陳東曉，陳愛文

（1.麗水市教育教學(xué)研究院，浙江麗水323000；2.縉云中學(xué)，浙江縉云321400）

物理學(xué)是在實驗與思辨的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用以及運動規(guī)律的自然科學(xué)，物理學(xué)萌芽于最早的自然哲學(xué)，并于19 世紀(jì)逐漸從哲學(xué)中分離出來成為一門獨立的學(xué)科。物理學(xué)的本源蘊含著豐富的哲學(xué)思想。哲學(xué)思想是關(guān)于自然、世界、人類行為等的思考。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)必定有其哲學(xué)認(rèn)識論的內(nèi)涵。培養(yǎng)高中生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)定當(dāng)要有哲學(xué)思考，在教學(xué)的全過程理應(yīng)以物理觀念來統(tǒng)領(lǐng)物理概念、物理規(guī)律的精準(zhǔn)教學(xué)，結(jié)合概念的建構(gòu)與規(guī)律的探究，促使學(xué)生形成辯證的科學(xué)哲學(xué)觀[1]。

重力與彈力是人教2019 版《高中物理》必修1 第3 章《相互作用:力》第1 節(jié)的內(nèi)容。相互作用是高中物理的一個非常重要的觀念，彈力的學(xué)習(xí)是學(xué)生形成相互作用觀念的基礎(chǔ)。彈力的教學(xué)內(nèi)容是精彩紛呈的宇宙萬物與神奇美妙的科學(xué)規(guī)律的具體體現(xiàn)，其中的物理觀念、科學(xué)思維等核心素養(yǎng)蘊含著極其豐富的哲學(xué)思想[2]。在課堂教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)這些深層的規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的境界去領(lǐng)悟科學(xué)思維，課堂內(nèi)讓學(xué)生親身體驗哲學(xué)思辨，從而培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，使教學(xué)達(dá)到一定的哲學(xué)高度[3]。以下就高中物理彈力教學(xué)中幾個具體環(huán)節(jié)的設(shè)計對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的哲學(xué)思考進(jìn)行較系統(tǒng)的探析。

1 剛?cè)嵯酀?jì)的形變，塑多樣性的物質(zhì)觀

由教學(xué)內(nèi)容分析，物體的形變可從兩個角度來分類。一是從形變的能否恢復(fù)來分，可以恢復(fù)原狀的稱為彈性形變，不能恢復(fù)原狀的稱為非彈性形變。二是從形變的大小來分，形變大的稱為明顯形變，形變小的稱為微小形變。

為讓學(xué)生系統(tǒng)地了解形變的種類，特設(shè)計了如下的3 個教學(xué)情境。首先是展示彈性形變，演示彈性球的形變恢復(fù)過程。將一彈性特別好的小球摔在光滑的瓷磚上（球要軟，具有彈性，表面要干凈），通過觀察彈性球的形變及其恢復(fù)過程（如圖1 所示），讓學(xué)生感知彈性形變的特征。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟這類物體的特點是有“韌”性，即受力時形狀改變，外力撤去后又恢復(fù)到原狀。物體總是能“記住”自己原來的樣子，即“不忘初心”是彈性形變的特征。其次是展示非彈性形變，利用視頻播放陶坯的制作過程。陶泥在制成陶坯的過程中，要經(jīng)歷打坯塑形環(huán)節(jié)。通過觀察制坯塑形，讓學(xué)生認(rèn)識陶泥類物體具有“可塑性”。物體的形狀可根據(jù)外界的施力而改變，即“順勢而為”是非彈性形變的特征。最后是展示物體的微小形變，演示教材設(shè)計的實驗，利用轉(zhuǎn)換與放大的科學(xué)方法來觀察桌面在受力時發(fā)生的微小形變[4]。通過觀察該演示實驗，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會看似堅硬的物體在受力時也會發(fā)生形變。堅固的物體，看似冰冷堅硬，實則“剛中有柔”，這正是微小形變的特征。

圖1 彈性球的形變恢復(fù)過程

上述3 個教學(xué)情境設(shè)計蘊含著豐富的哲學(xué)內(nèi)涵。柔軟的彈性物體看似軟弱，但外力撤去后能恢復(fù)原狀，“不忘初心”，柔中帶剛；“可塑”是非彈性形變的特點，根據(jù)外界施力的改變“順勢而為”；堅硬物體的微小形變是“剛中有柔”。由不同物質(zhì)組成的物體在受力時所展現(xiàn)出的性質(zhì)各異，是哲學(xué)中的多樣性的具體表現(xiàn)；物體受力改變形狀的共同特征，又是物質(zhì)多樣性的統(tǒng)一。這反映了哲學(xué)中的多樣性與統(tǒng)一性的辯證思想。因此，明顯與微小彈性形變具有“剛?cè)嵯酀?jì)”多樣性與統(tǒng)一性，可幫助學(xué)生建立起豐富的物質(zhì)觀念；彈性形變與非彈性形變的“彈性”與“可塑性”在不同的時候發(fā)揮著它們特有的作用，性質(zhì)多樣的物質(zhì)使我們的生活與身邊的世界豐富多彩。與此相對應(yīng)的具體教學(xué)內(nèi)容與哲學(xué)思考詳見表1。

