基于奧蘇伯爾解決問題理論的習(xí)題可視化教學(xué)

季正華

(常州市北郊高級(jí)中學(xué),江蘇 常州 213031)

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分.習(xí)題教學(xué)可以幫助學(xué)生理解、鞏固、活化物理知識(shí)與技能;可以幫助學(xué)生建立、掌握、拓展解決問題的思路與方法;可以幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)能力與品質(zhì).高中物理習(xí)題條件隱含、對(duì)象復(fù)雜、過程抽象、模型綜合等特點(diǎn)使學(xué)生在問題的建構(gòu)、分析、求解與再認(rèn)知方面造成困難.如何將抽象、復(fù)雜、綜合的問題簡(jiǎn)潔、清晰、直觀的呈現(xiàn)給學(xué)生,習(xí)題可視化教學(xué)不失為一種有效的教學(xué)方式.

1 可視化與習(xí)題可視化教學(xué)

可視化最早是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來.后來在引導(dǎo)技術(shù)中可視化又稱為“可視思考/視覺化思考”,指將聲音轉(zhuǎn)化為可視的圖或文字,便于簡(jiǎn)化復(fù)雜性以增強(qiáng)研討過程中的思考.隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展,可視化教學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)[1].知識(shí)、思維被圖形或視頻可視化地表征,方便了師生、生生溝通并促進(jìn)了學(xué)生的思維,提升了教學(xué)效果.

基于如圖1所示的奧蘇伯爾解決問題模式[2],筆者認(rèn)為習(xí)題可視化教學(xué)不能停留在利用圖像或視頻等展示習(xí)題分析、求解的技術(shù)層面,而應(yīng)該在習(xí)題情境呈現(xiàn)、條件目標(biāo)明確、推理分析、過程檢驗(yàn)等解決問題環(huán)節(jié)中,采用更豐富的手段使習(xí)題講評(píng)過程可視化,以突顯解決問題的一般過程,使學(xué)生深入理解物理知識(shí)與規(guī)律,提升學(xué)生

3 結(jié)束語

BOPPPS教學(xué)模式將課堂教學(xué)分成了6大模塊,其實(shí)踐性與可操作性都非常強(qiáng)．對(duì)于剛踏上講臺(tái)的新教師而言,BOPPPS教學(xué)模式涵蓋了有效課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié),可以讓他們迅速掌握如何充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性,條理化、合理化的展開課堂教學(xué),而不會(huì)再因?yàn)榫o張而一味地對(duì)學(xué)生“滿堂灌”;對(duì)于教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的資深教師而言,BOPPPS教學(xué)模式則提供了一種自我審視的途徑,為其改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)、改善教學(xué)效果提供了一種新的思路和理論指導(dǎo)．

同時(shí)有必要指出的是,筆者通過探索與實(shí)踐發(fā)現(xiàn),BOPPPS教學(xué)模式本身只是一種教學(xué)理念,它給出了一種課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的框架,在實(shí)際教學(xué)過程中,應(yīng)該根據(jù)不同的教學(xué)課程、不同的教學(xué)內(nèi)容、不同的教學(xué)設(shè)備、不同的教學(xué)對(duì)象等對(duì)BOPPPS模式的每個(gè)模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,而不是死搬硬套．應(yīng)用BOPPPS教學(xué)模式的目的,正是希望通過將課堂有機(jī)分解,使之更適合學(xué)生的認(rèn)知心理,提升學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度,從而提高教學(xué)效果,實(shí)現(xiàn)多元化教學(xué)目標(biāo).

思維能力與品質(zhì).下面結(jié)合具體案例探析習(xí)題可視化教學(xué)的實(shí)踐.

圖1

2 習(xí)題可視化教學(xué)案例與評(píng)析

2.1 習(xí)題情境可視化,助推學(xué)生物理模型的自主建構(gòu)

圖2

案例1.如圖2所示,理想變壓器的副線圈接入電路的匝數(shù)由觸頭Q調(diào)節(jié).原線圈加上電壓為U1的交流電,副線圈輸出端接有定值電阻R0和滑動(dòng)變阻器R,則

(A) 若Q位置不變,將P向上滑動(dòng),U2變大.

(B) 若Q位置不變,將P向上滑動(dòng),電流表的讀數(shù)變小.

(C) 若P位置不變,將Q向上滑動(dòng),電流表的讀數(shù)變大.

(D) 若P位置不變,將Q向上滑動(dòng),變壓器的輸入功率不變.

