物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的教學(xué)要素分析*
——以“閉合電路歐姆定律”教學(xué)為例

段玉文

(上海市嘉定區(qū)第二中學(xué) 上海 201802)

(收稿日期：2016-05-06)

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物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的教學(xué)要素分析*
——以“閉合電路歐姆定律”教學(xué)為例

段玉文

(上海市嘉定區(qū)第二中學(xué) 上海 201802)

(收稿日期：2016-05-06)

物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的基本形式為文字?jǐn)⑹?、?shù)學(xué)公式表達(dá)、圖形圖像表示.探析了物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)的4個(gè)構(gòu)成要素(提出問(wèn)題、表征問(wèn)題、解決問(wèn)題、評(píng)價(jià)反思)及其教學(xué)模式，闡釋了教學(xué)要素的特點(diǎn)，分析了教學(xué)要素的操作要點(diǎn).

物理語(yǔ)言 表征問(wèn)題 教學(xué)要素

表征就是把知識(shí)符號(hào)化并且與事物聯(lián)系在一起儲(chǔ)存在大腦中，是認(rèn)知的一個(gè)重要過(guò)程.問(wèn)題表征就是針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)信息的認(rèn)知、提取和搜索，最后把這些信息整合起來(lái)表述出來(lái)，它是解決問(wèn)題過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在問(wèn)題的解決過(guò)程中，問(wèn)題表征發(fā)揮決定性的作用.一個(gè)問(wèn)題只有得到了正確的表征，才能得到順利的解決.要順利地解決物理問(wèn)題，就要先正確恰當(dāng)?shù)赜梦锢碚Z(yǔ)言表征這個(gè)物理問(wèn)題，學(xué)生的物理語(yǔ)言表征問(wèn)題能力直接影響其解決物理問(wèn)題的能力.從問(wèn)題解決的教學(xué)內(nèi)涵和教學(xué)觀出發(fā)，筆者認(rèn)為，物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的基本形式為：文字?jǐn)⑹?、?shù)學(xué)公式表達(dá)、圖形圖像表示.物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)主要有4個(gè)構(gòu)成要素：提出問(wèn)題、表征問(wèn)題、解決問(wèn)題、評(píng)價(jià)反思.物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)模式如圖1所示.

圖1 物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)模式

下面結(jié)合“閉合電路歐姆定律”教學(xué)實(shí)例對(duì)這4個(gè)要素逐一進(jìn)行分析.

1 提出問(wèn)題

提出問(wèn)題是培養(yǎng)物理語(yǔ)言表征問(wèn)題能力教學(xué)的第一個(gè)構(gòu)成要素，教師通過(guò)精心設(shè)計(jì)難度適當(dāng)而又有助于學(xué)生形成認(rèn)識(shí)沖突的問(wèn)題，讓學(xué)生在認(rèn)知上產(chǎn)生一種困惑.良好的問(wèn)題不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，還能夠促進(jìn)物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)的有效進(jìn)行.那么什么樣的問(wèn)題才是好問(wèn)題呢？它應(yīng)該具備以下3個(gè)特點(diǎn).

1.1 從學(xué)生角度來(lái)看須具有可接受性障礙性和探究性

可接受性是指問(wèn)題要容易為學(xué)生所理解，要有一定的意義而容易引起學(xué)生對(duì)問(wèn)題的關(guān)注.障礙性則是要求問(wèn)題要符合維果斯基的最近發(fā)展區(qū)原理，也就是問(wèn)題的解決辦法不是顯而易見(jiàn)的，是沒(méi)有現(xiàn)成的方法可供使用但又確實(shí)與已學(xué)內(nèi)容有一定聯(lián)系的問(wèn)題.探究性有兩層含義：一是學(xué)生能進(jìn)行探究；二是探究的過(guò)程有明確的價(jià)值取向(涵蓋教學(xué)內(nèi)容的價(jià)值、思維的價(jià)值和人文的價(jià)值).