表1 形變種類及其中的哲學(xué)思考

2 相互作用的彈力，塑對稱性的相互作用觀

從彈力與形變的關(guān)系分析，物體受到外力作用時會發(fā)生形變，形變的物體會對與其接觸的物體產(chǎn)生彈力作用。對某個彈力而言，是因某個形變而產(chǎn)生的；對某個形變而言，是因其受到力的作用而產(chǎn)生的。彈力與形變之間的關(guān)系，是互為因果的關(guān)系，并無先后之分。對剛學(xué)習(xí)相互作用的高一學(xué)生來說，這還是一個比較復(fù)雜的問題，要學(xué)生真正理解并掌握彈力的相互作用觀，教師應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)情境，設(shè)置有效的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生深入地去探究和剖析。

為幫助學(xué)生建立起相互作用的物理觀念，特創(chuàng)設(shè)一個真實的物理情境。將一只裝滿水的厚皮球放置在塑料直尺上，直尺與皮球都發(fā)生了明顯的形變，如圖2 所示。然后就利用該真實情境設(shè)置5 個問題閉環(huán)來引導(dǎo)、點撥學(xué)生作深層次思考。問題1：展示圖2a，直尺發(fā)生形變是因受到了什么力的作用？問題2：展示圖2b，形變的直尺要恢復(fù)原來的形狀，對限制它的皮球會不會產(chǎn)生彈力的作用？若是會，則此彈力的方向如何？問題3：直尺對皮球有一個彈力的作用，該彈力產(chǎn)生的作用效果是什么？問題4：展示圖2c，受到彈力作用的皮球發(fā)生形變，皮球要恢復(fù)原來的形狀，為此對限制它的直尺會不會產(chǎn)生彈力的作用？問題5：圖2c 所示的兩個彈力是否有先后順序關(guān)系？在教學(xué)過程中如此設(shè)置問題的思維邏輯關(guān)系為:皮球發(fā)生彈性形變產(chǎn)生一個彈力F1，在F1的作用下直尺發(fā)生形變，形變的直尺便產(chǎn)生彈力F2，在F2的作用下皮球發(fā)生形變，這4 個關(guān)系就構(gòu)成了一個閉環(huán)，反映了彈力的對稱性及形變與彈力互為因果的關(guān)系。

圖2 皮球與直尺系統(tǒng)的受力模型演示

上述4 個邏輯關(guān)系閉環(huán)設(shè)計蘊含著以下哲學(xué)思考。皮球的形變←→皮球?qū)χ背叩膹椓?，直尺的形變←→直尺對皮球的彈力，形變與彈力構(gòu)成互為因果的關(guān)系。因互為因果關(guān)系，故在兩物體的接觸面上，形變與彈力都是成對出現(xiàn)的，彈力相互對稱地分別作用在兩個物體上，相互作用的彈力是哲學(xué)中對稱性的具體體現(xiàn)。彈力與形變的先后順序關(guān)系，類似于“雞生蛋與蛋生雞”的哲學(xué)思辨。對某只雞來說肯定是某只蛋孵化出來的，但若將雞與蛋的概念放在自然演化的漫漫長河里，雞與蛋是同時進(jìn)化而來。彈力與形變這兩者并無先后之分，為互為因果關(guān)系。與其相呼應(yīng)的具體教學(xué)內(nèi)容與哲學(xué)思考詳見表2。

表2 彈力與形變之間關(guān)系與哲學(xué)思考

3 穩(wěn)定和諧的平衡，塑運動與相互作用觀

彈力的大小與物體的形變有關(guān)，但不易建立彈力的大小與物體的形變之間的定量關(guān)系，此時可通過物體的狀態(tài)來判斷彈力的大小及有無[6]。當(dāng)物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)時，若為二力平衡，則可以根據(jù)二力平衡的條件來計算彈力的大小。依據(jù)二力平衡規(guī)律求彈力的大小是培養(yǎng)運動與相互作用觀念的重要途徑。

通過探究下面3 個實例，讓學(xué)生強化根據(jù)二力平衡求彈力的方法，培養(yǎng)學(xué)生運動與相互作用的觀念。例題1：如圖3a 所示，木塊通過輕繩靜止懸掛于天花板上，木塊的重力大小為10 N，求輕繩對木塊的拉力F1的大小。例題2：如圖3b 所示，質(zhì)量為2.5 kg 的A物體放置在水平桌面上保持靜止，求桌面對A物體的支持力F1的大小。例題3：如圖3c 所示，容器底面水平、側(cè)面豎直，A、B兩只鋼球的質(zhì)量均為0.1 kg，分別靜止于容器底部的左右兩側(cè)，求容器底部和左側(cè)面分別對A鋼球的作用力大小，并畫出A鋼球所受力的圖示。

