基于模型轉(zhuǎn)變的高中物理靜電教學(xué)例析

摘要：高中物理教學(xué)的核心是建立結(jié)構(gòu)化的模型。學(xué)生思考問題時建立的心智模型與物理模型之間存在著明顯區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生將心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ陀兄诎l(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證、批判反思等能力。為解決高中物理靜電教學(xué)中存在的教師對課堂教學(xué)節(jié)奏把握不佳等問題，教師應(yīng)實施基于模型轉(zhuǎn)變的教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生建立心智模型，讓學(xué)生通過推理、預(yù)測、驗證，不斷修正模型，進而將心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，從而掌握物理知識，能夠運用物理知識解決實際問題。關(guān)鍵詞：心智模型；物理模型；模型轉(zhuǎn)變；高中物理；靜電教學(xué)約翰遜·萊爾德以皮亞杰的建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，提出建構(gòu)“心智模型”的觀點，研究學(xué)習者思維的表征、推理和轉(zhuǎn)變過程；在此基礎(chǔ)上，海斯特斯結(jié)合學(xué)習科學(xué)、科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)、認知心理學(xué)、語言學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、空間感知心理學(xué)等提出“建模理論”，認為物理建模教學(xué)的目的是生成心智模型，并經(jīng)由科學(xué)推理、解釋與檢驗轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ停?］。本研究融合上述觀點，提出基于模型轉(zhuǎn)變的物理教學(xué)方式：學(xué)生在教師設(shè)置的問題情境下，形成心智模型，進行科學(xué)推理、科學(xué)論證、批判反思，促使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?。一、高中物理靜電教學(xué)困難與模型轉(zhuǎn)變教學(xué)優(yōu)勢（一）高中物理靜電教學(xué)存在困難高中物理靜電教學(xué)困難，歸納起來就是教師難以控制“放”和“收”的度。一部分教師演示大量實驗、開展手工制作活動，放任學(xué)生在課堂上嬉笑玩鬧，難以控制課堂節(jié)奏，只得草草收場；與此相反，一部分教師傾向于盡快引出物理學(xué)原理，無視學(xué)生的相異觀點，采用歸納的方式直接得出結(jié)論，這樣做貌似提高了效率，事實上學(xué)生對物理知識的理解缺乏深度。造成這些教學(xué)現(xiàn)象的原因有二。一是教學(xué)目的存在偏差，部分教師的關(guān)注點只落在問題解決，對建立模型過程中學(xué)生的思維發(fā)展缺乏重視與深刻理解。二是部分教師受經(jīng)驗主義觀念的影響，將科學(xué)知識當作線性積累的、客觀不變的真理，進而忽視科學(xué)發(fā)展中的波折與爭論，試圖引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗機械地推導(dǎo)出結(jié)論，使教學(xué)變了味道。（二）將模型轉(zhuǎn)變運用于物理教學(xué)的優(yōu)勢心智模型指的是問題情境在人們頭腦中被認知和概念化后所產(chǎn)生的真實或想象情境的心理描述。物理模型是物理知識結(jié)構(gòu)化的呈現(xiàn)形式。物理教學(xué)中模型轉(zhuǎn)變的目標是使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，通過討論、理解、評估他人的模型，或是通過檢驗呈現(xiàn)的模型來進一步了解我們的心智模式是否能讓我們進一步去理解、描述、解釋和預(yù)測現(xiàn)象或事件。若是符合，則模型將會被強化，模型即可以被使用；若必須否定模型時，則模型必須改變，此時需要修正模型或是拒絕模型，從而構(gòu)建一個新的模型。建模理論認為，科學(xué)知識的發(fā)展是一個不斷生成模型與修正模型的過程。物理教學(xué)可以看作重演發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識的過程，學(xué)生使用他們已有的知識去整合新的信息，進而拓展他們的知識。在整合過程中，來自現(xiàn)象觀察、直接經(jīng)驗，或是許多表征的交互作用經(jīng)由心智的運作建立得到心智模型，然后通過推理、預(yù)測、檢驗和解釋，使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?。可見，物理教學(xué)的思維目標是模型轉(zhuǎn)變，模型轉(zhuǎn)變有利于理解科學(xué)發(fā)展的過程?