蘇豪 韓禮剛 潘留占

摘要：以探究合力與分力的關(guān)系為例，構(gòu)建SNP教學(xué)模式下的物理課堂。通過創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生感受通過建模和論證解決物理問題的過程，鼓勵學(xué)生進(jìn)行實驗，發(fā)展批判性思維。

關(guān)鍵詞：SNP教學(xué)模式；力的合成和分解；高中物理；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）4-0030-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維包括模型建構(gòu)和科學(xué)論證等方面［1］。《美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》也認(rèn)為科學(xué)實踐的要素包括建模和論證［2］。由此可見，科學(xué)建模和科學(xué)論證在科學(xué)教育中極為重要。為了在本土推進(jìn)SNP教學(xué)模式的研究，本文將“力的合成和分解”一節(jié)以SNP（Science Negotiation Pedagogy）教學(xué)模式進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計和實施，希望可以給物理教學(xué)和教育研究人員提供一些參考。

1? ? SNP教學(xué)模式簡介

SNP教學(xué)模式是由美國教育者Chen提出的融合建模和論證的教學(xué)模式［２］。其理論框架（圖１）以大概念即學(xué)科核心概念為指導(dǎo)［３-4］。學(xué)生基于大概念提出本節(jié)課要研究的驅(qū)動問題，在老師引導(dǎo)下小組合作構(gòu)建模型，并對模型展開書面和口頭論證。

2? ? SNP教學(xué)模式下“力的合成和分解”教學(xué)設(shè)計

2.1? ? 教學(xué)任務(wù)分析

“力的合成和分解”是人民教育出版社普通高中教科書物理必修第一冊中第三章第4節(jié)的內(nèi)容［5］。它在這一章起著承前啟后的作用，既是對本章前三節(jié)“重力與彈力”“摩擦力”和“牛頓第三定律”的進(jìn)一步拓展，又是第5節(jié)“共點力的平衡”的基礎(chǔ)，在高中物理必修課程的學(xué)習(xí)中占有較為重要的地位?！昂狭εc分力”是生活中常見現(xiàn)象之一，這一部分所對應(yīng)的大概念是“運動與相互作用”。

學(xué)生已經(jīng)掌握的前概念有重力、彈力、摩擦力、牛頓第三定律，具備了一定的實驗和推理能力，能應(yīng)用受力分析初步解決簡單問題，但并不明確如何在受力分析之后對力進(jìn)行合成和分解。

教學(xué)目標(biāo)：

（1）物理觀念：通過小組合作構(gòu)建模型的過程，讓學(xué)生初步理解“合力與分力”以及“力的合成和分解”的規(guī)律。

（2）科學(xué)思維：通過自主構(gòu)建“力的合成和分解”的實驗?zāi)Ｐ?，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)建模能力；通過小組口頭、書面論證并修改實驗?zāi)Ｐ?，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。

（3）科學(xué)探究：通過探究“力的合成和分解”的實驗規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、設(shè)計實驗方案的能力。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過小組合作探究“力的合成和分解”的實驗規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識；通過口頭論證模型，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力；通過學(xué)生自主構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ停ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

教學(xué)重點：探究“力的合成和分解”的實驗規(guī)律。

教學(xué)難點：運用等效替代法構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2.2? ? 整體設(shè)計思路

SNP教學(xué)模式的教學(xué)環(huán)節(jié)如圖２所示［4］。我們把“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”和物理學(xué)史上斯蒂文提出的“力的合成與分解原理”及牛頓推斷出的“力的合成和分解所遵循的定則”融入課堂。啟發(fā)學(xué)生使用實驗器材、建立實驗?zāi)Ｐ汀⒀芯框?qū)動問題、口頭論證主張、查閱斯蒂文和牛頓有關(guān) “力的合成和分解”的相關(guān)物理學(xué)史資料，最后總結(jié)本節(jié)知識。

2.3? ? 教學(xué)過程

2.3.1? ? 設(shè)立驅(qū)動問題，引領(lǐng)探究活動

在開展探究活動時，必須先找到一個具有啟發(fā)性的問題來引導(dǎo)本節(jié)課的學(xué)習(xí)。因此，在課上讓學(xué)生配合老師一起演示“兩個學(xué)生把一個書包提起來使書包保持靜止，老師一個人提起書包使書包保持靜止”［5］。教師通過向?qū)W生詢問“這個現(xiàn)象說明了什么問題”，引導(dǎo)學(xué)生思考，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，之后再介紹什么是合力與分力。最終，在教師和學(xué)生的互動中確定驅(qū)動問題為“合力與分力有什么關(guān)系”。

