體驗式教學(xué)架構(gòu)下物理規(guī)律教學(xué)的實踐研究

周偉波 陳繼紅

摘? ? 要：物理規(guī)律是事物本身或事物之間所固有的、深藏于各種現(xiàn)象背后的本質(zhì)屬性和內(nèi)在關(guān)系，具有客觀性、聯(lián)系性和發(fā)展性等特征，這就決定了對其的教學(xué)存在諸多難點。而體驗式教學(xué)，以親身體驗和意義建構(gòu)為特征，致力于創(chuàng)設(shè)真實情境、展開科學(xué)論證、解決實際問題，可以讓學(xué)生身臨其境地獲取多維度的感知信息，并基于邏輯推理和科學(xué)論證深入探究學(xué)習(xí)，發(fā)展核心素養(yǎng)。教師要依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材教參，結(jié)合學(xué)生學(xué)情和認(rèn)知邏輯，分解教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生經(jīng)歷感知體驗、論證體驗、建構(gòu)體驗和驗證體驗四個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)物理觀念建構(gòu)的逐步進(jìn)階。

關(guān)鍵詞：體驗式教學(xué);物理規(guī)律;滑動摩擦力

一、物理規(guī)律的定義及其特征

（一）物理規(guī)律的定義

物理規(guī)律是以長時間多次重復(fù)的實驗和現(xiàn)象為基礎(chǔ)，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?、推理、歸納并以文字和符號予以表述，最終在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)普遍被人接受的典型結(jié)論。物理規(guī)律是事物本身或事物之間所固有的，深藏于各種現(xiàn)象背后并決定和支配事物發(fā)展的相關(guān)物理法則。

（二）物理規(guī)律的特征

1.客觀性

客觀指意識之外，不依賴主觀意識而真實存在。物理規(guī)律的客觀性表現(xiàn)為兩個層面：一是物理規(guī)律本身的客觀性，即物理規(guī)律不會創(chuàng)造也不會消失，它將一直默默地等待人類來接近和發(fā)現(xiàn);二是物理規(guī)律發(fā)揮作用的客觀性，物理規(guī)律對事物發(fā)揮的作用將不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移，而是按照固有的法則促使事物向前發(fā)展。

2.聯(lián)系性

聯(lián)系指事物之間相互依賴、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。物理規(guī)律的聯(lián)系性：一方面表現(xiàn)為概念與規(guī)律之間的聯(lián)系，規(guī)律是對多個概念進(jìn)行關(guān)聯(lián)而呈現(xiàn)出來的本質(zhì)屬性，如牛頓第二定律，以力、質(zhì)量、加速度三個概念的關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)了力與運動的本質(zhì)屬性;另一方面表現(xiàn)為規(guī)律與規(guī)律之間的聯(lián)系，如動量定理和動能定理均源于牛頓第二定律，而這三種規(guī)律又從力的瞬時性、力對時間的積累性、力對空間的積累性三個維度組成了力與運動的物理圖景。

3.發(fā)展性

發(fā)展是事物由小到大、由簡單到復(fù)雜、由低級到高級的變化過程。物理規(guī)律的發(fā)展性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是科學(xué)發(fā)展方面，隨著研究的不斷深入和知識的不斷增加，人們對客體的認(rèn)識也不斷發(fā)生變化，相應(yīng)的物理規(guī)律也不斷發(fā)展和更新;二是學(xué)生認(rèn)知方面，學(xué)生的認(rèn)知水平隨著知識的增加而不斷提升，認(rèn)識水平的提升將有助于對物理規(guī)律的深入理解，因此學(xué)生對物理規(guī)律的掌握具有階段性和發(fā)展性。