本題考查理想變壓器“動(dòng)態(tài)分析”,往往學(xué)生因不理解“制約關(guān)系”原理及推理分析程序,正確率較低.若采用一般口頭講解來彌補(bǔ)學(xué)生對(duì)“制約關(guān)系”的認(rèn)知不足,在以后的練習(xí)中學(xué)生還會(huì)出錯(cuò).筆者嘗試在可拆變壓器的原副線圈回路中各串一小燈泡,讓“制約關(guān)系”的原理以燈泡亮暗的現(xiàn)象可視化地呈現(xiàn)出來,裝置及現(xiàn)象如圖3所示.圖3(a)、(b)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在具體情境中深刻領(lǐng)會(huì)“P2→P1、I2→I1”的制約關(guān)系.圖3(c)實(shí)驗(yàn)拓展演示:電感在交流電路中的作用.最后讓學(xué)生結(jié)合推理流程圖(如圖4)得出正確答案.實(shí)踐表明,將習(xí)題情境及推理流程可視化加深了學(xué)生對(duì)理想變壓器“動(dòng)態(tài)分析”模型的感性與理性認(rèn)識(shí),起到了很好的教學(xué)效果.

圖3

圖4

評(píng)析： 對(duì)物理知識(shí)的認(rèn)知和物理模型的建構(gòu)過程是學(xué)生與情境交互的過程,學(xué)生只有融入到實(shí)際情境中,才能建構(gòu)出有意義的知識(shí).換句話說,情境是一切認(rèn)知的基礎(chǔ)[3].借助演示實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)物理問題情境,不僅可以促使學(xué)生思維認(rèn)知由抽象到形象的轉(zhuǎn)變,在情境中完成物理模型認(rèn)知建構(gòu),而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣.

2.2 審題分析可視化,利于學(xué)生物理意識(shí)的經(jīng)驗(yàn)積累

圖5

案例2.如圖5所示,質(zhì)量M=4 kg的小車長(zhǎng)L=1.4 m,靜止在光滑水平面上,其上面右端靜止一質(zhì)量m=1 kg的小滑塊,小車與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4,用一水平恒力F向右拉小車,g取10 m/s2.

(1) 若恒力F=10 N,小滑塊與小車間的摩擦力為多大?

(2) 滑塊與車間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的恒力F要滿足的條件?

(3) 若恒力F=28 N,要使滑塊從小車上恰好滑下來,力F至少應(yīng)作用多長(zhǎng)時(shí)間?

第(3)問屬于動(dòng)力學(xué)問題的難題,主要難在審題.一般而言,學(xué)生審題難在不能直接看出題目條件的內(nèi)涵、不能從題目的陳述中正確辨析題目所給具體條件或要求過程、不能轉(zhuǎn)換條件及建立分析條件之間的關(guān)系.基于對(duì)奧蘇伯爾解決問題理論第Ⅱ階段的理解,筆者用如圖6所示的審題流程圖可視化第(3)問的審題教學(xué).通常,物理習(xí)題的文本表述可以轉(zhuǎn)化為物理情景,物理情景可以轉(zhuǎn)化為具體的物理?xiàng)l件(或要求),物理?xiàng)l件(或要求)可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)條件(或要求).審題可視化教學(xué)的核心是讓學(xué)生掌握基本操作要領(lǐng)——轉(zhuǎn)化,使學(xué)生在習(xí)題情境命題與認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間建立聯(lián)系,逐個(gè)分析題目條件的內(nèi)涵,理解問題并轉(zhuǎn)化條件,最終將習(xí)題作為一個(gè)整體來把握.

圖6

評(píng)析： 審題能力的培養(yǎng)是習(xí)題教學(xué)的重要目標(biāo).正確審題有利于形成解決問題的正確思路,增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力.空洞化的言語提醒與形式化的圈點(diǎn)勾畫很難提升學(xué)生的審題水平.審題的核心是轉(zhuǎn)化,可視化的審題轉(zhuǎn)化過程是學(xué)生理解條件內(nèi)涵的過程,也是明辨各條件或要求之間關(guān)系的過程.因此,審題可視化教學(xué)將有利于學(xué)生發(fā)展理解能力和分析能力.

2.3 綜合推理可視化,促進(jìn)學(xué)生物理思維的能力提升

圖7

案例3.如圖7,垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)大小B=0.6 T的上方有一水平板ab,在距ab距離為l=10 cm處,有放射源S向紙面內(nèi)各方向發(fā)射速度大小均為v=3.0×106m/s的α粒子,已知 α粒子比荷q/m=5.0×107C/kg,求ab上被α粒子打中的區(qū)域的長(zhǎng)度.

