促進(jìn)學(xué)生梯度性建立物理觀念的教學(xué)策略初探
——以牛頓第三定律教學(xué)為例

唐保東

(南京雨花臺(tái)中學(xué) 江蘇 南京 210012)

隨著研究和宣傳的不斷深入，廣大一線物理教師對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)理論已經(jīng)有較深的認(rèn)識(shí)，并且在一線教學(xué)中嘗試踐行這一理論，但是與“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”不同，“物理觀念”顯得有些曲高和寡，較難理解.深入思考物理觀念的概念及意義，發(fā)現(xiàn)它是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基石，可以真正提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)物理課程的價(jià)值.2017版課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)物理觀念的水平劃分為5個(gè)層級(jí)，教師在教學(xué)中如何設(shè)計(jì)教學(xué)策略從而循循善誘，層層遞進(jìn)，幫助學(xué)生梯度建立物理觀念呢？

本文以牛頓第三定律教學(xué)為例，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探究.

1 本節(jié)內(nèi)容涉及到哪些物理觀念

物理觀念的構(gòu)成包括自然觀、物質(zhì)觀、時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、能量觀和物理價(jià)值觀等，仔細(xì)研讀課本，牛頓第三定律涉及到3個(gè)方面，分別是力的作用是相互的即相互作用觀，沒(méi)有施力物體或受力物體就不存在力,即物質(zhì)觀以及能量守恒思想,即能量觀，其中相互作用觀是重點(diǎn).雖然在高中物理的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)中都會(huì)涉及到相互作用觀的培養(yǎng)，但是本節(jié)知識(shí)是最直觀、最明確提出力的作用是相互的，是幫助學(xué)生建立和明確相互作用觀的重要契機(jī)，以后的各種情境都是強(qiáng)化和應(yīng)用這一觀念.

2 如何設(shè)計(jì)教學(xué)策略 幫助學(xué)生梯度建立物理觀念

2.1 設(shè)置問(wèn)題 暴露學(xué)生的前觀念 了解學(xué)生物理觀念水平層次

在課間休息以及展示課題之前，在PPT上一直展示一副圖片：宇航員麥克坎德雷斯太空自由行走的照片，照片中宇航員漂浮在太空中，并且在圖片下方設(shè)置一個(gè)問(wèn)題“想一想，宇航員可以像在地面上一樣走回空間站嗎 ？”

學(xué)生：我覺(jué)得好像不可以，腳下沒(méi)有路，是飄在空中的.

教師追問(wèn)：為什么沒(méi)有路就不可以走呢？

學(xué)生：因?yàn)槭秋h著的.

教師追問(wèn)：那宇航員手腳并用，像游泳一樣游回空間站呢？

學(xué)生陷入爭(zhēng)論，大部分學(xué)生仍然堅(jiān)持認(rèn)為不可以，一部分學(xué)生動(dòng)搖認(rèn)為好像可以.

教師點(diǎn)評(píng)：其實(shí)還是不可以的，我們?cè)诘厍蛏嫌斡厩斑M(jìn)，因?yàn)橹車(chē)兴?，但是，現(xiàn)在宇航員周?chē)鷽](méi)有任何物體跟他接觸，無(wú)論他手腳怎么用力都是寸步難行的.

個(gè)別學(xué)生做恍然大悟狀，但是更多的學(xué)生表情仍然將信將疑狀.這時(shí)教師追問(wèn)：真的是這樣嗎？我們來(lái)欣賞一段視頻，教師播放神十女航天員太空授課前一小段內(nèi)容，視頻中航天員在空間站中移動(dòng)非常困難，必須扶著側(cè)壁才能移動(dòng)，王亞平剛出場(chǎng)時(shí)是“橫著”漂浮狀態(tài)，在另外兩位航天員的幫助下才順利地讓自己的身體“豎”起來(lái)，站到空間站地板上.受此啟發(fā)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)航天員必須接觸到物體才能獲得力移動(dòng)自己，也就是力的作用是相互的，在學(xué)生為發(fā)現(xiàn)這一物理知識(shí)而興奮的同時(shí)教師再次追問(wèn)：宇宙飛船周?chē)钦婵?，為什么可以自由飛行？

學(xué)生回答：因?yàn)橛腥剂习。?/p>

教師反問(wèn)：有燃料就可以了，周?chē)鷽](méi)有物體跟它接觸啊，哪來(lái)的動(dòng)力.

