是充分條件或必要條件.有些學生在物理學習中不注意對這些條件進行區(qū)分和辨析，一提條件就盲目地認為是充要條件，結(jié)果導致判斷失誤.例如，學生錯誤認為“物體所受合外力不為零時，由于加速度不為零，所以物體的速度大小一定改變.”就是把速度大小發(fā)生改變的必要條件當成充要條件所致.另外，不恰當?shù)念惐取⒖茖W歸納與簡單枚舉歸納的混同等都會導致學習規(guī)律的認知障礙.

(2)負遷移和思維定勢影響物理規(guī)律的學習

遷移是一種學習對另外一種學習的影響，在學習過程中，負遷移會影響學生對規(guī)律的正確理解和準確應用.思維定勢是人腦多次受到某種外來信號的刺激作用而形成的一種固定的思維方式.例如，學生剛學完功的一般表達式W=Flcosα后，在回答“某人用大小為F的力使物體沿半徑為R的圓走完一周，推力F始終沿圓的切線方向，則F做了多少功?”多數(shù)學生回答：“做功為零.”究其原因，“物體運動一周的位移為零”的結(jié)論在腦海中根深蒂固，卻忽視了F是變力這一重要事實，致使思維走入誤區(qū).

2.3 規(guī)律表征的差異

物理規(guī)律表征是指規(guī)律相關知識在人腦中的儲存和呈現(xiàn)方式，主要包括陳述性知識和程序性知識，它也影響著學生對物理規(guī)律的學習.例如，在超重和失重的學習過程中，利用圖3(a)所示的實驗器材，記錄上升和下降過程中力傳感器對應的點線圖如圖3(b)所示.

為了表征何時發(fā)生超重和失重現(xiàn)象，需要的力和運動相關知識在人腦中的儲存是否為合理建構(gòu)的知識結(jié)構(gòu)體系，直接影響了知識的檢索和調(diào)用.

圖3 超重和失重實驗情境

(1)表格表征

超重和失重實驗結(jié)果如表2所示.

表2 超重和失重實驗結(jié)果的表格表征

(2)物理圖像表征

超重和失重實驗結(jié)果的物理圖像表征如圖4所示.

圖4 超重和失重實驗結(jié)果的物理圖像表征

(3)原理表征

用牛頓運動定律解決問題：當鉤碼以加速度a豎直運動時，視重與實重相等嗎？差值是多大？

(4)數(shù)學圖像表征

若加速度向上時，a取正值；加速度向下時，a取負值；則可將視重的表達式整合成一個式子F′=m(g+a).以加速度a為橫坐標，以鉤碼對掛鉤的拉力F′為縱坐標，對應的函數(shù)圖像如圖5所示.

圖5 超重和失重實驗結(jié)果的數(shù)學圖像表征

判斷物體究竟是超重還是失重，并非只看物體的運動方向，也并非只看物體是加速還是減速.學生對問題表征方式的差異，影響了復雜現(xiàn)象背后的異中比同.學生對問題表征方式的差異是隨著學生知識能力水平的提高而發(fā)生改變的.學生不同表征方式反映出學生對問題理解的不同水平.

3 物理規(guī)律的學習路徑

通過了解學生知識經(jīng)驗的基礎和思維的困惑點，確定教學的起點和重難點；通過讀懂學生的思維過程和特點，確定教學的順序，并選擇合適的教學方式和手段；通過鼓勵不同表征方式之間的相互轉(zhuǎn)化和印證，引導學生有意識地改變學習路徑，形成適合自己發(fā)展的最佳學習路徑，使不同學習路徑的學生都能獲得最優(yōu)發(fā)展.

3.1 實驗歸納型物理規(guī)律學習路徑

實驗歸納型物理規(guī)律學習路徑如圖6所示.

圖6 實驗歸納型物理規(guī)律學習路徑

(1)問題情境

實驗歸納型物理規(guī)律的問題情境創(chuàng)設主要有兩種途徑：一是通過觀察、實驗發(fā)現(xiàn)問題，也可以通過分析生活中熟知的典型事例發(fā)現(xiàn)問題；二是從對學生已有知識的分析引申和邏輯展開中發(fā)現(xiàn)問題.