1.2 從教師角度來(lái)看應(yīng)當(dāng)有可控性

可控性是指教師通過(guò)問(wèn)題的選擇，能夠控制與誘導(dǎo)學(xué)生圍繞在教學(xué)中心上.由于中學(xué)教學(xué)任務(wù)繁重，要將物理語(yǔ)言表征問(wèn)題應(yīng)用于日常教學(xué)，這一點(diǎn)便是教師們關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題.有的教師認(rèn)為，物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)只適用于復(fù)習(xí)課或是公開課、展示課，如果平常的教學(xué)也這樣做，那么教學(xué)任務(wù)根本完不成.其實(shí)，在選擇問(wèn)題時(shí)注意到問(wèn)題的可控性，這一難題便可以解決，教師也克服了物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)總有一種“高處不勝寒”之感.

1.3 從問(wèn)題結(jié)構(gòu)來(lái)看要具有可生成性開放性

可生成性是指選取的問(wèn)題要有新問(wèn)題或新生長(zhǎng)點(diǎn)，能夠在更改條件下產(chǎn)生新的問(wèn)題，或是能夠遷移、拓展.開放性則有3層含義：一是條件的開放，二是結(jié)論的開放，三是求解過(guò)程的開放.

教學(xué)片斷一：“閉合電路歐姆定律”教學(xué)，首先，教師分別將4節(jié)1.5 V的舊電池串聯(lián)，兩節(jié)1.5 V的新電池串聯(lián)，然后用電壓表測(cè)一下兩個(gè)電池組兩極間的電壓，并向?qū)W生展示測(cè)量值分別為5.5 V和3 V.然后，將一只額定電壓為2.5 V的小燈泡連接到如圖2所示的電路中，先連接在新電池組兩端，燈泡正常發(fā)光，這時(shí)將電壓表連接到電池組兩極，測(cè)得的電壓值為2.5 V.再將燈泡連接到舊電池組兩極，此時(shí)開關(guān)是斷開的，教師提出問(wèn)題，如果閉合開關(guān)，小燈泡會(huì)怎么樣？有的學(xué)生會(huì)說(shuō)，小燈泡會(huì)比剛才更亮，有的學(xué)生會(huì)說(shuō)小燈泡燈絲會(huì)被燒斷.這時(shí)，將開關(guān)閉合，發(fā)現(xiàn)小燈泡的燈絲不但沒(méi)被燒斷，而且發(fā)光比較暗，與學(xué)生的預(yù)想產(chǎn)生了強(qiáng)烈的反差.繼續(xù)保持電路閉合，小燈泡發(fā)光，這時(shí)將電壓表再次連接到電池組兩極，測(cè)得的電壓值由原來(lái)的5.5 V變成了1.3 V.接著向?qū)W生提問(wèn)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因.為什么在燈泡正常發(fā)光時(shí)測(cè)得的電池組兩端的電壓值都減小了呢？為了能夠解釋這種現(xiàn)象，讓我們來(lái)學(xué)習(xí)物理學(xué)中的一個(gè)重要規(guī)律——閉合電路歐姆定律.

圖2 小燈泡與電池組成的閉合電路

2 表征問(wèn)題

表征問(wèn)題是物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)的第二個(gè)構(gòu)成要素.它是在提出問(wèn)題的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從已有知識(shí)出發(fā)對(duì)所處問(wèn)題情境進(jìn)行分析，通過(guò)思維加工，剔除無(wú)關(guān)信息，從而獲得對(duì)問(wèn)題的本質(zhì)認(rèn)識(shí).我們將這一步驟稱為問(wèn)題的物理語(yǔ)言表征過(guò)程，即“識(shí)別已有信息和問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)，明確問(wèn)題的類型，了解問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，把任務(wù)分解為比較具體的子任務(wù)，以便逐步縮小起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)之間的距離”.

教學(xué)中，學(xué)生在面對(duì)具體問(wèn)題時(shí)，會(huì)根據(jù)個(gè)人的知識(shí)背景和思維習(xí)慣選擇性地注意問(wèn)題情境中的某些特征，從不同的角度表述和理解一個(gè)問(wèn)題，這種表征具有個(gè)性化特點(diǎn)，不僅是簡(jiǎn)單的任務(wù)分解，還是將個(gè)人頭腦中長(zhǎng)時(shí)記憶力的原型與問(wèn)題進(jìn)行匹配的過(guò)程.表征能力強(qiáng)的學(xué)生頭腦中儲(chǔ)存的是一類問(wèn)題的共同特征和一類問(wèn)題分析的思路，而表征能力差的學(xué)生遇到陌生的問(wèn)題時(shí)，就會(huì)盲目地嘗試，缺乏思考的策略，無(wú)法正確地表征問(wèn)題.因此，在物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)中，教師應(yīng)該選擇多樣化的表征策略來(lái)幫助學(xué)生識(shí)別和分析問(wèn)題，教師可以根據(jù)問(wèn)題情境的特點(diǎn)來(lái)選擇用文字?jǐn)⑹?、?shù)學(xué)公式表達(dá)、圖形圖像表示等方式來(lái)表征問(wèn)題，促進(jìn)問(wèn)題解決教學(xué)的進(jìn)行.

