張 雪 張 靜

(長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院物理教育研究所,湖北 荊州 434023)

2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將物理觀念作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)之首,并明確提出物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等．物理觀念是公認(rèn)的、正確的對(duì)物質(zhì)世界的根本看法和認(rèn)識(shí),對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)與行為具有方向性的指導(dǎo)意義,更能夠影響學(xué)生終身的學(xué)習(xí)與發(fā)展．[1]而據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析表明,物理觀念相關(guān)研究論文不足核心素養(yǎng)研究論文的8%,物理觀念的教學(xué)研究目前仍是物理教育研究領(lǐng)域的一大缺口．[2]

1 基于物理觀念建構(gòu)的5E教學(xué)模式設(shè)計(jì)

5E教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式,包含引入(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、拓展(Elaboration)和評(píng)價(jià)(Evaluation)5個(gè)環(huán)節(jié),能有效幫助學(xué)生在合作探究中循序漸進(jìn)地建構(gòu)物理觀念．為實(shí)現(xiàn)物理觀念教學(xué)的貫徹與落實(shí),本文設(shè)計(jì)了基于物理觀念建構(gòu)的5E教學(xué)模式(如圖1):首先創(chuàng)設(shè)情境,幫助學(xué)生建立基本概念,打好“地基”;接著,開展小組合作探究,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納推理,找出內(nèi)在的關(guān)聯(lián)和物理本質(zhì),深刻理解和掌握相關(guān)物理概念和規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,聯(lián)系自然生活,鼓勵(lì)學(xué)生解釋物理現(xiàn)象,讓學(xué)生有機(jī)會(huì)能夠闡述對(duì)物理世界的認(rèn)知,初步建立物理觀念;[3]再實(shí)施拓展活動(dòng),讓學(xué)生在真實(shí)復(fù)雜的生活環(huán)境中解決實(shí)際問題,將所學(xué)所悟合理地遷移到新的情境中,鞏固物理觀念;最后,教師重現(xiàn)普遍的錯(cuò)誤認(rèn)知,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思評(píng)價(jià),養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、勤于反思的習(xí)慣,促進(jìn)物理觀念的發(fā)展.

圖1 基于物理觀念建構(gòu)的5E教學(xué)模式

2 基于物理觀念建構(gòu)的5E教學(xué)模式實(shí)踐

依據(jù)新課標(biāo)編寫的《普通高中物理教科書》(2019年版)(簡(jiǎn)稱為“新教材”)在必修第1冊(cè)中將舊教材第4章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”改編為“運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”,并將“超重與失重”獨(dú)立為最后一節(jié)內(nèi)容．新教材更加聚焦運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系這一觀念(簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)與力觀念),與課標(biāo)中“注重在機(jī)械運(yùn)動(dòng)情境下培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”相吻合．本節(jié)基于上述5E教學(xué)模式開發(fā)了“超重與失重”的教學(xué)設(shè)計(jì),以期促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與力觀念的建構(gòu).

2.1 情境引入——建立基本概念

圖2 模擬電梯裝置及結(jié)構(gòu)

情境創(chuàng)設(shè):教師運(yùn)用模擬電梯(如圖2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,砝碼立在稱重傳感器上猶如人站于電梯中,顯示屏的示數(shù)表示砝碼的“體重”．教師依次進(jìn)行如下操作,學(xué)生觀察以下各情況中顯示屏的示數(shù)情況:(1) 將1 N的砝碼輕輕放在傳感器上并固定,保證裝置處于靜止?fàn)顟B(tài);(2) 在與傳感器連線右邊掛上較重的物體,使砝碼加速上升;(3) 在與傳感器連線右邊掛上較輕的物體,使砝碼加速下降;(4) 在與傳感器連線右邊掛上與左邊約等重物體,使砝碼向上、向下勻速運(yùn)動(dòng);(5) 將傳感器上方的連線剪斷,使砝碼自由下落.

概念講解:根據(jù)觀察結(jié)果,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論“在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量砝碼重量時(shí),測(cè)量值并非固定不變”．之后,教師引入重量的引力性定義和操作性定義,并提出當(dāng)物體在豎直方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),重量的引力性定義“重量即重力,也就是由于地球的吸引而使物體受到的力”不再適用,需要用到重量的操作性定義“重量是在標(biāo)準(zhǔn)稱重過程中的稱重結(jié)果,也就是其他物體對(duì)其支撐時(shí)所施加的力”．[4]在此基礎(chǔ)上,再講解超重與失重的概念,超重即物體重量測(cè)量值(也稱為視重)大于物體重力、失重即物體重量測(cè)量值小于物體重力.