(2)科學猜想

從已有的物理知識和經(jīng)驗出發(fā)，讓思想自由馳騁，提出許多新的猜想和設想.但在猜想階段教師也要進行引導.猜想并不意味著可以憑空亂想，如果是運用直覺思維提出猜想，那么猜想應得到觀察現(xiàn)象和生活經(jīng)驗的支撐.

(3)設計實驗

首先，要明確探究目的和已有條件，經(jīng)歷制定計劃與設計實驗的過程，主要包括嘗試選擇科學探究的方法及所需要的器材，嘗試考慮影響問題的主要因素，制定計劃與設計實驗等.其次，對實驗方案進行分析與論證：實驗原理和方案是否正確和可行？使什么變量改變、什么變量不變？如何控制實驗條件，實施實驗操作？如何控制與減小實驗誤差？如何處理數(shù)據(jù)？等等.實驗方案的論證、細化過程通常在師生互動中完成.

(4)合作探究

學生與同伴及教師形成合作探究共同體.通過對話、協(xié)商和合作，進行實驗操作和數(shù)據(jù)收集.教師要注重學生的實驗操作表現(xiàn)，及時引導提高學生的實驗素養(yǎng).

(5)實驗結(jié)果交流

在教師的引導下，各小組學生進行交流，分享實驗經(jīng)歷、體會和實驗數(shù)據(jù).

(6)歸納規(guī)律

對實驗數(shù)據(jù)進行整理、比較、分析、處理，并在此基礎上運用語言或數(shù)學公式進行歸納總結(jié)，簡明準確地表達規(guī)律，對規(guī)律的適用條件進行說明.

(7)規(guī)律應用

作為規(guī)律的學習過程，規(guī)律應用環(huán)節(jié)不可或缺.需要說明的是：規(guī)律學習的過程并不一定需要在同一課時完成.例如，牛頓第二定律的探究、公式理解與應用在教材中是通過幾節(jié)課完成的.

3.2 理論演繹型物理規(guī)律學習路徑

理論演繹型物理規(guī)律學習路徑如圖7所示.

圖7 理論演繹型物理規(guī)律學習路徑

(1)問題情境

物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)往往與問題解決的需要聯(lián)系在一起.例如，正弦交流電的數(shù)學表達式就是一個物理規(guī)律，在推導這個規(guī)律之前，可以讓學生觀察小型演示發(fā)電機的工作，提出問題：小燈光一閃一閃的，說明了什么？電流變化的規(guī)律是怎樣的呢？

(2)建立物理模型或數(shù)學模型

科學的基本活動就是探索和建立模型.例如，基于學生已有的知識，先建立一個交流發(fā)電機的物理模型.模型建立的方法是對真實的情境進行適當?shù)慕坪秃喕?/p>

1)如線圈所在的磁場簡化為勻強磁場；

2)線圈簡化為矩形線圈；

3)導體棒的運動是勻速圓周運動.

(3)邏輯推理

利用已有的物理概念和物理規(guī)律，通過物理思維或數(shù)學推理，得出新的物理規(guī)律.例如，學生已經(jīng)具有了勻速圓周運動、導體棒切割磁感線的公式和速度分解的知識，就可以推導交流電的數(shù)學表達式.

(4)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立

一方面要進行正面引導，解釋說明問題，以促進學生對問題深入地再認識與反思；另一方面，需要在學生不夠理想的結(jié)論中找出合理部分，從欣賞和尊重學生的角度，幫助學生分析答案的不合理性，使學生有全面的認識；最后，還要給學生思考、體驗的過程，讓學生主動完善認知結(jié)構(gòu).

例如，在交變電流變化規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立環(huán)節(jié)，為促成學生在思維沖突中不斷地自我探究，在探究的過程中不斷完善、形成概念，最終掌握規(guī)律，設計如下問題：

1)如圖8所示為交流發(fā)電機的物理模型，研究方法是從特殊到一般.觀察線圈旋轉(zhuǎn)一周，從圖(a)到圖(b)到圖(c)，再到圖 (d)，最終又回到圖(a).這些位置特殊在哪里？

2)線圈旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的電動勢是哪種原因引起的？

3)既然是切割磁感線引起的，那么是哪幾條邊在切割？

4)線圈在旋轉(zhuǎn)的過程中，這幾條邊旋轉(zhuǎn)的速率有沒有發(fā)生改變？

5)既然旋轉(zhuǎn)的速率沒有發(fā)生改變，那么是不是意味著這些位置都有感應電動勢？

6)似乎和有效切割速度有關，如何把它變得更直觀？

圖8 交流發(fā)電機的物理模型

通過問題的設置與處理，讓學生在獨立與合作的探索過程中構(gòu)建知識體系，發(fā)現(xiàn)和確立交變電流的變化規(guī)律.