教學(xué)片斷二：教師首先指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)閉合電路的結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)圖3所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生討論分析，得出關(guān)系U內(nèi)+U外=定值.

圖3 閉合電路結(jié)構(gòu)

教師：隨著外電阻減小，外電壓減小，內(nèi)電壓增大，內(nèi)、外電壓之和基本為定值.這個(gè)定值一定揭示著電路中某個(gè)本質(zhì)的規(guī)律.我們從能量的角度分析這個(gè)定值到底是什么.電路中誰(shuí)消耗電能，誰(shuí)提供電能呢？根據(jù)能量守恒定律，它們之間有什么關(guān)系？

學(xué)生討論，教師引導(dǎo)：

對(duì)于外電路

W外=U外q=U外It

對(duì)于內(nèi)電路

W內(nèi)=U內(nèi)q=U內(nèi)It

對(duì)于電源

W非靜=Eq=EIt

由

W非靜=W內(nèi)+W外

得到

EIt=U外It+U內(nèi)It

得到

U內(nèi)+U外=E

學(xué)生得出：剛才實(shí)驗(yàn)中的定值為電源電動(dòng)勢(shì).

教師：電源電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和.也可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單模型(圖4)來(lái)形象分析.從這個(gè)圖上我們看到，從電源的負(fù)極b出發(fā)，經(jīng)過(guò)一周再回到負(fù)極b，在電源正負(fù)極附近非靜電力做功有兩次電勢(shì)的提升，在電源內(nèi)部和電源外部，靜電力做功又有兩次電勢(shì)的降落.這兩次電勢(shì)提升的總和就是電源電動(dòng)勢(shì)，而兩次電勢(shì)的降落分別就是電源的內(nèi)電壓和外電壓.

圖4 簡(jiǎn)單模型分析電源電動(dòng)勢(shì)

電源種類很多，形成非靜電力的機(jī)理不同，但對(duì)所有電源都有U內(nèi)+U外=E.

對(duì)于純電阻電路，則有U內(nèi)=Ir和U外=IR，得

E=IR+Ir

進(jìn)一步變形得數(shù)學(xué)公式

上式物理意義如何用文字?jǐn)⑹觯?/p>

學(xué)生：閉合電路的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比.

3 解決問(wèn)題

在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題有了本質(zhì)認(rèn)識(shí)之后，教師要指導(dǎo)學(xué)生尋求方法解決問(wèn)題，也就是要經(jīng)歷解決問(wèn)題的過(guò)程.根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)理論可知,解決問(wèn)題的過(guò)程就是在問(wèn)題空間中搜索解決途徑的過(guò)程.搜索問(wèn)題解決途徑的方式有3種，分別是隨機(jī)式搜索、算法式搜索和啟發(fā)式搜索.所謂隨機(jī)式搜索是指“在事先沒(méi)有得到任何信息或毫無(wú)計(jì)劃的條件下進(jìn)行的一種搜索”.實(shí)踐表明，這種搜索有效率約等于零，所以在問(wèn)題解決教學(xué)中不宜采用.算法式搜索是指“在缺乏具體目標(biāo)的情況下進(jìn)行窮舉一切可能的搜索.”采用這種方式雖然能夠保證解決問(wèn)題，但是既耗費(fèi)時(shí)間，又耗費(fèi)精力，如果問(wèn)題空間比較小，還可以考慮嘗試，否則也不易在問(wèn)題解決教學(xué)中使用.與這兩種搜索方式不同的是啟發(fā)式搜索，這是一種“運(yùn)用有關(guān)信息或已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)尋求解決途徑”的搜索方式.實(shí)驗(yàn)證明，這種方式既省時(shí)間又省精力，而且能夠充分利用問(wèn)題解決者認(rèn)知結(jié)構(gòu)和情境中的有效信息.在問(wèn)題解決教學(xué)中，教師應(yīng)從這一方式出發(fā)采用多種教學(xué)策略，激活學(xué)生的相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)，使問(wèn)題情境中的命題與認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，促進(jìn)學(xué)生積極參與，積極思考.