二、物理規(guī)律教學(xué)存在的問題及突破路徑

目前物理規(guī)律教學(xué)主要存在三方面問題：第一，在規(guī)律的引入環(huán)節(jié)，教師普遍采用口頭闡述、圖片展示或者視頻播放的方式，而沒有創(chuàng)設(shè)真實的生活情境，不能讓學(xué)生身臨其境地獲取多維度的感知信息，這就使物理規(guī)律的“客觀性”缺少真實的情境基礎(chǔ);第二，在規(guī)律的形成環(huán)節(jié)，教師依然奉行以彰顯學(xué)科功底和講解能力為宗旨的“授—受”方式，缺乏以學(xué)生為主體的“方案設(shè)計”式的深層探究，以及基于邏輯推理、以科學(xué)論證為手段的建構(gòu)過程，這就使學(xué)生失去對規(guī)律“聯(lián)系性”的親身體驗;第三，在規(guī)律的應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師傾向于單一的習(xí)題訓(xùn)練，沒有把物理規(guī)律置于現(xiàn)實生活中，沒有以解決實際問題的方式來檢驗規(guī)律的正確性，當(dāng)然也就沒有在檢驗過程中以規(guī)律的“發(fā)展性”來幫助學(xué)生逐漸接近真實的客體。

經(jīng)過大量的教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為體驗式教學(xué)可以更好地解決上述問題，它為物理規(guī)律教學(xué)提供了新的突破路徑。體驗式教學(xué)，以親身體驗和意義建構(gòu)為特征，致力于創(chuàng)設(shè)真實情境、展開科學(xué)論證、解決實際問題，可以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

三、體驗式教學(xué)的含義與框架

國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》指出，要“積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的體驗式課堂教學(xué)”。體驗式教學(xué)是教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，深入分析學(xué)生的已有認(rèn)知，創(chuàng)造接近實際生活的教學(xué)情境，讓學(xué)生親歷知識的再創(chuàng)造過程，從中獲得感知體驗、論證體驗、建構(gòu)體驗和驗證體驗，最終指向?qū)W科核心素養(yǎng)發(fā)展的一種教學(xué)觀和教學(xué)策略。

結(jié)合高中物理的學(xué)科特點，筆者建構(gòu)了“一任務(wù)一指向、四環(huán)節(jié)十二步驟”的高中物理體驗式教學(xué)模式[1]。體驗式教學(xué)以主題任務(wù)為統(tǒng)領(lǐng)，指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)，由感知體驗、論證體驗、建構(gòu)體驗和驗證體驗四個環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)又分別包含三個步驟：感知體驗環(huán)節(jié)包含創(chuàng)設(shè)情境、獲取感知、聚焦問題;論證體驗環(huán)節(jié)包含提出猜想、實驗研究、科學(xué)論證;建構(gòu)體驗環(huán)節(jié)包含形成規(guī)律、提煉核心、升華觀念;驗證體驗環(huán)節(jié)包含再創(chuàng)情境、觀念應(yīng)用、觀念修正。

在模式架構(gòu)中，體驗式教學(xué)的四環(huán)節(jié)與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四維度緊密關(guān)聯(lián)（如圖1）：感知體驗是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育萌芽;論證體驗是科學(xué)探究與科學(xué)思維的融合場域;建構(gòu)體驗是物理觀念的形成過程;驗證體驗則致力于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的二次培育與深化?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任滲透于體驗式教學(xué)的全過程。

四、體驗式教學(xué)架構(gòu)下物理規(guī)律教學(xué)的實踐策略

（一）任務(wù)統(tǒng)領(lǐng)，基于單元教學(xué)分解主題任務(wù)

任務(wù)原指肩負(fù)的工作和承擔(dān)的責(zé)任，這里指單元教學(xué)下的主題任務(wù)。單元教學(xué)是學(xué)期教學(xué)任務(wù)的首次分解，主題任務(wù)則是學(xué)期教學(xué)任務(wù)的二次分解。分解主題任務(wù)要求教師依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材教參，結(jié)合學(xué)生學(xué)情和認(rèn)知邏輯，把本單元的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分解，并展開相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計和課堂教學(xué)實施。主題任務(wù)是每一次體驗式教學(xué)的目標(biāo)指向，積極統(tǒng)領(lǐng)著四環(huán)節(jié)和十二步驟的實施過程。如粵教版普通高中教科書《物理》必修第一冊第三章《相互作用》的教學(xué)，可以分解為重力與彈力、摩擦力、牛頓第三定律、力的合成與分解、共點力平衡五個主題任務(wù)。下面，筆者主要以“滑動摩擦力的規(guī)律”的教學(xué)為例進(jìn)行分析。

