基于“隨手取材”物理實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——評(píng)“力的作用是相互的”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 教材分析

蘇科版初中物理教材把“力的作用是相互的”放在第八章的第四節(jié)，而不是第一節(jié)，主要考慮了初中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，力求體現(xiàn)“學(xué)科、認(rèn)知建構(gòu)與心理發(fā)展的統(tǒng)一”的理念.力的概念看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上是相當(dāng)抽象的.學(xué)生在對(duì)力的認(rèn)識(shí)上的非科學(xué)的前概念較為普遍，也很頑固.教材采取了從具體到抽象、分散難點(diǎn)的策略.第一節(jié)首先從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，讓學(xué)生初識(shí)力的概念，再討論彈力(奠定了對(duì)力的大小和測(cè)量的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ))；第二、三節(jié)分別討論重力(介紹了力的三要素和圖示法)和摩擦力.這三節(jié)中的彈力、重力、摩擦力主要是從受力對(duì)象發(fā)生的效果來(lái)討論的.第四節(jié)再討論施力體與受力體間作用的關(guān)系問(wèn)題.

學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，如施力者把受力者打倒，釘錘把釘子釘進(jìn)板內(nèi)等，潛意識(shí)地認(rèn)為只有受力者才受力，而施力者是不會(huì)受力的，或者受到較小的力，有的力是相互的、有的力不是相互的.對(duì)于這種非科學(xué)的前概念，最好的策略是讓其暴露出來(lái)，用實(shí)驗(yàn)來(lái)使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突.另外，讓學(xué)生經(jīng)歷建構(gòu)的過(guò)程，會(huì)使他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找足夠的證據(jù)，有更深入的思考，從而提高創(chuàng)新意識(shí)、得到科學(xué)方法的訓(xùn)練.

這節(jié)教材的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是相互作用原理在生活、生產(chǎn)、科研中有廣泛的應(yīng)用，是進(jìn)行STS和創(chuàng)新教育的重要資源.

2 對(duì)申潔老師課堂教學(xué)的評(píng)價(jià)

申潔老師上的這節(jié)課，使學(xué)生感到愉悅、興奮、驚訝，印象深刻.這節(jié)課的重要特點(diǎn)是“做中學(xué)”，13個(gè)小型實(shí)驗(yàn)貫穿其中，且多是隨手取材的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)(如表1).

隨手取材的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)有這樣的特點(diǎn)：(1)材料易得，實(shí)施便利；(2)貼近生活，親切感強(qiáng)；(3)程式多變，新奇有趣；(4)物具它用，體現(xiàn)自創(chuàng)；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體驗(yàn)性強(qiáng).

正因?yàn)殡S手取材的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)資源具有以上的特點(diǎn)，所以，我們倡導(dǎo)利用這類資源進(jìn)行教學(xué)，從一定意義上講，這類資源具有不可替代的作用.由于“力的作用是相互的”這節(jié)課，內(nèi)容不復(fù)雜，總體是定性的，不需要涉及全程性探究要素的探究活動(dòng)，而在這種類型的課堂中，運(yùn)用一些小型的隨手取材的實(shí)驗(yàn)，有利于激發(fā)認(rèn)知沖突，構(gòu)建科學(xué)概念.實(shí)際效果證明，申潔老師的這種選擇是正確的.從現(xiàn)實(shí)和學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，讓學(xué)生喜愛(ài)物理學(xué)，進(jìn)而熱愛(ài)科學(xué)，這是完全必要的.

表1

申潔老師在選擇和設(shè)計(jì)這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過(guò)了精心的思考，例如：

(1)根據(jù)不同的主題和教學(xué)目的，選擇不同的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)方式.如在第一主題中，要激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤的前概念，她選擇了“手壓筆尖”、“甲推乙”、“磁鐵吸鐵塊”的實(shí)驗(yàn).為了使學(xué)生認(rèn)識(shí)力的作用是相互的是自然界普遍存在的規(guī)律，她選擇的實(shí)驗(yàn)覆蓋彈力、摩擦力、磁力、靜電力等，從而使歸納法的應(yīng)用更合理.在第二主題中，她把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生自己選擇器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并解釋觀察到的現(xiàn)象，概括力的相互作用的特點(diǎn).在第三主題中，選擇的實(shí)驗(yàn)圍繞著力的作用相互性的實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生感受“力的作用是相互的”在實(shí)際中的應(yīng)用，參與動(dòng)手制作過(guò)程，體會(huì)技術(shù)創(chuàng)新的魅力.