教學(xué)片斷三：教師：閉合電路歐姆定律是電路的基本規(guī)律，它對(duì)設(shè)計(jì)和分析電路有重要意義.我們回到課前實(shí)驗(yàn)，電池用了較長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)造成內(nèi)阻過(guò)大，同學(xué)們能否分析出4節(jié)舊電池替換兩節(jié)新電池為燈泡供電，燈泡反而更暗的原因嗎？

學(xué)生：4節(jié)舊電池內(nèi)阻過(guò)大，內(nèi)電阻分壓過(guò)多，造成外電壓反而更小.

教師：這種現(xiàn)象說(shuō)明，我們?cè)趯?shí)際生活中不僅要關(guān)心電源電動(dòng)勢(shì)，更應(yīng)該關(guān)注路端電壓.那么，路端電壓與外電路的電阻有什么關(guān)系呢？下而我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究一下路端電壓與負(fù)載的關(guān)系.

我們用電阻和滑動(dòng)變阻器代替負(fù)載，但是，變阻器的電阻值不易確定，我們?nèi)绾卫闷渌锢砹縼?lái)替代外電阻呢？

學(xué)生：用電流表測(cè)電流，電壓表測(cè)路端電壓，可以計(jì)算出外電阻.

教師：由閉合電路歐姆定律可以推得U外=E-Ir，對(duì)于確定的電路，E和r一定，數(shù)學(xué)方程中U外和I是什么關(guān)系.

學(xué)生：U外和I是線性關(guān)系.

教師：這個(gè)線性關(guān)系是否正確，可以利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出U外和I的幾組數(shù)據(jù)，通過(guò)什么方法進(jìn)行驗(yàn)證？

學(xué)生：通過(guò)畫出圖像進(jìn)行驗(yàn)證.

教師：請(qǐng)同學(xué)們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，并驗(yàn)證U外和I的線性關(guān)系.

學(xué)生按照?qǐng)D5所示電路圖改為DIS實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)U外和I，計(jì)算出負(fù)載阻值，尋找規(guī)律，并且作出U-I圖像.

圖5 探究路端電壓與負(fù)載關(guān)系電路圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

教師：你們從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中能得出什么結(jié)論？

學(xué)生得到：

(1)R增大，電流減小，路端電壓增大；

(2)R減小，電流增大，路端電壓減小.

教師：從圖像中能否得出關(guān)系？

學(xué)生通過(guò)圖像擬合得到路端電壓與電流的U-I圖線(圖6 路端電壓與電流的關(guān)系)，圖線方程為y=a-kx，可以確定U外=E-Ir正確.

圖6 路端電壓與電流的關(guān)系

教師：直線的斜率的絕對(duì)值表示什么？直線與縱軸的交點(diǎn)表示什么物理意義？

學(xué)生：直線斜率的絕對(duì)值表示電源內(nèi)阻.當(dāng)外電路斷開時(shí)，R→∞，I= 0，U外= 0，U=E，直線與縱軸的交點(diǎn)表示電源的電動(dòng)勢(shì).

教師：當(dāng)縱軸起始坐標(biāo)為零時(shí)，直線與橫軸的交點(diǎn)表示什么物理意義？

學(xué)生：當(dāng)外電路短路時(shí)，R=0，U=0，直線與橫軸的交點(diǎn)表示短路時(shí)的電流.

教師：根據(jù)所作圖線求出電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻各是多大？

學(xué)生：由圖線求得,電動(dòng)勢(shì)E =1.60 V,內(nèi)阻r =1.2 Ω．

4 評(píng)價(jià)反思

評(píng)價(jià)反思是物理語(yǔ)言表征問(wèn)題教學(xué)的第4個(gè)構(gòu)成要素，即教師在引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理語(yǔ)言表征問(wèn)題過(guò)程，獲得新結(jié)論之后，對(duì)物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的過(guò)程、方法進(jìn)行評(píng)價(jià)反思.在教學(xué)中，要求教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生收集、整理有關(guān)假設(shè)的材料，分析、概括得出結(jié)論，教師可以在每一次物理語(yǔ)言表征問(wèn)題之后，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)到的新知識(shí)，讓學(xué)生反思自己學(xué)到了什么，在小組活動(dòng)中做了些什么，是通過(guò)怎樣的方法來(lái)進(jìn)行物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的.通過(guò)評(píng)價(jià)反思，使學(xué)生將新知識(shí)與原有的理解聯(lián)系起來(lái)，有意識(shí)地提煉出概括性的知識(shí)，將相關(guān)概念、具體技能與遇到的問(wèn)題相結(jié)合，加以鞏固應(yīng)用，從而防止知識(shí)變成惰性的知識(shí)，或過(guò)于受到情境的限制等弊端.