設(shè)計(jì)意圖:不同狀態(tài)下,砝碼重量測(cè)量結(jié)果的不一致,會(huì)形成強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突,引導(dǎo)學(xué)生將觀察和思考聯(lián)系起來,認(rèn)識(shí)超重與失重現(xiàn)象．“重量”是物理學(xué)的基本概念之一,它的操作性定義具有認(rèn)識(shí)論和概念上的雙重優(yōu)勢(shì),會(huì)避免學(xué)生產(chǎn)生“超重就是重力增加,失重就是重力減少”的錯(cuò)誤認(rèn)知,適用于更廣泛的物理情境,從引力相互作用到電磁相互作用的轉(zhuǎn)變幫助能學(xué)生正確建立超重與失重的概念．[5]

2.2 開展探究——深刻理解和掌握概念規(guī)律

教師提問:發(fā)生超重與失重現(xiàn)象與什么因素有關(guān)?

學(xué)生猜想:速度,加速度……

合作探究:學(xué)生分小組展開合作學(xué)習(xí),利用傳感器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行定量探究,一位學(xué)生站在力傳感器上完成下蹲和站起兩個(gè)過程,其他學(xué)生記錄計(jì)算機(jī)采集的圖像(如圖3),并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果填寫實(shí)驗(yàn)記錄表格(如圖4),包括下蹲與站起各階段中傳感器示數(shù)與重力的大小關(guān)系,人體的超重或失重狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、速度方向以及加速度方向.

圖3 下蹲，站起兩個(gè)過程

圖4 實(shí)驗(yàn)記錄表格

分析歸納:教師引導(dǎo)學(xué)生先分析兩種超重狀態(tài),學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體超重時(shí),速度方向有上有下,而加速度方向卻是始終向上的;同樣地,當(dāng)物體失重時(shí),只有加速度方向始終向下．隨后,讓學(xué)生自主歸納出“超重、失重與加速度方向有關(guān),而與速度方向無關(guān)”的結(jié)論.

圖5 加速下蹲時(shí)受力分析

設(shè)計(jì)意圖:在探究影響超重、失重條件時(shí),結(jié)合新教材中傳感器和計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)手段,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷現(xiàn)象觀察、到數(shù)據(jù)處理、再到總結(jié)歸納的實(shí)驗(yàn)探究過程,幫助學(xué)生從運(yùn)動(dòng)觀的角度初步建模,糾正學(xué)生可能認(rèn)為的超重、失重現(xiàn)象與速度有關(guān)的表象規(guī)律,得出與加速度有關(guān)的本質(zhì)認(rèn)識(shí).

理論探究:教師運(yùn)用隔離法和分析法以及牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),推理人體加速下蹲(如圖5)時(shí)的失重規(guī)律.

根據(jù)牛頓第二定律:G-N=mg-N=ma.

根據(jù)牛頓第三定律:N′=-N.(大小相等,方向相反)

在數(shù)值上滿足:N′=mg-ma,其中N′是視重，mg是實(shí)重，ma是失重部分．教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:當(dāng)物體向下加速時(shí),因?yàn)榫哂邢蛳碌暮贤饬?所以失重.

學(xué)生任務(wù):根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄,學(xué)生參照之前的演示推理,從相互作用觀的角度分析其他3種超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì)原因,并總結(jié)歸納出物體在不同狀態(tài)(包括實(shí)重、超重和失重)的受力和運(yùn)動(dòng)情況(如圖6).

圖6 不同狀態(tài)下物體的受力和運(yùn)動(dòng)情況

設(shè)計(jì)意圖:在理論探究部分,牛頓第二、三定律的運(yùn)用清楚地揭示了超重、失重與加速度的定量關(guān)系．學(xué)生經(jīng)歷自主推理和總結(jié)歸納,不僅對(duì)物體在不同狀態(tài)下的受力和運(yùn)動(dòng)情況有清晰的認(rèn)識(shí),更能深刻理解與掌握運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系:物體不受力和受平衡力時(shí)效果相同,都保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變;受非平衡力時(shí),物體將改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)．[6]

2.3 概括解釋——初步建立運(yùn)動(dòng)與力觀念

教師提問:在之前的模擬電梯實(shí)驗(yàn)中,為什么顯示屏示數(shù)不一致呢?

學(xué)生解釋:當(dāng)傳感器上的砝碼靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),砝碼處于平衡狀態(tài),顯示屏示數(shù)等于重力;當(dāng)砝碼向上加速運(yùn)動(dòng)時(shí),具有向上的合外力,處于超重狀態(tài),所以示數(shù)大于物體重力;同樣地,當(dāng)砝碼向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí),處于失重狀態(tài),示數(shù)小于物體重力.