（二）創(chuàng)設(shè)情境，以感知體驗聚焦探究問題

情境是教師在教學(xué)過程中所創(chuàng)設(shè)的物理環(huán)境和情感氛圍。問題情境即以問題或者任務(wù)為中心構(gòu)成的活動場域?！吨袊呖荚u價體系說明》指出，情境可以分為學(xué)習(xí)探索情境和生活實踐情境。學(xué)習(xí)探索情境來源于課本的探究問題和科學(xué)研究過程，旨在考查學(xué)生在智力活動中的思維能力和思維方式;生活實踐情境取材于現(xiàn)實生活和生產(chǎn)實踐，旨在考查學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實際問題的相關(guān)能力。

感知體驗，需要學(xué)生置身于學(xué)習(xí)探索情境或生活實踐情境中，全身心地調(diào)動眼睛、耳朵、手足等多種身體器官，把獲取的多維信息與個人的已有認(rèn)知體系展開碰撞，在感性和理性的沖突下促進(jìn)對探究性問題的聚焦，從而開啟體驗式教學(xué)的規(guī)律揭秘之旅。如“滑動摩擦力”教學(xué)，筆者創(chuàng)設(shè)生活實踐情境：（1）讓學(xué)生以大致相同的初速度分別在較光滑的瓷磚地面和較粗糙的水泥地面上滑動;（2）讓學(xué)生抱著重物重新親歷上個情境的活動過程。

學(xué)生親身參與兩次不同接觸面和不同壓力的情境活動，親歷視覺（滑行距離遠(yuǎn)近）、聽覺（摩擦發(fā)出的聲音）、觸覺（壓力和摩擦力的感受）、運動覺（自身的滑行方向）等多維度的感知體驗，最后聚焦“滑動摩擦力方向如何判斷”“滑動摩擦力大小如何求解”兩個探究問題。

（三）提出猜想，用論證體驗形成團(tuán)隊觀點

提出猜想是指學(xué)生基于要探究的問題，結(jié)合自身的已有認(rèn)知展開初步分析，并對問題產(chǎn)生的原因提出猜測和想法。實驗研究是指學(xué)生在猜想的基礎(chǔ)上，開展實驗設(shè)計、步驟操作、數(shù)據(jù)獲取等系列活動。實驗研究除了要加強(qiáng)傳統(tǒng)實驗以外，還要關(guān)注信息技術(shù)的切入與融合?？茖W(xué)論證是指在科學(xué)探究的過程中，一人或多人利用事實證據(jù)進(jìn)行邏輯推理并形成觀點的過程[2]?？茖W(xué)論證通常包含證據(jù)、理由、觀點三種要素，以及個人推理和社會協(xié)商兩個層面。如針對“滑動摩擦力方向如何判斷”和“滑動摩擦力大小如何求解”兩個探究問題，學(xué)生積極開展個人和集體雙層面的論證體驗，最終形成團(tuán)隊觀點。

[探究問題1]滑動摩擦力方向如何判斷？

[提出猜想1]與物體的運動方向相反？與物體的相對運動方向相反？

[實驗研究1]軟毛刷m和木板M原本靜止，M在外力F作用下向左運動，導(dǎo)致m發(fā)生滑動。

[科學(xué)論證1]

證據(jù)：m的軟毛向左彎曲。從地面看，m向左運動;從M看，m向右運動。

理由：軟毛彎曲方向與其受力方向一致;以地面為參考稱為運動方向，以M為參考稱為相對運動方向。

團(tuán)隊觀點：m所受滑動摩擦力向左，相對運動方向向右，即滑動摩擦力方向與相對運動方向相反。

[探究問題2]滑動摩擦力大小如何求解？

[提出猜想2]滑動摩擦力大小與接觸面的粗糙程度、接觸面積、壓力大小、運動速度等均有關(guān)。

[實驗研究2]學(xué)生親歷實驗裝置進(jìn)階，并利用最終裝置展開以下四個實驗。

（1）探究滑動摩擦力大小與運動速度關(guān)系（調(diào)節(jié)傳送帶速度大?。?/p>

（2）探究滑動摩擦力大小與接觸面積關(guān)系（壓力不變情況下改變物體的接觸面積）。

（3）探究滑動摩擦力大小與壓力關(guān)系（物體上增加砝碼改變其壓力）。

（4）探究滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度關(guān)系（用物體另外一個粗糙程度不同的側(cè)面與傳送帶接觸）。

[科學(xué)論證2]