教學(xué)片斷四：教師：今天我們從實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)研究了閉合電路歐姆定律，并且延伸討論了路端電壓與負(fù)載、路端電壓與電流的關(guān)系.閉合電路歐姆定律有3種表征方式，即文字?jǐn)⑹?、?shù)學(xué)公式表達(dá)、圖形圖像表示，3種方式各有哪些特點(diǎn)和表述的優(yōu)勢(shì)？請(qǐng)同學(xué)們討論交流.

學(xué)生：討論交流.(略)

教師：針對(duì)下列問(wèn)題，請(qǐng)同學(xué)們選擇適當(dāng)?shù)奈锢碚Z(yǔ)言表征方式進(jìn)行分析.

(1)將干電池兩極用導(dǎo)線直接短接，電池的電很快會(huì)放完，為什么？(數(shù)學(xué)公式表達(dá))

(2)在購(gòu)買電池時(shí)，一定要看出廠日期，買回家出廠時(shí)間很長(zhǎng)的電池，用電壓表直接量電池的電壓顯示滿壓，卻不能用，這是為什么？(文字?jǐn)⑹?(3)有一節(jié)標(biāo)示不清的電池，希望準(zhǔn)確知道電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，可以采用哪種辦法？(圖像表示)

學(xué)生：討論交流.(略)

從問(wèn)題解決的教學(xué)內(nèi)涵和教學(xué)觀出發(fā)，問(wèn)題成為構(gòu)建學(xué)習(xí)的載體.當(dāng)一個(gè)人面對(duì)問(wèn)題時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)“問(wèn)題空間”，它所引發(fā)的“空缺感”是問(wèn)題解決的內(nèi)在動(dòng)力.學(xué)生在面對(duì)一個(gè)物理問(wèn)題情境時(shí)，他們不是“一張白紙”，他們有著豐富的并存在相互差異的經(jīng)驗(yàn)世界.教學(xué)中，教師要把知識(shí)學(xué)習(xí)的中心從學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到學(xué)生，根據(jù)學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別和分析問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生建立新的理解；也就是說(shuō)要為學(xué)生提供一個(gè)合適的情境，即問(wèn)題情境；搭起一個(gè)思考的平臺(tái)，即“問(wèn)題解決”的平臺(tái).物理語(yǔ)言表征問(wèn)題的教學(xué)正是基于這一觀點(diǎn)，要求教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)不同的問(wèn)題情境為學(xué)生搭建一個(gè)思考的平臺(tái)，合理組織教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)奈锢碚Z(yǔ)言表征問(wèn)題基本形式(文字?jǐn)⑹?、?shù)學(xué)公式表達(dá)、圖形圖像表示)，調(diào)整教學(xué)策略，協(xié)助學(xué)生進(jìn)行信息分析、概括、評(píng)價(jià)、反思等一系列問(wèn)題解決過(guò)程，在解決問(wèn)題中建構(gòu)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生物理語(yǔ)言表征問(wèn)題能力.

1 廖伯琴．中學(xué)生物理問(wèn)題解決的表征差異及其成因探析.成都：四川教育出版社，2001

2 鄧鑄.問(wèn)題解決中對(duì)問(wèn)題的外部表征和內(nèi)部表征.心理學(xué)動(dòng)態(tài)，2001，9(3)：193～200

3 鄧鑄.知識(shí)豐富領(lǐng)域問(wèn)題表征與解決策略.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版)，2002,24(1)：32～36

*全國(guó)教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題“培養(yǎng)中學(xué)生物理語(yǔ)言表征問(wèn)題能力的實(shí)踐研究”的階段性研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：DHA140323

段玉文(1964- )，男，碩士，中教高級(jí),研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理課程、教材、教法.