學(xué)生能注意到α粒子的入射方向的不同,采用“旋轉(zhuǎn)軌跡圓”策略,得出α粒子打中的ab邊界右端的最遠(yuǎn)點(diǎn)為軌跡圓直徑與邊界的交點(diǎn)A.多數(shù)學(xué)生會(huì)由對(duì)稱思維推理填補(bǔ)與問題目標(biāo)之間的空隙,得出“α粒子打中的ab邊界左端的最遠(yuǎn)點(diǎn)與右側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)A對(duì)稱”的錯(cuò)誤答案.為了糾正學(xué)生解決問題中填補(bǔ)空隙過程的錯(cuò)誤,筆者制作了如圖8的教學(xué)道具,使學(xué)生直觀理解“旋轉(zhuǎn)軌跡圓”的推理結(jié)果的不對(duì)稱性.值得一提的是,此教具的使用讓不少“帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題”的可視化習(xí)題教學(xué)難點(diǎn)迎刃而解.

圖8

評(píng)析： 習(xí)題教學(xué)過程中,教師既要幫助學(xué)生調(diào)動(dòng)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中與解決習(xí)題相關(guān)的知識(shí)、方法,也要指導(dǎo)學(xué)生考慮綜合推理的注意事項(xiàng),更要教會(huì)學(xué)生如何縮小習(xí)題條件與求解問題之間的空隙,因?yàn)樘钛a(bǔ)空隙是解決問題的核心.借助于自制教具或思維導(dǎo)圖的習(xí)題可視化教學(xué)方式,不僅可以使學(xué)生的綜合推理由抽象向形象轉(zhuǎn)變,也可以在問題空隙填補(bǔ)過程中判斷邏輯推理的合理性,還可以促進(jìn)學(xué)生物理思維能力的提升.

2.4 檢查校驗(yàn)可視化,促使學(xué)生原有認(rèn)知的重新建構(gòu)

案例4.如圖9(甲)所示,質(zhì)量m=2 kg的滑塊與質(zhì)量M=1 kg的足夠長(zhǎng)的木板靜止疊放在光滑水平面上,它們間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2.作用于滑塊的水平力F隨時(shí)間t變化如圖9(乙)所示,t=2.0 s時(shí)撤去力F,最終滑塊與木板間無相對(duì)運(yùn)動(dòng).取g=10 m/s2.求: (1)t=0.5 s時(shí)滑塊的速度大小; (2) 0～2.0 s內(nèi)木板的位移大小; (3) 整個(gè)過程中因摩擦而產(chǎn)生的熱量.

圖9

圖10

第(1)問正確率不足10%,學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為在0～0.5 s內(nèi)F1>fm,m在M上發(fā)生滑動(dòng),如圖10所示.究其原因,學(xué)生既沒有全面掌握“動(dòng)力學(xué)分離問題”,也沒能校驗(yàn)“F1>fm”是不是m在M上滑動(dòng)的充分條件.以“題海戰(zhàn)術(shù)”為特征的應(yīng)試教育讓學(xué)生養(yǎng)成了“不回頭看”的解題習(xí)慣.為了培養(yǎng)學(xué)生解決問題“檢驗(yàn)”的習(xí)慣,筆者應(yīng)用“MindMapper”軟件可視化思維過程,讓學(xué)生檢驗(yàn)推理規(guī)則的同時(shí)發(fā)現(xiàn)“從動(dòng)的木板加速度比主動(dòng)的滑塊大”的矛盾,如圖11所示.接著,分析滑塊與木板相對(duì)靜止時(shí)其摩擦力隨外力F的變化,讓學(xué)生理解:當(dāng)f=fm時(shí),

圖11

評(píng)析： 檢驗(yàn)是解決問題過程的重要步驟,習(xí)題教學(xué)中教師要注重學(xué)生檢驗(yàn)習(xí)慣的養(yǎng)成.運(yùn)用思維導(dǎo)圖將推理過程可視化,有利于校驗(yàn)推理的正確性,也有利于檢查填補(bǔ)空隙的簡(jiǎn)潔性.同時(shí),可視化的檢驗(yàn)往往能發(fā)現(xiàn)原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的各種成分的作用,不僅促進(jìn)學(xué)生原有認(rèn)知的重新建構(gòu),也為培養(yǎng)學(xué)生解決問題的習(xí)慣與能力指明了方向.

圖12

3 小結(jié)

基于奧蘇伯爾解決問題理論的習(xí)題可視化教學(xué)應(yīng)立足于習(xí)題情境、審題分析、綜合推理、檢查校驗(yàn)等方面的可視化.實(shí)驗(yàn)演示、審題流程圖、自制教具、思維導(dǎo)圖、仿真軟件等工具在習(xí)題可視化教學(xué)中可以發(fā)揮重要作用.習(xí)題可視化教學(xué)可以增強(qiáng)課堂教學(xué)的直觀性和趣味性,同時(shí)也使學(xué)生掌握了解決問題的基本思路,提高了習(xí)題教學(xué)的效果,提升了學(xué)生解決問題的能力.

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