楊樹崤 劉炳昇

(1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003； 2. 南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210024)

在新修訂的物理課程標準中,將“物理觀念”作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一,表明了提升學(xué)生物理觀念具有重要意義.它應(yīng)當成為我們物理課堂教學(xué)設(shè)計的重要指導(dǎo)思想．但是由于我們?nèi)狈ι衔坏乃伎?往往對此不夠重視．以一次初中物理青年教師基本功大賽為例,它以“運動的相對性”(蘇科版教材8上第5章第4節(jié))為題進行課堂教學(xué)比賽,選手們教學(xué)過程流暢、師生活動充分、創(chuàng)新亮點精彩紛呈,體現(xiàn)出他們教學(xué)設(shè)計具有扎實的基本功．然而選手在課堂教學(xué)中的疏漏,暴露出他們在教學(xué)設(shè)計中存在著忽視轉(zhuǎn)變學(xué)生運動觀的傾向．筆者認為,基于物理觀念的教學(xué)設(shè)計必須注意以下4個環(huán)節(jié)．

1 要從“物理觀念”的高度俯視教材的邏輯結(jié)構(gòu)

圖1 本章結(jié)構(gòu)

對自然界運動相對性的認識,自古以來就是人們探究的重要課題．哥白尼之前,人們把地球看成是絕對靜止的,一切天體都在繞地球運動;哥白尼提出了“日心說”,伽利略開始提出了運動和靜止的相對性,牛頓由此建立了慣性參照系和牛頓運動定律．經(jīng)典力學(xué)建立以后,人們對運動相對性的探索一直延續(xù),愛因斯坦拋棄了靜止以太的觀念,創(chuàng)建相對論,撼動了牛頓的機械論的自然觀．可見,運動相對性的主題對人類認識自然的意義．

從這個角度看蘇科版教材第5章“物體的運動”的邏輯結(jié)構(gòu)(圖1),正是考慮到“運動的相對性”這一主題在學(xué)生形成運動觀過程中的重要性以及學(xué)生學(xué)習會有較大難度,編者才會把它作為本章的最后一節(jié)．

仔細閱讀教材可知本節(jié)結(jié)構(gòu)由3部分內(nèi)容組成(圖2)．(1) 通過實例概括出機械運動的定義,進而引出“一切物體都在不停地運動著”,即“運動的絕對性”;(2) 通過小華與小明的爭論等實例,認識引入?yún)⒄瘴锏谋匾?了解判別物體運動與靜止的原則和步驟;(3) 通過判斷小華與小明(或相關(guān)古詩詞)關(guān)于運動與靜止正確性的爭論,說明運動的相對性及其本質(zhì)——選取不同參照物,對同一物體運動情況的描述可能不同．聯(lián)系我國現(xiàn)代科技中應(yīng)用運動相對性的實例,對學(xué)生進行愛國主義教育．本節(jié)教學(xué)的重點是了解運動的絕對性和運動的相對性,而教學(xué)難點是運動的相對性．

圖2 本節(jié)結(jié)構(gòu)

從“物理觀念”的高度俯瞰本節(jié)的邏輯結(jié)構(gòu),就不難看出,本節(jié)中“判別物體運動與靜止的原則和步驟”,只是“運動絕對性”和“運動相對性”觀念形成的鋪墊,而認識“運動絕對性”和“運動相對性”才是終極目標．然而本次大賽筆者所聽的6節(jié)課中,大部分選手的注意力集中在運動與靜止判斷原則和步驟的概括與反復(fù)訓(xùn)練上,出現(xiàn)了邏輯結(jié)構(gòu)的缺失,難以完成運動絕對性和運動相對性教學(xué)要求．

2 圍繞“物理觀念”形成設(shè)計教學(xué)中的思維沖突

探究過程的展開、物理觀念的形成,科學(xué)思維的積淀,都離不開思維的沖突．這里所說的思維沖突,有前概念中的錯誤與新概念的沖突;有新概念形成中表象與本質(zhì)的沖突,探究過程中已知與未知的沖突,還有推理過程中正確與錯誤的沖突等．有了思維沖突,學(xué)生會有發(fā)現(xiàn)沖突的驚訝:“啊?怎么會這樣?”,也才會有了解真相后的驚喜“噢!原來是這樣!”教學(xué)的進程才能跌宕起伏,學(xué)生頭腦中的錯誤才能受到批判,所學(xué)的知識才能得到鞏固,思維也才能得到訓(xùn)練．

設(shè)計思維沖突的關(guān)鍵,是要找到物理觀念形成時矛盾的焦點．本節(jié)的第1次思維沖突發(fā)生在本節(jié)教學(xué)的開始(第1部分),是關(guān)于運動絕對性的,即“一切物體都在不停的運動著”．由于錯誤的前概念,有些學(xué)生習慣于把地球作為參照物,因此就會產(chǎn)生思維沖突:明明我們周圍有靜止的物體,為什么還說一切物體都在運動呢?