圖3 根據(jù)二力平衡求彈力的實物情境模型

根據(jù)二力平衡求彈力是重要的運動與相互作用的物理觀念，其蘊含著自然和諧的哲學(xué)思想。根據(jù)物體所處的狀態(tài)，結(jié)合對其受力情況進(jìn)行分析，這是探究和解決物理問題的重要方法，運動與相互作用的觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素。平衡是物質(zhì)運動的基本形態(tài)之一，反映了運動的一般規(guī)律，根據(jù)二力平衡求彈力，是此觀念下的一種重要方法。平衡是物理中常見的一種穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)二力平衡求解彈力大小與判定其方向的方法是哲學(xué)中平衡思想在力學(xué)中的具體體現(xiàn)。與之相適應(yīng)的具體教學(xué)內(nèi)容、核心素養(yǎng)與哲學(xué)思考詳見表3。

表3 根據(jù)二力平衡求彈力的核心素養(yǎng)與哲學(xué)思考

4 大道至簡的定律，塑模型建構(gòu)能力

一般來說，施于物體的作用力越大，其形變量就越大，彈簧也是如此。利用這種正相關(guān)性，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗來探究彈簧的彈力大小與其伸長量或壓縮量間的定量關(guān)系，建構(gòu)胡克定律的物理模型。

為培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的科學(xué)思維能力，通過設(shè)計實驗探究彈簧的彈力大小與其形變量間的定量關(guān)系，讓學(xué)生親身經(jīng)歷實驗方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理，利用表格、圖像等方法分析數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗規(guī)律，形成清晰的物理模型[7]。先是讓學(xué)生感知彈簧的形變越大彈力就越大，分別測量彈簧的彈力大小及其對應(yīng)的彈簧長度，力圖通過分析這兩組實驗數(shù)據(jù)來直接創(chuàng)建彈簧的彈力大小與彈簧長度間明晰的定量關(guān)系，但這是“由簡到繁”的數(shù)據(jù)分析法，問題的處理和解決相對復(fù)雜，在通常情況下學(xué)生是難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的；接著再讓學(xué)生嘗試由圖像分析法得出較簡單的線性關(guān)系進(jìn)而轉(zhuǎn)換成正比的簡潔明晰關(guān)系，這是“由繁入簡”的數(shù)據(jù)分析法；最終結(jié)合彈簧拉伸或壓縮對應(yīng)方向的伸長量或壓縮量（稱為形變量x）形成胡克定律的至簡關(guān)系：F=kx（適用范圍：在彈性限度內(nèi)）。

利用胡克定律模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)蘊含著大道至簡的自然哲學(xué)觀。人們都相信宇宙萬物所遵循的規(guī)律是簡潔的，越是基本規(guī)律越簡潔。胡克定律的簡潔性是大道至簡哲學(xué)思想的具體體現(xiàn)。透過紛繁復(fù)雜的自然現(xiàn)象，其本質(zhì)規(guī)律往往是非常簡潔的，越是高度統(tǒng)一的規(guī)律越為簡潔，這就是大道至簡觀念在自然科學(xué)中的真實寫照。圍繞胡克定律的具體教學(xué)內(nèi)容、核心素養(yǎng)與哲學(xué)思考詳見表4。

表4 胡克定律模型建構(gòu)的核心素養(yǎng)與哲學(xué)思考

綜上所述，高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)的很多關(guān)鍵要素實質(zhì)上是哲學(xué)觀念的具體體現(xiàn)，因此，從哲學(xué)高度審視彈力的教學(xué)內(nèi)容，有利于精準(zhǔn)設(shè)計并有效落實更具深度培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)策略。教師借“剛?cè)嵯酀?jì)”的形變多樣性之美，培養(yǎng)學(xué)生多樣性的物質(zhì)觀念，是多樣性與統(tǒng)一性辯證思想在核心素養(yǎng)中的具體體現(xiàn)；借彈力與形變的互為因果對稱之美，培養(yǎng)學(xué)生的相互作用觀念，是相互依存的矛盾辯證觀與“宇稱守恒”思想在核心素養(yǎng)中的具體體現(xiàn)；借二力平衡求彈力的穩(wěn)定和諧之美，培養(yǎng)學(xué)生的運動與相互作用觀念，是協(xié)調(diào)、適應(yīng)、平衡的自然和諧觀在核心素養(yǎng)中的具體體現(xiàn)；借胡克定律的大道至簡之美，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)素養(yǎng)，是由表及里、由現(xiàn)象到本質(zhì)的至簡哲學(xué)思想在核心素養(yǎng)中的具體體現(xiàn)。

致謝：本文在完成過程中得到了麗水市“綠谷名教師”培養(yǎng)工程理論導(dǎo)師任清褒教授的精心指導(dǎo)，特此致謝！