基于模型转变的高中物理静电教学例析

摘要：高中物理教学的核心是建立结构化的模型。学生思考问题时建立的心智模型与物理模型之间存在着明显区别，引导学生将心智模型转变为物理模型有助于发展学生的科学推理、科学论证、批判反思等能力。为解决高中物理静电教学中存在的教师对课堂教学节奏把握不佳等问题，教师应实施基于模型转变的教学，通过创设情境引导学生建立心智模型，让学生通过推理、预测、验证，不断修正模型，进而将心智模型转变为物理模型，从而掌握物理知识，能够运用物理知识解决实际问题。关键词：心智模型；物理模型；模型转变；高中物理；静电教学约翰逊·莱尔德以皮亚杰的建构主义理论为基础，提出建构“心智模型”的观点，研究学习者思维的表征、推理和转变过程；在此基础上，海斯特斯结合学习科学、科学史与科学哲学、认知心理学、语言学、神经科学、空间感知心理学等提出“建模理论”，认为物理建模教学的目的是生成心智模型，并经由科学推理、解释与检验转变为物理模型［1］。本研究融合上述观点，提出基于模型转变的物理教学方式：学生在教师设置的问题情境下，形成心智模型，进行科学推理、科学论证、批判反思，促使心智模型转变为物理模型。一、高中物理静电教学困难与模型转变教学优势（一）高中物理静电教学存在困难高中物理静电教学困难，归纳起来就是教师难以控制“放”和“收”的度。一部分教师演示大量实验、开展手工制作活动，放任学生在课堂上嬉笑玩闹，难以控制课堂节奏，只得草草收场；与此相反，一部分教师倾向于尽快引出物理学原理，无视学生的相异观点，采用归纳的方式直接得出结论，这样做貌似提高了效率，事实上学生对物理知识的理解缺乏深度。造成这些教学现象的原因有二。一是教学目的存在偏差，部分教师的关注点只落在问题解决，对建立模型过程中学生的思维发展缺乏重视与深刻理解。二是部分教师受经验主义观念的影响，将科学知识当作线性积累的、客观不变的真理，进而忽视科学发展中的波折与争论，试图引导学生根据经验机械地推导出结论，使教学变了味道。（二）将模型转变运用于物理教学的优势心智模型指的是问题情境在人们头脑中被认知和概念化后所产生的真实或想象情境的心理描述。物理模型是物理知识结构化的呈现形式。物理教学中模型转变的目标是使心智模型转变为物理模型，通过讨论、理解、评估他人的模型，或是通过检验呈现的模型来进一步了解我们的心智模式是否能让我们进一步去理解、描述、解释和预测现象或事件。若是符合，则模型将会被强化，模型即可以被使用；若必须否定模型时，则模型必须改变，此时需要修正模型或是拒绝模型，从而构建一个新的模型。建模理论认为，科学知识的发展是一个不断生成模型与修正模型的过程。物理教学可以看作重演发现科学知识的过程，学生使用他们已有的知识去整合新的信息，进而拓展他们的知识。在整合过程中，来自现象观察、直接经验，或是许多表征的交互作用经由心智的运作建立得到心智模型，然后通过推理、预测、检验和解释，使心智模型转变为物理模型。可见，物理教学的思维目标是模型转变，模型转变有利于理解科学发展的过程。基于模型转变开展高中物理教学符合学生认识新知识、完善知识体系的规律，教师不应只关注问题的解决而忽略了建模过程的教学。二、基于模型转变的静电教学路径哈伦提出的建模过程分为五个步骤：模型选择、模型建立、模型验证、模型分析与模型应用［2］。与科学发展的过程类似，物理教学也是通过提出心智模型、检验心智模型的过程来实现教学目标。分析“心智模型建模”与“物理模型建模”两种过程可知，建模的途径是先创设情境促进学生建立心智模型，然后在与证据的交互作用中丰富、转变模型，以达到建构物理模型的目标。基于此，教师设定物理教学模型转变路径如下：创设情境建立心智模型—基于心智模型进行推理—预测与检验心智模型—评估、分析并转变为物理模型—应用与解释物理模型。下面以“静电的防止与利用”教学为例进行具体阐述。通过本节课的学习，学生应理解静电平衡状态的形成过程，知道处于静电平衡的导体内部电场强度处处为零；了解尖端放电、静电屏蔽现象，了解静电防止的原理；知道静电吸附原理，了解静电吸附在静电除尘等技术中的应用；关注生活、生产中的静电现象，体会物理学与生产、生活的紧密联系。本节课包含静电平衡、尖端放电、静电屏蔽、静电吸附等四个方面的内容。（一）创设情境建立心智模型首先，教师展示电容器莱顿瓶，通过摩擦起电的方式产生静电，连接电容器储存电荷，然后让学生体验电容器放电带来的触电感，引导学生观察电容器两极板用导线连接时的放电现象，深化学生对电容器放电的认识。学生得出结论：可以通过放电或者中和的方式减少静电的伤害。本实验设计模拟教材介绍的生活中脱毛衣时产生静电的过程，有利于增加学生的感性认识，调动学生认真观察与思考物理现象。接下来，教师介绍“法拉第笼”。教师提出问题：在笼外高压放出电火花的情况下，你是否敢待在铁笼中？学生都认为此时待在笼中不可能安然无恙。考虑到学生没有相关的生活经验，不容易建立静电感应的心智模型，教师于是创设具有强烈的认知冲突与探究乐趣的问题情境。