教師提問:當(dāng)剪斷傳感器上方的繩子時(shí),為何示數(shù)顯示為0呢?

學(xué)生解釋:繩子剪斷后,砝碼做自由落體運(yùn)動(dòng),對(duì)傳感器的作用力在數(shù)值上滿足:N′=mg-ma,此時(shí)a=g,故N′=0.

概念延伸:教師講解如果物體在加速下降過程中的加速度為g,此時(shí)重量測(cè)量值為0,物體對(duì)測(cè)力計(jì)完全沒有作用力,這種現(xiàn)象被叫做完全失重狀態(tài).

設(shè)計(jì)意圖:能夠解釋自然現(xiàn)象是建構(gòu)物理觀念的重要價(jià)值所在．學(xué)生依據(jù)運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系來解釋情境導(dǎo)入中“稱重”示數(shù)不一致的原因后,更能體會(huì)生產(chǎn)、生活中如乘坐電梯、蹦極,跳傘乃至太空失重等不同感受的產(chǎn)生源由,領(lǐng)會(huì)運(yùn)動(dòng)與力觀念的統(tǒng)攝性.

2.4 拓展遷移——鞏固運(yùn)動(dòng)與力觀念

拓展活動(dòng):向?qū)W生提供如圖7所示研究工具清單和實(shí)驗(yàn)設(shè)置說明,并設(shè)置空白區(qū)域記錄活動(dòng)的數(shù)據(jù)和結(jié)果.

圖7

設(shè)計(jì)意圖:該階段設(shè)計(jì)了與日常生活相關(guān)的失重活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生探究當(dāng)塑料杯靜止時(shí),杯中水在受到平衡力(手指堵住小孔)和非平衡力(手指不堵住小孔)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)塑料杯和杯中水同時(shí)處于完全失重狀態(tài)時(shí),兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及受力情況．在這一過程中,學(xué)生思考物體在受到不同類型作用力下的運(yùn)動(dòng)情況,在更為復(fù)雜的情境中運(yùn)用運(yùn)動(dòng)與力觀念解決實(shí)際問題,由此鞏固學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與力觀念.

2.5 展開評(píng)價(jià)——促進(jìn)運(yùn)動(dòng)與力觀念的發(fā)展

反思評(píng)價(jià):教師介紹物理學(xué)史,曾經(jīng)亞里士多德認(rèn)為“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”,將力與速度聯(lián)系起來;而牛頓在伽利略和笛卡爾的研究基礎(chǔ)上,得出“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”,將力與加速度聯(lián)系起來．在科學(xué)史的背景下,引導(dǎo)學(xué)生評(píng)價(jià)人類對(duì)運(yùn)動(dòng)與力發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí).

設(shè)計(jì)意圖:高中生因有初中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),對(duì)牛頓第一定律的內(nèi)容有所認(rèn)識(shí),不會(huì)根據(jù)物體是否受力,而錯(cuò)誤地將“運(yùn)動(dòng)”和“靜止”對(duì)立起來．但學(xué)生的理解難免只停留在表面,教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)亞里士多德和牛頓第一定律在認(rèn)識(shí)上的根本分歧,明白“靜止”只是物體做“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的特例,速度變與不變才是本質(zhì)區(qū)別．牛頓提出的第二定律更是解決了運(yùn)動(dòng)與力之間的定量問題,是第一定律順理成章的延伸．物理學(xué)史的回顧帶領(lǐng)學(xué)生重走科學(xué)家探索之路,感悟大師們勇于質(zhì)疑的思維方法,促進(jìn)運(yùn)動(dòng)與力觀念的發(fā)展.

3 結(jié)語

物理觀念的形成是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過程,不能一蹴而就．5E模式對(duì)學(xué)生的物理觀念建構(gòu)有著獨(dú)特的作用與價(jià)值.通過創(chuàng)設(shè)問題情境,提供直觀的事實(shí)與經(jīng)驗(yàn)以建立科學(xué)概念;經(jīng)過理論與實(shí)踐結(jié)合的探究過程,使學(xué)生深刻理解與掌握相關(guān)的物理知識(shí),做好觀念教學(xué)的起點(diǎn)．在此基礎(chǔ)上,讓學(xué)生進(jìn)一步解釋物理現(xiàn)象,解決實(shí)際問題,并針對(duì)普遍的錯(cuò)誤認(rèn)知進(jìn)行評(píng)價(jià)反思,逐步實(shí)現(xiàn)物理觀念建立—鞏固—發(fā)展的建構(gòu)過程.