；谀Ｐ娃D(zhuǎn)變開展高中物理教學(xué)符合學(xué)生認識新知識、完善知識體系的規(guī)律，教師不應(yīng)只關(guān)注問題的解決而忽略了建模過程的教學(xué)。二、基于模型轉(zhuǎn)變的靜電教學(xué)路徑哈倫提出的建模過程分為五個步驟：模型選擇、模型建立、模型驗證、模型分析與模型應(yīng)用［2］。與科學(xué)發(fā)展的過程類似，物理教學(xué)也是通過提出心智模型、檢驗心智模型的過程來實現(xiàn)教學(xué)目標。分析“心智模型建模”與“物理模型建?！眱煞N過程可知，建模的途徑是先創(chuàng)設(shè)情境促進學(xué)生建立心智模型，然后在與證據(jù)的交互作用中豐富、轉(zhuǎn)變模型，以達到建構(gòu)物理模型的目標?；诖耍處熢O(shè)定物理教學(xué)模型轉(zhuǎn)變路徑如下：創(chuàng)設(shè)情境建立心智模型—基于心智模型進行推理—預(yù)測與檢驗心智模型—評估、分析并轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ汀獞?yīng)用與解釋物理模型。下面以“靜電的防止與利用”教學(xué)為例進行具體闡述。通過本節(jié)課的學(xué)習，學(xué)生應(yīng)理解靜電平衡狀態(tài)的形成過程，知道處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場強度處處為零；了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象，了解靜電防止的原理；知道靜電吸附原理，了解靜電吸附在靜電除塵等技術(shù)中的應(yīng)用；關(guān)注生活、生產(chǎn)中的靜電現(xiàn)象，體會物理學(xué)與生產(chǎn)、生活的緊密聯(lián)系。本節(jié)課包含靜電平衡、尖端放電、靜電屏蔽、靜電吸附等四個方面的內(nèi)容。（一）創(chuàng)設(shè)情境建立心智模型首先，教師展示電容器萊頓瓶，通過摩擦起電的方式產(chǎn)生靜電，連接電容器儲存電荷，然后讓學(xué)生體驗電容器放電帶來的觸電感，引導(dǎo)學(xué)生觀察電容器兩極板用導(dǎo)線連接時的放電現(xiàn)象，深化學(xué)生對電容器放電的認識。學(xué)生得出結(jié)論：可以通過放電或者中和的方式減少靜電的傷害。本實驗設(shè)計模擬教材介紹的生活中脫毛衣時產(chǎn)生靜電的過程，有利于增加學(xué)生的感性認識，調(diào)動學(xué)生認真觀察與思考物理現(xiàn)象。接下來，教師介紹“法拉第籠”。教師提出問題：在籠外高壓放出電火花的情況下，你是否敢待在鐵籠中？學(xué)生都認為此時待在籠中不可能安然無恙?？紤]到學(xué)生沒有相關(guān)的生活經(jīng)驗，不容易建立靜電感應(yīng)的心智模型，教師于是創(chuàng)設(shè)具有強烈的認知沖突與探究樂趣的問題情境。（二）基于心智模型進行推理結(jié)合“法拉第籠”，引導(dǎo)學(xué)生溯因：探究金屬導(dǎo)體在電場中電荷的移動。為了描述學(xué)生的心智模型，請學(xué)生在黑板上用不同顏色的磁鐵代表正負電荷，描述電荷的受力與運動過程（如圖1所示）。引導(dǎo)學(xué)生思考問題：電荷會一直運動下去嗎？在哪里聚集？會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？通過歸納電荷的受力和運動特點，可以得出感應(yīng)電荷聚集的位置，推斷出感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場的方向，與外電場疊加以后，合場強會逐漸變?nèi)踔敝翞?，最終演繹出靜電平衡的模型。（三）預(yù)測與檢驗心智模型科學(xué)家非常重視預(yù)測。赫茲認為，我們對自然的認識最重要的問題是對未來的預(yù)測，以便根據(jù)預(yù)測來設(shè)計檢驗方案。拉卡托斯認為，一個理論是否具有競爭力，最重要的依據(jù)是其是否具有更強的預(yù)測力，能夠預(yù)測到更多現(xiàn)象的理論才能在競爭中“適者生存”。在模型轉(zhuǎn)變教學(xué)中，學(xué)生在熟悉模型結(jié)構(gòu)和推理的基礎(chǔ)上做出預(yù)測，設(shè)計定量測量程序，比較模型與數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)與預(yù)測相符時，學(xué)生更加堅定自己的想法，而構(gòu)建了錯誤模型的學(xué)生大多接受了不相容模型的正確性，開始改變原有模型。在靜電平衡教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測：在靜電平衡的情況下，電荷最終會如何分布？會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？如果金屬形狀不規(guī)則，電荷將如何分布？學(xué)生預(yù)測后，教師引導(dǎo)學(xué)生分組實驗（靜電屏蔽實驗裝置如圖2所示）。實驗一：驗證導(dǎo)體內(nèi)部場強為零。實驗現(xiàn)象：籠內(nèi)驗電器金屬箔片不張開。實驗二：驗證電荷分布在外表面。實驗現(xiàn)象：籠外驗電器金屬箔片張開。實驗三：驗證尖端電荷更密。