支架式教學模式下的“力的合成”教學案例分析

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

1 支架式教學簡介

支架式教學是基于建構主義教學理論的一種教學模式，源于維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論。根據(jù)歐共體“遠距離教育與訓練項目”的有關文件，支架式教學被界定為：“支架式教學應當為學習者建構對知識的理解提供一種概念框架。這種框架中的概念是為發(fā)展學習者對問題的進一步理解所需要的，為此，事先要把復雜的學習任務加以分解，以便于把學習者的理解逐步引向深入?！?/p>

支架式教學提倡學生在學習過程中自主建構意義，教師是意義建構的幫助者，要以學生為主體，為學生搭好“支架”(包括范例、問題、建議、工具、圖表等類型的支架)，利用情境、協(xié)作、對話、意義建構等方式在學生“最近發(fā)展區(qū)”內開展教學，充分發(fā)揮學生學習的主動性、積極性和創(chuàng)新性。學生在支架的幫助下逐步將習得的知識與能力延伸至新的領域，從而不再依賴支架解決問題，有效地實現(xiàn)對所學知識的掌握。

本文以人教版必修1第3章第4節(jié)“力的合成”為例，研究支架式教學模式下的高中物理教學設計。

2 “力的合成”教學案例分析

2.1 教材分析

矢量的概念和運算定則是物理和數(shù)學學習中的重要知識。本節(jié)的重點是通過實驗得出力的合成的運算定則，這是一個非常重要的探究過程。在這個實驗中，學生對矢量的運算有了認識上的飛躍，也為后面學習位移矢量及其他矢量的平行四邊形定則作了知識準備。

教學中教師需要理解教材關于矢量知識安排的用意，把握教材的知識脈絡與設計思想，層層深入、循序漸進，加強前后知識聯(lián)系與呼應，逐步提升學生對矢量概念的理解，提高學生運用相關數(shù)學知識解決物理問題的能力。

2.2 教學設計思路

本節(jié)課應用支架式教學模式進行設計，設計的總體思路如圖1所示。各個環(huán)節(jié)貫穿支架的搭建，以問題探究為主線，活躍學生思維；以實驗分析為基礎，引導學生發(fā)現(xiàn)規(guī)律；以素養(yǎng)提升為目標，培養(yǎng)學生的綜合能力。采用翻轉課堂的教學方法，課前為學生提供學習微視頻，提前創(chuàng)設情境、明確問題、布置設計實驗的任務；課堂中加強現(xiàn)象的演示，通過觀察現(xiàn)象，引導學生應用已有的知識，分析現(xiàn)象、積極思考、聯(lián)系生活，優(yōu)化知識結構。

2.3 主要教學過程

2.3.1 課前通過微視頻設置情境支架：提出問題，布置實驗設計任務

在課的整體結構謀劃上，本節(jié)課采用了“翻轉課堂”的結構模式。課前，筆者為學生制作了教學微視頻，讓學生課前初步掌握共點力、合力、分力、力的合成等基本概念。

在教學微視頻中，結合生活中的實例介紹了相關概念后，教師提出問題：合力與分力之間存在著什么樣的關系？遵循什么樣的規(guī)律？通過實驗探究互成角度兩個分力與合力的關系，實驗中取重錘作為研究對象，用力傳感器作為測力儀器。實驗中測得斜繩的拉力F1為7.22N、水平繩拉力F2為5.82N。再將重錘豎直懸掛，記錄G讀數(shù)為4.90N。從實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，互成角度的兩個共點力的合力不是兩個力的代數(shù)和。

圖1

教師在微視頻中搭建了情境支架，引導學生對合力與分力的關系進行猜想和假設，并應用所學知識設計實驗方案。在布置實驗設計任務時，對學生作了以下提示：

(1) 力可以產生哪些效果？本實驗中你準備應用哪種效果？

(2) 如何確定合力與分力的大小和方向？如果使用橡皮繩，可以根據(jù)它的伸長記錄力的大小，如設1mm為一個“力的單位”，根據(jù)長度確定力的大?。蝗绻枰勉^碼、彈簧秤等實驗器材，可以到物理實驗室去借用；實驗中記錄力的方向，要盡可能準確。

(3) 測量后的數(shù)據(jù)如何處理？建議同學們用力的圖示，根據(jù)記錄的力的大小和方向，在同一張圖上畫出分力與合力，并尋找它們的幾何關系。

教師要求學生可以在草稿紙上畫出實驗方案原理圖，將設計的基本方案或實驗的圖片傳送到老師的電子信箱。

2.3.2 課堂引入設計問題支架：設置懸念，激發(fā)學生探求欲望

課堂引入環(huán)節(jié)，教師首先提出了一個發(fā)人深省的問題：“1+1”當然等于2，如兩分力均為1N，合力是否一定是2N？為什么？

由于學生課前通過微視頻進行了學習，借助以上設問，將學生的思維興奮點自然引入了關于“合力”與“分力”之間大小關系的思索當中。有學生回答：1kg水+1kg水=2kg水，但兩分力均為1N時，其合力并不一定是2N，因為力是矢量，不僅有大小、還有方向，所以力的合成不能簡單地用代數(shù)加減來計算。

教師對這樣的回答予以鼓勵：我們暫且認可這位同學的回答，讓我們帶著問題一起走進關于力的合成所遵從的定則的探究之中，待得到了力的合成的相關規(guī)律后，我們再來做最終的判斷。