遺憾的是這次大賽所聽的6節(jié)課中,只有一位選手注意到了運動絕對性的教學(xué)．他在啟發(fā)學(xué)生舉出大量實例說明身邊物體是運動還是靜止后,設(shè)計了如下的教學(xué)片段:

教師:在學(xué)習了機械運動的定義后,大家有沒有什么問題?靜止的物體真的不動嗎?

學(xué)生:不是,地球在公轉(zhuǎn),它們隨地球一起繞太陽運動．

教師:那太陽是靜止的嗎?

學(xué)生:也不是,太陽在繞銀河系轉(zhuǎn)動．

教師:其實,銀河系也不是靜止的,它也在宇宙中運動,結(jié)論應(yīng)該是

(注: 銀河系屬于本星系團,據(jù)觀察和研究,銀河系正在朝著本星系團的引力中心運動,又不停地與仙女座星系靠近．而本星系團大致上圍繞室女座星系團運動．而整個室女座超級星系團都在朝著拉尼亞凱亞超級星系團的中央的巨引力源Great Attractor運動……)

學(xué)生:一切物體都在運動．

教師:是的,不僅宏觀物體一直在運動,我們在第7章學(xué)過“分子處在永不停息地無規(guī)則運動中”,課本圖5-34(a)顯示的其他微觀粒子運動的徑跡．即“無論是微觀粒子還是宇宙中的天體,都在不停地運動著”．

圖3 運動的相對性

本節(jié)的第2次思維沖突發(fā)生在第2部分末尾,學(xué)生在已了解了判別運動與靜止的原則和步驟之后,再討論圖5-35中小華與小明對所乘坐列車是否開動的問題(圖3).

教師:小華說列車已經(jīng)開動了,小明卻說它仍然靜止,同學(xué)們有什么困惑嗎?

學(xué)生甲:小華與小明究竟誰說得對?答案難道不是唯一的嗎?

(學(xué)生爭論:無非小華對小明錯、小明對小華錯、兩個都對、兩個都錯4種情況)

教師:小華根據(jù)什么說列車已經(jīng)開動了?

學(xué)生乙:以對面車為參照物,列車的位置發(fā)生了變化．

教師:小明又根據(jù)什么說列車還沒有開動?

學(xué)生丙:以站臺為參照物,列車的位置沒有發(fā)生變化．

教師:小華、小明的判斷有什么錯誤嗎?

學(xué)生:找不出什么錯誤,應(yīng)該都是正確的．

教師:說運動還是靜止,是觀察者對被觀察的對象運動情況的描述．小華以對面列車為參照物,描述說列車開動了;小明以站臺為參照物,描述說列車仍然靜止．這兩個描述都正確,說明了什么?

學(xué)生:說明觀察者選取不同的參照物,對被觀察對象運動情況的描述不同．

教師:是“一定”不同還是“可能”不同,用哪個詞合適?

學(xué)生:用“可能”合適,因為也可能描述相同．

教師:很好,運動和靜止是相對于一個選定的參照物而言的,選取不同的參照物,對被觀察對象運動情況的描述可能不同,這就是運動相對性的本質(zhì)．

其實,教學(xué)過程中就有學(xué)生提出問題了:又說它運動,又說它靜止,這不矛盾嗎?在他們的頭腦中,根深蒂固的是物體要么運動,要么靜止,不可能又運動又靜止．但實際情況是,選取不同的參照物,對被觀察對象的運動情況描述可能不同.這恰恰是本節(jié)可要解決的重點．這里重視學(xué)生不同觀點的表述,讓他們講話,是引發(fā)思維沖突的關(guān)鍵．

3 將“物理觀念”形成也列為教學(xué)設(shè)計中價值判斷的標準

教學(xué)設(shè)計中不可避免地會遇到社會需求、學(xué)科需求與學(xué)生個性發(fā)展需求3者之間的矛盾.這就有一個價值判斷與選擇的問題．當前必須將“物理觀念”形成也列為教學(xué)設(shè)計中價值判斷的標準,努力構(gòu)建3者在對立中求融合的關(guān)系,才能使課堂教學(xué)取得成功．教學(xué)設(shè)計中教師的價值判斷與選擇一般表現(xiàn)在以下3個方面．

3.1 目標價值選擇

有選手在教學(xué)過程中,自始至終都扣住的“被觀察對象、參照物、位置是否變化、判斷運動還是靜止”進行教學(xué),恰恰疏忽了運動絕對性和相對性的教學(xué),這是一個教學(xué)目標選擇問題．本節(jié)涉及到的考點,無非是運動與靜止的判別,這就必須選擇參照物,必須判斷被觀察對象相對于參照物的位置是否變化,因此適當?shù)剡M行訓(xùn)練是應(yīng)該的．但是,這些知識是為說明運動的絕對性和相對性服務(wù)的,通過這些知識的鋪墊,了解運動絕對性和相對性,進而建立起物質(zhì)的運動觀,卻是學(xué)生樹立物理觀念所必需的．另一方面,通過了解物體運動的絕對性和相對性,又為將來學(xué)習哲學(xué),進一步了解物質(zhì)運動的絕對性和相對性提供準備．