實驗現(xiàn)象：尖端驗電羽張角較大（如下頁圖3所示）。（四）評估與分析心智模型，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ捅狙芯繕?gòu)建了建模能力分析量表（如表1所示），采用半結(jié)構(gòu)式訪談法和錄制視頻回放分析法，考查學(xué)生在面對實驗現(xiàn)象時心智模型的特點和心智模型向物理模型轉(zhuǎn)變的情況，通過繪制模型圖、預(yù)測與檢驗、分析、交流與論證等方式，繪制學(xué)生動態(tài)建模過程的完整圖景。表1建模能力分析量表[測評層次具體表現(xiàn)水平1經(jīng)驗觀察直覺回答沒有觀察到相關(guān)現(xiàn)象，也無法回答出相關(guān)且正確的因素關(guān)注實體觀察到具體現(xiàn)象，但無法回答出相關(guān)且正確的因素水平2解釋規(guī)則單一因素回答出一種與理論相關(guān)的因素多重因素回答出兩種及以上與理論相關(guān)的因素，但沒有涉及因素之間的關(guān)系水平3因果關(guān)系交互關(guān)系注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，但沒有運用理論術(shù)語和規(guī)則延伸關(guān)系注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，各交互關(guān)系形成某種抽象的數(shù)學(xué)表達形式水平4理論系統(tǒng)科學(xué)理論注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，同時運用多種抽象形式的理論術(shù)語和推理方式]教學(xué)活動的高潮是請各小組報告和討論檢驗的結(jié)果，學(xué)生可以在分析與評價的過程中獲得整體經(jīng)驗。模型轉(zhuǎn)變需要達到兩個重要目標：一是促進對物理模型結(jié)構(gòu)化和客觀性的理解，二是讓學(xué)生的物理直覺與科學(xué)觀念一致。學(xué)生最后整合出靜電平衡的物理模型：凈電荷分布在金屬外表面，金屬內(nèi)部沒有凈電荷且場強處處為零，在金屬外表面尖端的電荷分布更密。在討論之后觀看“法拉第籠”視頻：雖然籠外電壓很高，但是籠內(nèi)的人安然無恙。學(xué)生結(jié)合“法拉第籠”實驗，分析防靜電包裝袋、電腦主機箱、信號線等物品中蘊含的物理原理，明確外電場不會對殼內(nèi)的儀器產(chǎn)生影響，順勢引出靜電屏蔽的概念。（五）應(yīng)用與解釋物理模型基于模型轉(zhuǎn)變的高中物理課堂的最后一個環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生運用轉(zhuǎn)變后的物理模型解決實際問題，從而加深學(xué)生對模型的理解。教師演示靜電馬達實驗：將杯子底部釘上圖釘放在支架上做成馬達，兩側(cè)的絕緣柱貼上鋸齒狀的金屬箔片，讓箔片與起電機相連。揺動起電機，仔細觀察，馬達旋轉(zhuǎn)起來了（靜電馬達裝置如圖4所示）。是什么驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)起來呢？教師提供三種不同材質(zhì)的馬達給學(xué)生探索：金屬杯、貼鋁箔條的塑料杯以及普通塑料杯。學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬杯兩邊劇烈搖晃而不轉(zhuǎn)動，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象：金屬杯在外電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，靠近電極兩側(cè)的圓弧部分受到徑向的電場力，兩側(cè)受到的引力會平衡，使金屬杯子幾乎不轉(zhuǎn)動。貼鋁箔條的塑料杯與不貼鋁箔條的塑料杯效果相同，都可以順利轉(zhuǎn)動，這是什么原因？之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體表面越尖銳位置處電荷密度越大，如果在尖端附近產(chǎn)生的電場足夠強，會產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象？在強電場作用下，物體越尖銳位置處附近電荷密度大，電場強度劇增，致使這里的空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，被電離的空氣正、負離子與尖端附近電性相同的空氣離子被排斥而飛向遠方，形成的“電風”足以吹滅蠟燭（“電風”吹蠟燭實驗裝置如圖5所示）。用風來解釋靜電馬達的旋轉(zhuǎn)，可以使放電的過程可視化，從而解釋靜電馬達的旋轉(zhuǎn)。學(xué)生觀察自制靜電除塵器（靜電除塵器裝置如圖6所示），用塑料瓶作為煙囪，鋸條作為尖端放電的一極，貼在瓶子內(nèi)壁的鋁箔片作為吸塵的另一極，將感應(yīng)起電機的正極連接鋁箔片，負極連接鋸條，艾條燃燒產(chǎn)生煙霧，轉(zhuǎn)動感應(yīng)起電機，可以看見明顯的吸附除塵現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生用尖端放電來解釋靜電除塵器的原理：負極（鋸條）處的電荷聚集較多，電