設(shè)計意圖：在演示實驗中引入本節(jié)課的核心問題——“合力與分力有什么關(guān)系”，讓學(xué)生親自感受、觀察合力與分力的效果，并據(jù)此提出驅(qū)動問題，為后續(xù)定量分析作鋪墊。

2.3.2? ? 小組構(gòu)建模型，研究驅(qū)動問題

如表１所示，教師為每個小組分發(fā)由導(dǎo)學(xué)案和對應(yīng)實驗器材組成的材料包。通過導(dǎo)學(xué)案內(nèi)容對學(xué)生加以引導(dǎo)，建立對本節(jié)課的宏觀認(rèn)識，并協(xié)助他們進(jìn)行微觀建模。

學(xué)生所建模型可能不符合預(yù)期，這時教師需要通過問題啟發(fā)學(xué)生，促使其改良模型。例如，教師提問“我發(fā)現(xiàn)所有模型都用了釘子固定橡皮條，再通過橡皮條將小圓環(huán)和彈簧測力計連接起來，小圓環(huán)每次被拉的位置相同，這樣做的目的是什么呢？”在學(xué)生回答“是為了利用小圓環(huán)位置表示橡皮條長度相同”之后，教師繼續(xù)追問“橡皮條長度相同又說明什么問題”。

設(shè)計意圖：用導(dǎo)學(xué)案引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識大概念“運動與相互作用”，緊接上一環(huán)節(jié)的驅(qū)動問題“合力與分力有什么關(guān)系”，學(xué)生組成小組根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)和實驗材料建立模型，并通過實驗?zāi)Ｐ吞骄框?qū)動問題。當(dāng)學(xué)生探究遇到困難時，教師通過一連串相關(guān)問題啟發(fā)學(xué)生思考并幫助其完善實驗。通過該實驗?zāi)苠憻拰W(xué)生的建模能力，并提高他們的探究能力。

2.3.3? ? 小組完成書面論證

教師可通過表２引導(dǎo)學(xué)生初步構(gòu)建自己的書面論證。

在學(xué)生書寫論證的同時，教師采用提問的方式來確定學(xué)生的進(jìn)度。比如，“你們?nèi)绾胃鶕?jù)模型判斷出實驗中合力與分力的大小和方向有何關(guān)系？你們能說出其中的關(guān)系嗎？”教師可以啟發(fā)學(xué)生用力的圖示法分別描述合力與分力的大小和方向，并尋找兩者的關(guān)系，強調(diào)“等效替代”的思維方式，使學(xué)生能從實驗現(xiàn)象中給出定量的假設(shè)?？傊?，在這一階段，教師要使學(xué)生的模型、證據(jù)與主張保持一致，為下一環(huán)節(jié)的口頭論證作鋪墊。

設(shè)計意圖：學(xué)生根據(jù)“書面論證寫作指南”對本節(jié)課的驅(qū)動問題“合力與分力有什么關(guān)系”進(jìn)行書面論證，梳理實驗思路。當(dāng)學(xué)生進(jìn)度出現(xiàn)問題時，教師引導(dǎo)學(xué)生完成書面論證。通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力和語言表達(dá)能力。

2.3.4? ? 口頭論證交互模型

論證是科學(xué)研究中的必備環(huán)節(jié)。表3是SNP模式下“力的合成和分解”一課的論證水平評價標(biāo)準(zhǔn)。

教師引導(dǎo)下各小組分享各自的模型并相互論證。根據(jù)課本和資料包可推測學(xué)生建立的模型會發(fā)生以下變化：由最初探究兩個同向或反向力的合成變?yōu)樘骄炕コ梢欢ń嵌鹊膬蓚€力的合成。學(xué)生通過改變分力的大小或增大兩個分力的夾角，觀察合力的大小，以此說明在夾角不變的情況下兩個分力越大合力就越大；在分力大小不變的情況下夾角越大合力就越小。根據(jù)階段３中教師將分力和合力進(jìn)行等效替代的提示可以猜測出分力和合力滿足平行四邊形定則。然而，學(xué)生不能理解為什么力的分解會遵循平行四邊形定則，并且不清楚歷史上力的合成和分解究竟是怎樣產(chǎn)生的，接下來就用“咨詢專家”的方法繼續(xù)深入學(xué)習(xí)“力的合成和分解”。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過小組間的激烈討論，對其他小組的模型進(jìn)行批判，并對自己小組的模型進(jìn)行改善，深化了對大概念“運動和相互作用”以及驅(qū)動問題“合力與分力有什么關(guān)系”的理解。通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以做到懷疑和批判，并學(xué)會虛心接納他人意見，最終形成批判性思維。

2.3.5? ? 咨詢“專家”