(2)精心設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的觀察和思考.如磁鐵對(duì)鐵塊的作用，先按住磁鐵不動(dòng)，吸引鐵塊運(yùn)動(dòng)；再按住鐵塊不動(dòng)，吸引磁鐵運(yùn)動(dòng)；讓磁鐵和鐵塊同時(shí)釋放，一起運(yùn)動(dòng).她所做的“長(zhǎng)氣球的反沖”實(shí)驗(yàn)，效果非常好，為了讓學(xué)生感受看不見的空氣的運(yùn)動(dòng)，她用紙屑來(lái)顯示.再如，讓四位同學(xué)上臺(tái)做推滑車的實(shí)驗(yàn)，其中兩位同學(xué)做好保護(hù)工作.

(3)讓學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦和動(dòng)口，這是“做中學(xué)”的關(guān)鍵.13個(gè)實(shí)驗(yàn)中有8個(gè)是讓學(xué)生自主或參與的，讓學(xué)生站在滑車上推前面的學(xué)生，讓學(xué)生控制飛機(jī)模型等，學(xué)生的積極性很高.學(xué)生的活動(dòng)還延伸到課外，她鼓勵(lì)學(xué)生制作動(dòng)力小車或動(dòng)力小船，有利于發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性特長(zhǎng).

這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、實(shí)踐的意識(shí)和習(xí)慣，以及手腦并用解決問(wèn)題的能力是有益的.此外，這節(jié)課在應(yīng)用多媒體創(chuàng)設(shè)情景方面也是值得推崇的，如展示了拳擊、足球賽、劃船、游泳、火箭等的視頻、圖像.

申潔老師的這節(jié)課有不少值得學(xué)習(xí)的閃光點(diǎn)，但對(duì)這些隨手取材的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的組織，整體和深層次的思考顯得不足，我想提下面的建議，以起到錦上添花的作用.

3 教學(xué)設(shè)計(jì)建議

從表面上看，這節(jié)課的主題是很簡(jiǎn)單的：一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力的作用，另一個(gè)物體是否對(duì)這個(gè)物體有力的作用？只要列舉許多實(shí)例，結(jié)論就可以得出.如果按這樣的想法設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，學(xué)生實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就只限于對(duì)知識(shí)的一般認(rèn)識(shí)，較深層次的目標(biāo)就難以達(dá)到.為了挖掘教學(xué)過(guò)程中深層次的教育功能，應(yīng)當(dāng)關(guān)注激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；讓學(xué)生自然流露錯(cuò)誤的前科學(xué)概念，不斷激發(fā)認(rèn)知沖突；積極參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、收集證據(jù)和反復(fù)論證的過(guò)程；主動(dòng)地開拓知識(shí)應(yīng)用的領(lǐng)域，領(lǐng)會(huì)其創(chuàng)造的思想.針對(duì)這節(jié)課的特點(diǎn)，老師選擇了系列“隨手取材”非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的參與度和積極性提高了，但選擇哪些實(shí)驗(yàn)、如何組織學(xué)習(xí)過(guò)程，仍然需要精心地考慮和設(shè)計(jì)，并且根據(jù)學(xué)生在課堂中的行為反映，有效實(shí)施和調(diào)整教學(xué)方案.

(1)創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生暴露原始想法

通常，老師們?cè)谝胝n題時(shí)，也會(huì)關(guān)注“創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境”，但指導(dǎo)思想上卻是“明確學(xué)習(xí)目標(biāo)”，而不是“激發(fā)認(rèn)知沖突”.例如，申潔老師用生動(dòng)的視頻展示拳擊運(yùn)動(dòng)員把對(duì)手擊倒的情境，提出了小明的觀點(diǎn)：“只有對(duì)手才受到力的作用”，引起學(xué)生短暫的疑惑，但很快就又展示了足球場(chǎng)上場(chǎng)景，提出了小華的觀點(diǎn).其結(jié)果是學(xué)生的觀點(diǎn)都倒向了小華.似乎這節(jié)課的結(jié)論已經(jīng)明確，余下的工作就是收集更多的證據(jù)，做一系列的隨手取材實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證已經(jīng)確認(rèn)的觀點(diǎn).