學(xué)生再次陷入沉默……

人教版初中物理僅僅只提到力的作用是相互的，根本不提相互作用力這一概念，學(xué)生更不知道牛頓第三定律的相關(guān)結(jié)論.但是,初中教學(xué)中教師為了幫助學(xué)生理解力的作用是相互的，做了大量的實(shí)驗(yàn)，常見(jiàn)的“鼓掌”“推桌子”“敲雞蛋”等實(shí)驗(yàn)學(xué)生都體驗(yàn)過(guò)，學(xué)生已經(jīng)具備淺顯的相互作用觀，高中物理教師再重復(fù)這些實(shí)驗(yàn)顯然不能調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性.針對(duì)以上情況，為了暴露學(xué)生已有的相互作用觀水平層次，筆者設(shè)計(jì)了相反的物理情境---周?chē)鷽](méi)有物體無(wú)法獲得相互作用力使航天員移動(dòng)，不出我所料，大部分學(xué)生能夠根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和已有的相互作用觀猜想結(jié)論，卻不能系統(tǒng)性地解釋這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)教師問(wèn)題引領(lǐng)，逐漸喚醒和明確他們潛意識(shí)中“力的作用是相互的”這一知識(shí)性結(jié)論，看似已經(jīng)具備了一定的相互作用觀，但再換一種情境時(shí)不少學(xué)生開(kāi)始困惑和動(dòng)搖了，這說(shuō)明學(xué)生雖然把這個(gè)結(jié)論背得很熟，但實(shí)際上他們頭腦中相互作用觀層次非常低，連新課標(biāo)的一級(jí)水準(zhǔn)都沒(méi)有達(dá)到，更不要說(shuō)把相互作用觀內(nèi)化到學(xué)生的世界觀中去.

2.2 體驗(yàn)探究 讓學(xué)生從舊觀念中生長(zhǎng)出新觀念并加以整合

活動(dòng)1:

教師演示實(shí)驗(yàn)：遙控汽車(chē)在教室地面上可以前進(jìn)，但是用繩子吊起懸空后無(wú)論車(chē)輪怎么轉(zhuǎn)都不能前進(jìn)；

活動(dòng)2:

學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：請(qǐng)學(xué)生動(dòng)動(dòng)手放飛教師事先準(zhǔn)備好的竹蜻蜓.

活動(dòng)3:

教師演示實(shí)驗(yàn)：教師播放親手制作水火箭過(guò)程視頻，并展示實(shí)物，之后再播放在操場(chǎng)上親自發(fā)射水火箭的視頻.

在每一個(gè)活動(dòng)之后請(qǐng)學(xué)生嘗試用力的作用是相互的這一原理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并具體找一找情境中存在怎么樣的作用力和反作用力以及各個(gè)力的施力物體、受力物體、方向，在具體的問(wèn)題環(huán)境中讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)不管固體、液體、氣體都存在相互作用力，力的作用的確總是相互的.進(jìn)而強(qiáng)化了相互作用觀在學(xué)生頭腦中的認(rèn)同，并促使了這一概念的發(fā)展：宇宙飛船能夠獲得動(dòng)力也一定是某一物體給它的反作用力→但是周?chē)钦婵諞](méi)有其他物體和它接觸→這只能說(shuō)明此時(shí)箭體和噴出的氣體不是一個(gè)整體，它們之間發(fā)生了相互作用，再體驗(yàn)彈簧測(cè)力計(jì)和傳感器探究多種物理情境下相互作用力大小的實(shí)驗(yàn).經(jīng)過(guò)教師的引領(lǐng)和整合，牛頓第三定律已經(jīng)可以水到渠成地在學(xué)生頭腦中生長(zhǎng)出來(lái)了，大多數(shù)學(xué)生頭腦中的相互作用觀得到加深，勉強(qiáng)可以達(dá)到一級(jí)水準(zhǔn).

2.3 創(chuàng)設(shè)情境 制造思維沖突讓學(xué)生的物理觀念得到強(qiáng)化和拓寬

活動(dòng)4:

學(xué)生活動(dòng)：拔河比賽看看誰(shuí)的拉力更大？請(qǐng)學(xué)生主動(dòng)報(bào)名，并從報(bào)名的學(xué)生中挑選身材、體重相差最大的兩位同學(xué)進(jìn)行比賽，比賽結(jié)果基本上不出所料，呈現(xiàn)一邊倒的狀態(tài)，明顯是身材更加高大壯碩的學(xué)生贏得比賽，就在學(xué)生們輕松歡笑以為答案不言自明的時(shí)候教師拋出問(wèn)題：這個(gè)實(shí)驗(yàn)真的說(shuō)明贏的一方拉力更大嗎？甲對(duì)乙的拉力與乙對(duì)甲的拉力是相互作用力啊，牛頓第三定律告訴我們相互作用力大小是相等的，這豈不是矛盾？學(xué)生一怔，教室頃刻安靜下來(lái)，學(xué)生眉頭緊鎖陷入思考.