（1）實驗裝置層面

證據(jù)：起始裝置讀數(shù)不穩(wěn)定;改進(jìn)裝置讀數(shù)緊張且測力計晃動;最終裝置讀數(shù)時間充分且讀數(shù)穩(wěn)定。

理由：起始裝置很難保持勻速致讀數(shù)不穩(wěn)定;改進(jìn)裝置木板長度有限造成讀數(shù)緊張，測力計未固定致其晃動;最終裝置傳送帶帶動可以慢慢讀數(shù)，且測力計豎直固定不晃動。

觀點：選擇最終裝置開展實驗探究，可在充足時間內(nèi)得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

（2）實驗探究層面

證據(jù)：①滑動摩擦力大小與運動速度關(guān)系：皮帶快速或慢速運動，滑動摩擦力大小均為0.30N;②滑動摩擦力大小與接觸面積關(guān)系：接觸面積大或小，滑動摩擦力大小均為0.30N;③滑動摩擦力大小與壓力、接觸面粗糙程度關(guān)系（物體質(zhì)量73g，砝碼每次增加20g）：壓力大小為0.71N、0.91N、1.10N、1.30N時，接觸面1的滑動摩擦力大小為0.30N、0.37N、0.46N、0.55N，接觸面2的滑動摩擦力大小為0.40N、0.51N、0.62N、0.73N。

理由：①傳動帶快速或慢速運動，物體所受摩擦力不變;②接觸面積大或小，物體所受摩擦力不變;③用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：接觸面相同時，摩擦力隨壓力增大而增大;壓力相同時，接觸面越粗糙摩擦力越大。

團(tuán)隊觀點：滑動摩擦力大小與運動速度、接觸面積無關(guān)，僅由壓力和接觸面粗糙程度決定，粗糙程度一定時，滑動摩擦力與壓力成正比。

（四）形成規(guī)律，借建構(gòu)體驗升華物理觀念

由論證體驗得到的團(tuán)隊觀點，需要以更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖直硎鲞M(jìn)一步歸納和總結(jié)，這是為了呈現(xiàn)同一類事件的本質(zhì)屬性和內(nèi)在關(guān)系。在后續(xù)的教學(xué)中，還需要對多個縱橫關(guān)聯(lián)的規(guī)律進(jìn)行本質(zhì)提煉，上位到具有總括性的概念，即核心概念。核心概念是由若干重要概念構(gòu)成的，這些內(nèi)容能夠展現(xiàn)當(dāng)代的學(xué)科圖景 [3]。對多個相關(guān)的核心概念進(jìn)一步升華，可以上位到具有統(tǒng)領(lǐng)性的觀念，即物理觀念。物理觀念是一種超越物理知識間一般性聯(lián)系的內(nèi)在因果關(guān)聯(lián)命題，可使用于對大量事物的判斷 [4]，是用物理學(xué)科視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的一種內(nèi)化思維架構(gòu)。如針對論證體驗中形成的團(tuán)隊觀點，可以得到滑動摩擦力的規(guī)律表述：滑動摩擦力的方向與物體的相對運動方向相反，滑動摩擦力的大小f=[μN]（[μ]為兩物體間的動摩擦因數(shù)，[N]為兩物體間的壓力大?。?。

在后續(xù)教學(xué)中，我們可以將其與萬有引力、電場力、安培力、洛倫茲力、分子力等整合，提煉出“相互作用力”這一核心概念。然后，再將“相互作用力”與“運動”（由變速直線運動、平拋運動、圓周運動等概念提煉）、“運動與力的關(guān)聯(lián)”（由牛頓第二定律、動量定理、動能定理等概念提煉）兩個核心概念整合，可升華為“運動與相互作用”的物理觀念。

（五）再創(chuàng)情境，憑驗證體驗實現(xiàn)觀念應(yīng)用與修正

將首創(chuàng)情境呈現(xiàn)于感知體驗中，目的在于引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而開啟規(guī)律探究的體驗之旅;而驗證體驗中的再創(chuàng)情境，則致力于已建構(gòu)的物理觀念在嶄新情境中的應(yīng)用與修正。應(yīng)用是物理觀念在另一種情境中的實踐運用，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，使其形成相應(yīng)的情感價值觀。在觀念的應(yīng)用過程中，基于個體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)以及對物理觀念的理解，不同的個體將會作出不同的修正。個體的修正經(jīng)由集體協(xié)商后達(dá)成共識，本輪體驗式教學(xué)完滿結(jié)束。若未達(dá)成共識，則需要開啟下一輪體驗式教學(xué)。因此，體驗式教學(xué)不是單一的閉合回路，而是呈現(xiàn)一種螺旋上升的進(jìn)階態(tài)勢。物理觀念就是在多次螺旋進(jìn)階的過程中達(dá)到相對正確的狀態(tài)。