激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難.特別是在中國(guó)，因?yàn)槲覀兊膫鹘y(tǒng)教育比較注重知識(shí)，而缺少對(duì)知識(shí)的懷疑，鼓勵(lì)“超前學(xué)習(xí)”，所以很容易一邊倒.看似學(xué)生早已掌握知識(shí)，但實(shí)際上未經(jīng)自主建構(gòu)，知識(shí)的理解也只是字面上的.要真正激起認(rèn)知沖突，關(guān)鍵要讓學(xué)生的原始想法暴露出來(lái).首先教師的意識(shí)中要更關(guān)注學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，不要急于展示正確的觀點(diǎn)(足球的視頻場(chǎng)景和小華的觀點(diǎn))，在詢問(wèn)學(xué)生是否贊成小明觀點(diǎn)時(shí)，要給那些持錯(cuò)誤想法的學(xué)生以說(shuō)話的機(jī)會(huì)，并鼓勵(lì)他們.還可以請(qǐng)學(xué)生舉出更多支持小明觀點(diǎn)的實(shí)例，例如，用鐵錘打釘子，釘子被打進(jìn)木板中去了，當(dāng)然是釘子受到了力的作用，我們并不知道錘子也受到力的作用.教師創(chuàng)設(shè)的教學(xué)氛圍，不只是讓學(xué)生說(shuō)出一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷，還應(yīng)當(dāng)讓他們說(shuō)出原始想法，為什么你認(rèn)為被打的物體沒(méi)有對(duì)打擊者施力？在這種充分暴露的基礎(chǔ)上，再讓不同意見者闡述自己的觀點(diǎn).教師同樣不要肯定哪一觀點(diǎn)是正確的，讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行探究.

(2)根據(jù)學(xué)生原始的想法，與學(xué)生一起選擇和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，逐漸深化探究過(guò)程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)認(rèn)知的建構(gòu).

認(rèn)識(shí)“力的作用是相互的”的過(guò)程，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)歸納的過(guò)程，但在教學(xué)中，教師不應(yīng)當(dāng)把它設(shè)計(jì)成一個(gè)由大量事實(shí)堆砌的簡(jiǎn)單歸納過(guò)程，應(yīng)當(dāng)考慮學(xué)生心理建構(gòu)和科學(xué)方法應(yīng)用的特點(diǎn).

把學(xué)生原始的想法暴露出來(lái)，就可為進(jìn)一步探究奠定基礎(chǔ).首先可以梳理一下幾種不同的觀點(diǎn)：①施力者必然是受力者；②施力者不會(huì)成為受力者；③有的情況下，施力者會(huì)受到對(duì)方力的作用；有的情況下，施力者不會(huì)成為受力者.④主動(dòng)施力者不受到被動(dòng)受力者的作用.

為什么我們會(huì)認(rèn)為施力者不一定會(huì)成為受力者呢？因?yàn)槲覀儧](méi)有感覺(jué)到施力者受力的效果.我們能否針對(duì)這個(gè)原因來(lái)選擇和設(shè)計(jì)一些小實(shí)驗(yàn)，用證據(jù)來(lái)說(shuō)明問(wèn)題？

①當(dāng)我們用手壓氣球時(shí)，明顯地看到氣球形變；當(dāng)我們拉橡皮筋時(shí)，也明顯地看到橡皮筋伸長(zhǎng)了；當(dāng)物體掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，明顯地看到彈簧伸長(zhǎng)了.能否設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，把原本不明顯的現(xiàn)象顯示出來(lái)？

提供的器材有：氣球，橡皮筋，彈簧測(cè)力計(jì)等.

在學(xué)生討論設(shè)計(jì)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：用一個(gè)氣球擠壓另一個(gè)氣球；用一根橡皮筋拉另一根橡皮筋；用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉另一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì).

②我們上面收集了一些證據(jù)，支持施力者也是受力者的觀點(diǎn).但有沒(méi)有一些反例說(shuō)明這個(gè)觀點(diǎn)不一定正確？例如，拳擊手的例子，我們能否使證據(jù)更明顯和更充分？

提供的器材有：旱冰鞋2雙，氣球等.

討論后讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)同學(xué)穿著旱冰鞋，一個(gè)同學(xué)從另一個(gè)同學(xué)背后推他，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？試一試，說(shuō)明什么問(wèn)題？(為什么不推墻壁？為什么不讓學(xué)生面對(duì)面地推？)

有的學(xué)生提出模擬拳擊，用氣球打擊另一學(xué)生，結(jié)果氣球被打破了，說(shuō)明拳擊手也會(huì)受到對(duì)方的作用.