2.3.3 在實驗環(huán)節(jié)搭建范例支架：交流方案、師生合作進行演示實驗

在翻轉課堂微視頻學習環(huán)節(jié)，教師給學生布置了任務，要求設計實驗方案。課堂上，教師讓學生進行交流。在學生的方案設計中，主要應用了兩種力的等效效果：一是平衡(懸掛重物)，二是形變(橡皮繩)。在測量力的大小方面主要提出了三種方法：利用橡皮繩的形變、用彈簧秤、用鉤碼。

圖2

教師肯定了學生的設計，并指出設計實驗最主要的目的是讓大家思考實驗方法。為更清楚地演示二力合成的實驗，教師自制了“共點力的合成”示教板(如圖2)，上面提供了用于測量的角度，可以讓力的方向的記錄非常方便?？潭缺P的上端固定了一個橡皮繩作為研究對象，力的大小用力傳感器進行測量。實驗時先用一個力將橡皮繩拉伸，末端拉到圓心處；再用兩個互成角度的力將橡皮繩拉伸，同樣將末端拉到圓心處，認識到第一次的力與第二次的兩個力是合力與分力的等效關系。

實驗操作時,要求學生在表1中記錄數(shù)據(jù)，分小組在圖3中做出力的圖示。如何分析2個分力和1個合力的線段在幾何上所滿足的關系？提醒學生在研究線段間關系的時候，常用畫輔助線的方法，所以處理實驗數(shù)據(jù)時可以連接表示分力和合力的有向線段的箭頭，觀察連接而成的圖形。

表1

圖3

學生交流各組的作圖結果，教師指出：僅做一組像平行四邊形可能是偶然，但多組的結論都相同就說明結論不是偶然的了，實驗表明兩個互成角度的力的合成，是滿足平行四邊形定則的。

2.3.4 總結環(huán)節(jié)搭建模型支架：加深學生對矢量合成法則的理解

在得到二力合成的平行四邊形定則之后，教師注重搭建模型支架，進一步加深學生對矢量合成法則的理解。

圖4

(1) 從“二力合成”到“多力合成”模型的建立。盡管教學的運作內容和學習的主體知識僅限于“二力合成”，但由于課題是“力的合成”而并非是“二力合成”，所以教師在教學內容的漸次展開時，將“二力合成”自覺納入“多力合成”之中而形成對“力的合成”課題的精準和精細化的理解，呈現(xiàn)了如圖4所示的知識線索。首先對課題“力的合成”作包括“二力合成”在內的“多力合成”的精準理解，接著選擇“二力合成”作為研究“力的合成”之切入點或突破口，最后采用“依次累加”的方式徹底解決“力的合成”問題。

(2) 從“力的合成”到“矢量合成”模型的建立。學生對矢量概念的掌握是一個循序漸進的過程，從教材整體安排來說主要有以下階段的研究：通過位移的學習知道矢量是“有方向”的物理量；通過研究力的合成得到平行四邊形定則；在“力的分解”一節(jié)說明求合位移也遵從平行四邊形定則，并給出了矢量與標量的嚴格定義；將運動的合成與分解作為矢量運算的一次重要應用；將向心加速度方向與大小的推導作為矢量運算的又一次重要應用。

3 教學反思

3.1 運用支架式教學模式，促進教學理念的更新

支架式教學強調學生的知識不是由教師直接呈現(xiàn)出來，而是要求學生自己主動地去搜集、整理資料，分析相關的信息，進行自主建構。本節(jié)課通過層層支架的搭建，教師的教學從關注“知識傳授”轉變?yōu)殛P注學生“知識內化”，啟發(fā)引導、實驗探究、合作交流，培養(yǎng)學生的實踐能力與協(xié)作意識，這與課程目標中的“注重體現(xiàn)物理學科本質，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)”的理念是一致的。

3.2 運用支架式教學模式，促進課堂教學結構的優(yōu)化

課堂教學是一個有多層次結構的系統(tǒng)，包括教材的知識結構、學生的認知結構和課堂的教學結構，其中課堂的教學結構是促進教材知識結構向學生的認知結構轉化的中介和動力。支架式教學通常包括以下基本環(huán)節(jié)：搭建支架、進入情境、獨立探索、協(xié)作學習、效果評價。本節(jié)課通過課前學習微視頻，讓學生理解基本概念，設計實驗方案；以學生所要學習的知識內容為主要發(fā)展區(qū)，以相關情境和問題為基本點搭建教學支架，為學生的獨立探索研究和協(xié)作學習討論奠定基礎；在二力合成實驗中，教師注重引導，對不同小組的研究成果進行分析，得到合理結論。支架式教學模式下的課堂教學結構有助于學生認知結構的優(yōu)化，達到了促進學生主體性發(fā)展的目的。

3.3 運用支架式教學模式，促進學生思維品質提升

支架式教學要求圍繞所學知識建立一個個支架，而支架搭建的關鍵是促進學生“現(xiàn)有水平”向“潛在發(fā)展水平”轉化。在本節(jié)課中教師努力做到在前置設問中暗留玄機、在相關問題的回答中存疑，各種支架以問題為主線前后照應而水到渠成。這種支架式教學模式能夠讓學生體驗科學研究過程，加深對物理思維方法的理解，在親身經(jīng)歷探究的過程中體會科學研究方法，這對激發(fā)學生的學習熱情、優(yōu)化學生的思維品質起到了積極的作用。