如再創(chuàng)生活實踐情境。

將兩條黑白毛巾交替折疊放在地面上，白毛巾中部用水平線與墻壁連接，黑毛巾中部用水平線拉住，若每條毛巾質(zhì)量均為m，毛巾之間及毛巾與地面之間的動摩擦因數(shù)均為μ，求將黑毛巾勻速拉出所需的水平力大小。

學(xué)生就滑動摩擦力的方向和大小的規(guī)律展開觀念應(yīng)用。

（2）因滑動摩擦力方向與物體運動方向相反，可知上述四個摩擦力方向均水平向右。

（3）由力的平衡可得F=f1+f2+f3+f4=5[μmg]。

接著，學(xué)生從“運動（勻變速直線運動）”和“運動與力的關(guān)聯(lián)”（牛頓第二定律）等核心概念層面展開應(yīng)用進(jìn)階。

傳送帶以速度v0勻速轉(zhuǎn)動，小物塊輕放于傳送帶左側(cè)A點。已知小物塊與傳送帶的動摩擦因素為μ，A、B間的距離為L，求小物塊從A點運動到B點所需的時間。

學(xué)生根據(jù)牛頓第二定律和勻變速直線運動規(guī)律，先將小物塊的運動分為“一直勻加速”和“先勻加速后勻速”兩種情況，然后展示兩種時間的求解。

若學(xué)生在上述的規(guī)律和觀念應(yīng)用中存在問題，如對“相對運動方向”理解不到位，教師就需要重啟體驗式教學(xué)，使學(xué)生在逐步進(jìn)階和螺旋上升的過程中修正相應(yīng)的觀念。

（六）素養(yǎng)指向，實現(xiàn)核心素養(yǎng)與體驗式教學(xué)互聯(lián)

體驗式教學(xué)，指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)，它的四個環(huán)節(jié)與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個維度密切關(guān)聯(lián)。如教師可先讓學(xué)生采取抱重物和不抱重物兩種方式，在不同的接觸面上滑動，讓學(xué)生多維度感知信息，聚焦“滑動摩擦力方向如何判斷”“滑動摩擦力大小如何求解”等探究問題，激發(fā)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的萌芽。接著，教師設(shè)計毛刷滑動、裝置進(jìn)階等探究活動，讓學(xué)生基于證據(jù)、理由、觀點展開個人與集體雙層面的科學(xué)論證，促進(jìn)科學(xué)探究素養(yǎng)和科學(xué)思維素養(yǎng)的提升。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生從對“滑動摩擦力”規(guī)律的概括上升到對“相互作用力”核心概念的提煉，再進(jìn)一步到對“運動與相互作用”觀念的升華，從而實現(xiàn)物理觀念建構(gòu)的逐步進(jìn)階。最后，教師讓學(xué)生經(jīng)歷拉毛巾、傳送帶等實驗，展開對摩擦力規(guī)律、運動與相互作用觀念的應(yīng)用和修正，實現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的二次培育與深化。同時，實驗中對數(shù)據(jù)處理的嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、對不同接觸面數(shù)據(jù)差異的實事求是、實驗探究的持之以恒、Excel擬合圖線的勇于創(chuàng)新、集體協(xié)商中的積極承擔(dān)等科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，也就自然滲透在課堂教學(xué)中了。

綜上所述，筆者依托體驗式教學(xué)的感知體驗、論證體驗、建構(gòu)體驗和驗證體驗四個環(huán)節(jié)，以主題任務(wù)為統(tǒng)領(lǐng)，采用創(chuàng)設(shè)情境、提出猜想、形成規(guī)律、再創(chuàng)情境等多種策略，最終實現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)與體驗式教學(xué)的關(guān)聯(lián)與融合，為物理規(guī)律教學(xué)演示了新的路徑與范式。

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