③力的作用是相互的，這是力學(xué)中普遍的規(guī)律，彈力、摩擦力、重力都遵循這個(gè)規(guī)律，靜電力和磁力是否也遵循這個(gè)規(guī)律呢？

圖1

觀察實(shí)驗(yàn)：如圖1，把一只球形燈泡放在玻璃杯口上，將一把塑料直尺放在玻璃泡的頂端，使其處于水平狀態(tài)，用另一把經(jīng)摩擦帶靜電的塑料直尺接近塑料直尺的一端，使它繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明帶電的塑料直尺對(duì)架在支點(diǎn)上的塑料直尺有靜電的吸引作用.

把帶電的塑料直尺放在玻璃泡上，用不帶電的塑料直尺接近帶電塑料直尺的一端，猜一猜，帶電的塑料直尺是否會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)？試一試，說(shuō)明什么問(wèn)題？

同學(xué)們熟知，磁鐵能吸引鐵，那么鐵是否能吸引磁鐵呢？能否用實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明磁鐵與鐵塊間的作用也是相互的？……

大量的實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體有力的作用時(shí)，另一個(gè)物體也同時(shí)對(duì)這個(gè)物體有力的作用，即力的作用是相互的.不管是主動(dòng)施力還是被動(dòng)受力，施力者一定會(huì)受到受力者對(duì)它的作用.

(3)聯(lián)系生活和科技的實(shí)例，讓學(xué)生感受力的相互作用原理的應(yīng)用，體驗(yàn)科學(xué)創(chuàng)造的魅力

生活中應(yīng)用的實(shí)例是很多的，教師在這部分教學(xué)中，不應(yīng)是簡(jiǎn)單羅列事實(shí)，應(yīng)當(dāng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行歸類，并恰當(dāng)?shù)卣f(shuō)明它的原理，從而使學(xué)生更好地了解所學(xué)的知識(shí).這部分內(nèi)容既是知識(shí)的拓展，又是對(duì)學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià).為了激發(fā)學(xué)生的興趣，直觀地了解應(yīng)用的原理，配合做一些小實(shí)驗(yàn)或演示是很好的.可以這樣引導(dǎo)：

①有一種兒童室外游戲的滑板車，人站在車上，用一只腳向后蹬地，小車就可以向前進(jìn)了.使小車前進(jìn)的力是怎樣產(chǎn)生的？施力的物體是什么？(或者用運(yùn)動(dòng)員起跑器助跑的實(shí)例，可播放視頻.)

②游泳和劃船，前進(jìn)的力是怎樣產(chǎn)生的？施力的物體是什么？(可播放視頻.)

③演示直升飛機(jī)模型，說(shuō)一說(shuō)，是什么力使它能懸在空中？這個(gè)力是怎樣產(chǎn)生的？看一看，直升飛機(jī)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，空氣是怎樣流動(dòng)的，是否支持你的解釋？

上述實(shí)例中，車、船、飛機(jī)分別用力作用于地面、水和空氣，根據(jù)相互作用的原理，地面、水和空氣就會(huì)對(duì)車、船、飛機(jī)施加作用，從而使它們前進(jìn)或懸于空中.

④當(dāng)人類要實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)時(shí)，遇到了一大難題，周圍沒(méi)有陸地、水和空氣，沒(méi)有可借助的物體，怎么才能獲得飛出去的力呢？

演示：長(zhǎng)氣球的反沖現(xiàn)象，觀察與解釋.

火箭：使人類探索太空的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn).(可播放視頻.)

小結(jié)：科學(xué)家通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)物理的規(guī)律和原理，發(fā)明家利用物理原理進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，在生活、生產(chǎn)、科研領(lǐng)域應(yīng)用，從而推動(dòng)人類文明的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步.

也可以借助教材中的閱讀材料“奇思妙想”，設(shè)置幻想的奇境，并穿插有趣的實(shí)驗(yàn)，與學(xué)生共同討論，從而使學(xué)生獲得創(chuàng)造的啟示.

最后布置作業(yè)或綜合實(shí)踐活動(dòng)：制作動(dòng)力小車、動(dòng)力小船等.

參考文獻(xiàn)：

1.張偉，郭玉英，劉炳昇.非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)：有待深入開發(fā)的重要物理課程資源.物理教師，2005，(9).

2.劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理八年級(jí)下冊(cè).南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2013.