（二）基于心智模型进行推理结合“法拉第笼”，引导学生溯因：探究金属导体在电场中电荷的移动。为了描述学生的心智模型，请学生在黑板上用不同颜色的磁铁代表正负电荷，描述电荷的受力与运动过程（如图1所示）。引导学生思考问题：电荷会一直运动下去吗？在哪里聚集？会产生什么现象？通过归纳电荷的受力和运动特点，可以得出感应电荷聚集的位置，推断出感应电荷产生的附加电场的方向，与外电场叠加以后，合场强会逐渐变弱直至为0，最终演绎出静电平衡的模型。（三）预测与检验心智模型科学家非常重视预测。赫兹认为，我们对自然的认识最重要的问题是对未来的预测，以便根据预测来设计检验方案。拉卡托斯认为，一个理论是否具有竞争力，最重要的依据是其是否具有更强的预测力，能够预测到更多现象的理论才能在竞争中“适者生存”。在模型转变教学中，学生在熟悉模型结构和推理的基础上做出预测，设计定量测量程序，比较模型与数据。当数据与预测相符时，学生更加坚定自己的想法，而构建了错误模型的学生大多接受了不相容模型的正确性，开始改变原有模型。在静电平衡教学中，教师引导学生预测：在静电平衡的情况下，电荷最终会如何分布？会出现怎样的现象？如果金属形状不规则，电荷将如何分布？学生预测后，教师引导学生分组实验（静电屏蔽实验装置如图2所示）。实验一：验证导体内部场强为零。实验现象：笼内验电器金属箔片不张开。实验二：验证电荷分布在外表面。实验现象：笼外验电器金属箔片张开。实验三：验证尖端电荷更密。实验现象：尖端验电羽张角较大（如下页图3所示）。（四）评估与分析心智模型，将其转变为物理模型本研究构建了建模能力分析量表（如表1所示），采用半结构式访谈法和录制视频回放分析法，考查学生在面对实验现象时心智模型的特点和心智模型向物理模型转变的情况，通过绘制模型图、预测与检验、分析、交流与论证等方式，绘制学生动态建模过程的完整图景。表1建模能力分析量表[测评层次具体表现水平1经验观察直觉回答没有观察到相关现象，也无法回答出相关且正确的因素关注实体观察到具体现象，但无法回答出相关且正确的因素水平2解释规则单一因素回答出一种与理论相关的因素多重因素回答出两种及以上与理论相关的因素，但没有涉及因素之间的关系水平3因果关系交互关系注意到多种因素，而且试图联系各种因素，形成交互关系，但没有运用理论术语和规则延伸关系注意到多种因素，而且试图联系各种因素，形成交互关系，各交互关系形成某种抽象的数学表达形式水平4理论系统科学理论注意到多种因素，而且试图联系各种因素，形成交互关系，同时运用多种抽象形式的理论术语和推理方式]教学活动的高潮是请各小组报告和讨论检验的结果，学生可以在分析与评价的过程中获得整体经验。模型转变需要达到两个重要目标：一是促进对物理模型结构化和客观性的理解，二是让学生的物理直觉与科学观念一致。学生最后整合出静电平衡的物理模型：净电荷分布在金属外表面，金属内部没有净电荷且场强处处为零，在金属外表面尖端的电荷分布更密。在讨论之后观看“法拉第笼”视频：虽然笼外电压很高，但是笼内的人安然无恙。学生结合“法拉第笼”实验，分析防静电包装袋、电脑主机箱、信号线等物品中蕴含的物理原理，明确外电场不会对壳内的仪器产生影响，顺势引出静电屏蔽的概念。（五）应用与解释物理模型基于模型转变的高中物理课堂的最后一个环节，可以让学生运用转变后的物理模型解决实际问题，从而加深学生对模型的理解。教师演示静电马达实验：将杯子底部钉上图钉放在支架上做成马达，两侧的绝缘柱贴上锯齿状的金属箔片，让箔片与起电机相连。揺动起电机，仔细观察，马达旋转起来了（静电马达装置如图4所示）。是什么驱动马达旋转起来呢？教师提供三种不同材质的马达给学生探索：金属杯、贴铝箔条的塑料杯以及普通塑料杯。学生发现金属杯两边剧烈摇晃而不转动，教师引导学生解释实验现象：金属杯在外电场中产生感应电荷，靠近电极两侧的圆弧部分受到径向的电场力，两侧受到的引力会平衡，使金属杯子几乎不转动。贴铝箔条的塑料杯与不贴铝箔条的塑料杯效果相同，都可以顺利转动，这是什么原因？之前已经发现导体表面越尖锐位置处电荷密度越大，如果在尖端附近产生的电场足够强，会产生怎样的现象？在强电场作用下，物体越尖锐位置处附近电荷密度大，电场强度剧增，致使这里的空气被电离而产生气体放电现象，被电离的空气正、负离子与尖端附近电性相同的空气离子被排斥而飞向远方，形成的“电风”足以吹灭蜡烛（“电风”吹蜡烛实验装置如图5所示）。用风来解释静电马达的旋转，可以使放电的过程可视化，从而解释静电马达的旋转。学生观察自制静电除尘器（静电除尘器装置如图6所示），用塑料瓶作为烟囱，锯条作为尖端放电的一极，贴在瓶子内壁的铝箔片作为吸尘的另一极，将感应起电机的正极连接铝箔片，负极连接锯条，艾条燃烧产生烟雾，转动感应起电机，可以看见明显的吸附除尘现象。教师引导学生用尖端放电来解释静电除尘器的原理：负极（锯条）处的电荷聚集较多，电