學(xué)習(xí)斯蒂文提出的“力的合成和分解原理”和牛頓推斷出的“力的合成和分解所遵循的定則”有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究精神，也有利于開展高中物理課的課程思政。在學(xué)習(xí)完平行四邊形定則后，學(xué)生問到“為什么力的合成遵循平行四邊形定則和三角形定則而不是其他多邊形定則”。教師首先介紹由斯蒂文最早提出的力的合成和分解原理是三角形定則［7］，為下節(jié)課共點力平衡的講解作鋪墊（圖3）。然后展示由牛頓推斷出的“力的合成和分解所遵循的定則”——平行四邊形定則（圖4）［7］。學(xué)生比較自己的實驗?zāi)Ｐ团c斯蒂文斜面上物體和鏈條平衡模型（圖5），閱讀斯蒂文在《靜力學(xué)基礎(chǔ)》中提到的斜面上物體和鏈條平衡問題及牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提到的物體運動推論等相關(guān)內(nèi)容，類比力的合成和分解問題中“探究二力合成規(guī)律實驗”模型，指出“斜面球鏈平衡”模型在研究力的合成和分解時的重要價值。此外，教師還需補充牛頓在平行四邊形定則還未得到明確證明的情況下就推斷出了“運動與力的分解和合成所遵循的定則”這一事實，以此來培養(yǎng)學(xué)生敢于突破自我，提出獨到見解的精神。

設(shè)計意圖：咨詢“專家”環(huán)節(jié)加入斯蒂文和牛頓對平行四邊形定則發(fā)現(xiàn)的貢獻(xiàn)，讓學(xué)生認(rèn)識到人們發(fā)現(xiàn)平行四邊形定則的曲折性，說明物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過了嚴(yán)密的推導(dǎo)和論證。通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以認(rèn)識到物理學(xué)的發(fā)展是許多科學(xué)家共同努力的結(jié)果，應(yīng)該學(xué)習(xí)科學(xué)家們敢于突破、勇于創(chuàng)新的精神。

2.3.6? ? 反思寫作，總結(jié)經(jīng)驗，提高認(rèn)識

在學(xué)習(xí)完“力的合成和分解”后讓學(xué)生進(jìn)行寫作，不僅可以使學(xué)生從整體上對這一節(jié)課有一個系統(tǒng)認(rèn)識，而且可以讓學(xué)生反思在模型建構(gòu)和科學(xué)論證的過程中，他們是怎樣一步步探索“力的合成和分解”的規(guī)律，以及理解“平行四邊形定則”的。這一過程是學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容整合的關(guān)鍵一步，與之前小組構(gòu)建并修改模型和論證的過程不同，寫作這一過程反映了學(xué)生將個人所學(xué)到的內(nèi)容和物理思想方法，通過寫作來反思和總結(jié)。表４為寫作水平評價標(biāo)準(zhǔn)，用于教師判斷和發(fā)展學(xué)生在物理課上的反思寫作水平。

設(shè)計意圖：學(xué)生依靠反思性評價標(biāo)準(zhǔn)自主進(jìn)行反思性寫作，有利于加強學(xué)生對“合力與分力”的理解，反思自己在探究“合力與分力的關(guān)系”過程中的不足之處，并鍛煉書面表達(dá)能力。

3? ? 小結(jié)與啟示

基于SNP教學(xué)模式對高中物理“力的合成和分解”一節(jié)進(jìn)行設(shè)計，學(xué)生以小組合作探究的形式去尋找驅(qū)動問題“分力和合力有什么關(guān)系”，建立二力合成規(guī)律的實驗?zāi)Ｐ?，書面、口頭論證模型，咨詢“專家”以驗證和修改模型，并通過反思性寫作來梳理本節(jié)課所學(xué)知識。但實施過程并不順利，學(xué)生對建模不是很熟練以至于耗費大量時間，在小組口頭論證環(huán)節(jié)需要教師的鼓勵和引導(dǎo)。通過本節(jié)課小組合作探究“合力與分力的關(guān)系”，促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

通過本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計和實施可以得到以下啟示：（1）SNP教學(xué)模式可以讓學(xué)生經(jīng)歷較為完整的“合力與分力”概念形成過程，幫助學(xué)生形成更加清晰的物理觀念；（2）SNP教學(xué)模式可以提升學(xué)生的科學(xué)建模和科學(xué)論證能力，對力的合成與分解規(guī)律的探究可以提升學(xué)生的科學(xué)思維能力；（3）SNP教學(xué)模式可以讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的各個過程，引導(dǎo)學(xué)生對驅(qū)動問題“合力與分力有什么關(guān)系”進(jìn)行完整的探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；（4）SNP教學(xué)模式融入物理學(xué)史，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）