(5)規(guī)律的使用范圍

既要考慮推導所用規(guī)律的適用范圍，又要考慮規(guī)律推導建立模型時所做的近似.例如，從交流電表達式的推導過程中，公式E=Blv的適用范圍是勻強磁場中直導線垂直切割，公式v=ωr的適用范圍是圓周運動.從模型建立的近似簡化條件看，磁場應該是勻強磁場，線框是矩形線框，運動是勻速圓周運動.需要說明的是，由于推導過程考慮到學生的已有基礎，有了過多的限制.實際上，任意形狀的線圈在勻強磁場中轉(zhuǎn)動時，其產(chǎn)生的電流都滿足正弦交流電的表達式，這種情況下需要教師說明并拓展適用條件.

(6)規(guī)律應用

與科學家發(fā)現(xiàn)規(guī)律、應用規(guī)律解釋物理現(xiàn)象和解決物理問題不同，學生需要自己經(jīng)歷規(guī)律的應用過程，才能真正理解和掌握規(guī)律，并將規(guī)律納入整個認知結(jié)構(gòu).

3.3 經(jīng)驗型物理規(guī)律學習路徑

經(jīng)驗型物理規(guī)律學習路徑如圖9所示.

圖9 經(jīng)驗型物理規(guī)律學習路徑

(1)經(jīng)驗事實

經(jīng)驗事實是指人類在某一時期依據(jù)人們的日常生活經(jīng)驗和對現(xiàn)象的一般觀察，基于足夠數(shù)量的經(jīng)驗事實得出的經(jīng)驗性物理結(jié)論.例如，在亞里士多德年代，人們在日常生活中觀察到：蘋果比樹葉下落得快，石頭比羽毛下落得快……得出經(jīng)驗性的物理結(jié)論：重的物體比輕的物體下落得快.

(2)整理分析

整理分析是指通過邏輯思辨或者實驗檢驗，對日常生活經(jīng)驗和現(xiàn)象的一般觀察下形成的經(jīng)驗事實進行整理分析，找到現(xiàn)象的本質(zhì).例如，伽利略采用“歸謬法”巧妙推理得出重物與輕物應該下落同樣快.

(3)體驗實驗

通過體驗實驗獲得可靠的事實.例如，在伽利略所處的年代，速度無法直接測量.為獲知自由落體運動性質(zhì)，采用合理推理間接驗證：若v0=0且v∝t，必有x∝t2.由于落體運動太快，無法準確測量時間，采用“沖淡”重力的方法，讓銅球沿阻力很小的斜面滾下.

(4)合理推理

將可靠的事實和思維結(jié)合起來，更深刻地反映規(guī)律.例如，伽利略通過實驗表明銅球沿斜面滾下的運動是勻加速直線運動.基于實驗事實合理推理自由落體運動性質(zhì)如圖10所示，增大斜面傾角，加速度變大；傾角很大，接近落體運動→傾角90°,就是自由落體運動.

圖10 基于實驗事實的合理推理自由落體運動性質(zhì)

(5)總結(jié)規(guī)律

根據(jù)假設，利用邏輯或數(shù)學得出推論，設計實驗對推論進行驗證.當實驗結(jié)果證實推論時，一般認為假設是正確的，總結(jié)成規(guī)律.例如，伽利略從“自由落體運動應該是簡單的”這一假設出發(fā)，猜想v∝x和v∝t兩種可能性，但經(jīng)過推理判定v∝x不正確；從邏輯推理得出檢驗v∝t即是檢驗x∝t2；巧妙設計斜面實驗檢驗x∝t2，最終總結(jié)規(guī)律：自由落體運動必有v∝t.