把教學(xué)目標放在深層素養(yǎng)的培養(yǎng)上還是僅僅關(guān)注選拔與考試,體現(xiàn)了教師的價值指向．

3.2 案例(活動)價值選擇

教材也可以利用有關(guān)的古詩詞作為案例,說明運動的相對性．例如“游云西行而謂月之東馳”,提出問題:云朵和月亮究竟誰在運動?由月亮相對云朵向東運動,而相對地球卻在短時間可視為靜止,說明運動相對性的本質(zhì)——對同一物體,由于選取參照物不同對運動的描述可能不同．類似的例子有很多,教材為什么要選古詩詞?就是為了說明我國古代對此也有過關(guān)注,同時弘揚了我國的傳統(tǒng)文化,激發(fā)了學(xué)生的愛國情懷．

“生活·物理·社會”中又以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的案例來說明運動相對性的具體應(yīng)用,如果能夠適當介紹一下我國科技相關(guān)的背景,例如國慶70周年閱兵時,我空軍用轟油6空中加油機為殲10B戰(zhàn)機空中加油,其難度在于要保持相對靜止．介紹風洞中的戰(zhàn)斗機模型時,不僅是模型與風之間的相對運動問題,還可以說說我國研制的殲20,在設(shè)計完成后將飛機模型送到風洞中吹,可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷并及時修改糾正,以節(jié)省時間和費用等．這樣既讓學(xué)生鞏固了所學(xué)的知識、了解了現(xiàn)代科技的應(yīng)用,又讓學(xué)生知道了我國科技發(fā)展的情況,激發(fā)了自豪感．

在教學(xué)中,教師自行選擇一些趣味性和說服力更強的案例和活動,以激發(fā)學(xué)生探究的興趣.這無可厚非、應(yīng)該贊賞,但是選擇時必須斟酌其價值．例如讓學(xué)生用大量的時間制作一個風車,或者組織學(xué)生接力比“誰運的鉤碼多”,這與本節(jié)教學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)究竟有多大?你選擇這些次要問題不惜筆墨,看起來學(xué)生很興奮,場面很熱鬧,但你究竟想得到什么結(jié)果,會不會由于耗費時間而影響甚至忽視重點問題——運動絕對性和相對性的建構(gòu),這是值得反思的．

3.3 難度價值選擇

本節(jié)教學(xué)中,有選手選擇了定量描述兩物體相對運動狀態(tài)問題．例如速度大小甚至方向滿足什么條件時兩輛列車會同向運動、相對靜止或反向運動?騎自行車時車速與風速滿足什么條件人會感覺順風、無風或逆風?這些問題在高一的物理學(xué)習中都是難點,在初中究竟有沒有必要出現(xiàn),值得商榷．

其實由于猜測中考的命題點而將難度很大、綜合程度很高的題目,放在學(xué)生概念形成階段來處理,表面上看是為了滿足社會選拔人才的需求,但是由于沒有遵從學(xué)生的認知規(guī)律,為學(xué)生認知發(fā)展設(shè)置了人為障礙,反而影響了學(xué)生正確運動觀的形成．

4 關(guān)注學(xué)生“物理觀念”發(fā)展的階段性,防止畫蛇添足或節(jié)外生枝

學(xué)生運動觀的形成是一個潛移默化、逐步積累的過程,初中階段對學(xué)生的要求,就是通過大量實例定性了解運動的絕對性和運動的相對性．不經(jīng)過深思熟慮,隨意超越階段性,會導(dǎo)致畫蛇添足或節(jié)外生枝,甚至會出現(xiàn)科學(xué)性錯誤．

再如在講述“運動與靜止”的教學(xué)片段,有多位選手選擇了“睜眼”與“閉眼”的活動．即讓一位選手睜眼,另一位選手閉眼,同時教師向前走兩步,再退回原位,問學(xué)生:“教師是否運動了”．睜眼的學(xué)生說“動了”,閉眼的學(xué)生說“沒動”．這個活動的教學(xué)意圖究竟是什么?如果是要強調(diào)“選擇不同的參照物對同一物體運動的描述可能不同”,那這兩個學(xué)生選擇的參照物均為地面(或相對地面靜止的物體),答案應(yīng)該相同．如果是要強調(diào)運動定義是針對“過程”而言,那睜眼的學(xué)生觀察的是整個過程,描述的物理量是路程;而閉眼的學(xué)生觀察的是過程的始末狀態(tài),描述的物理量是位移．閉眼的學(xué)生不僅沒有錯誤,還能與高中學(xué)習的位移、速度等矢量概念強調(diào)過程的始末狀態(tài)銜接．筆者認為:位置變化必然是一個過程,根本沒有必要去強調(diào)“過程”這兩個字,而且由于對本活動處理不慎,會為學(xué)生進一步學(xué)習造成前概念錯誤,建議取消為好．

基于“物理觀念”的課堂教學(xué)設(shè)計過程,是我們再學(xué)習、再思考并且再提高的過程,注重以上4個環(huán)節(jié),有利于“物理觀念”的教學(xué)目標得以實現(xiàn)、教學(xué)過程既精彩又有頓挫波折、價值判斷符合諸方面和諧發(fā)展需求,從而進一步提升學(xué)生的核心素養(yǎng),提高物理課堂教學(xué)的質(zhì)量．