教師點(diǎn)撥：所謂輸其實(shí)就是被拉動(dòng)了，這涉及到一個(gè)什么重要的力？

學(xué)生：人與地面的摩擦力.

教師點(diǎn)撥：大家講得很好，如何改變摩擦力？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

學(xué)生：讓剛才贏得比賽的同學(xué)穿上溜冰鞋.

學(xué)生活動(dòng)：仍然請(qǐng)剛才兩位學(xué)生進(jìn)行拔河比賽，但是先前取勝的同學(xué)穿上溜冰鞋或者站在平板車(chē)上，溜冰鞋效果更佳，但是從安全角度考慮要看這位同學(xué)是否會(huì)溜旱冰，結(jié)果比賽呈另一種一邊倒的狀態(tài)，與之前情況剛好完全相反.

完全相反的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給學(xué)生巨大的思維沖擊，也讓學(xué)生跳出書(shū)面上的定義重新審視相互作用力，在教師的點(diǎn)撥后理解這并不矛盾：研究力一定要關(guān)注研究對(duì)象，相互作用力是作用在兩個(gè)物體上的，而與某一個(gè)物體是否移動(dòng)沒(méi)有直接關(guān)系.

活動(dòng)5:

PPT展示馬拉車(chē)圖片，并設(shè)置問(wèn)題，馬拉著車(chē)加速運(yùn)動(dòng)，馬拉車(chē)的力與車(chē)?yán)R的力還相等嗎？學(xué)生再次陷入爭(zhēng)論，大部分學(xué)生贊同不再相等的觀點(diǎn)，否則怎么會(huì)加速運(yùn)動(dòng)呢？

教師：大家分析的有些道理，但是我們?cè)僮屑?xì)閱讀一下牛頓第三定律，沒(méi)有提到適用條件，而是強(qiáng)調(diào)相互作用力總是大小相等的，怎么印證呢？

學(xué)生：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

教師：怎么測(cè)出相互作用力的大小呢？

學(xué)生：剛才用過(guò)的力的傳感器.

教師：沒(méi)有馬也沒(méi)有馬車(chē)怎么辦？

學(xué)生：可以人拉著玩具小車(chē).

學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)：教師拿出事先準(zhǔn)備好的玩具小車(chē)，小車(chē)上綁著一個(gè)力的傳感器，再拿出另一個(gè)力的傳感器，請(qǐng)學(xué)生拉小車(chē)加速運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)傳感器示數(shù)總是相等的.

教師：結(jié)論是明確了，但是怎么解釋這里的矛盾呢，加速運(yùn)動(dòng)為何仍然相等？

學(xué)生思考后在教師點(diǎn)撥下，發(fā)現(xiàn)仍然是研究對(duì)象的問(wèn)題，與拔河問(wèn)題本質(zhì)相同.

通過(guò)制造思維沖突，可以讓學(xué)生跳出課本，重新思考，加深理解，這是發(fā)展和拓寬學(xué)生物理觀念的一條“綠色通道”，在教師這樣的教學(xué)策略引導(dǎo)下，大部分學(xué)生可以將頭腦中相互作用觀提升至二級(jí)或者三級(jí)水準(zhǔn).

當(dāng)然，不可能指望通過(guò)一節(jié)課就使學(xué)生某一物理觀念一蹴而就達(dá)到最高的層次，要通過(guò)多種物理情境的訓(xùn)練、自身生活經(jīng)歷的體驗(yàn)來(lái)逐漸感悟.這就要求我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中努力優(yōu)化教學(xué)策略，設(shè)計(jì)不同情境是可以更高效率地促進(jìn)物理觀念在學(xué)生身上的內(nèi)化，這還需要大量的工作要做，通過(guò)堅(jiān)持不懈的努力，必將取得滿意的結(jié)果.

本文僅是本人在這方面的一些粗淺體會(huì)，以做拋磚引玉之用.