學(xué)生“物理觀念”形成導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計

任浩源　李衛(wèi)東

摘 要：物理觀念的形成水平十分影響學(xué)生解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力，無論是從實現(xiàn)教育目的的角度，還是從達到教學(xué)效果的角度考慮，教師都應(yīng)在物理教學(xué)設(shè)計的過程中有意地促進學(xué)生物理觀念的形成，讓學(xué)生在建構(gòu)知識的過程中形成相應(yīng)的物理觀念，從而提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理觀念;教學(xué)設(shè)計;核心素養(yǎng)

作者簡介：任浩源（1998—），男，延安大學(xué)，碩士研究生在讀。

李衛(wèi)東（1957—），男，延安大學(xué)，教授。

一、問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提出了物理核心素養(yǎng)的概念，主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。其中，“物理觀念”是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)[1]。這要求學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的過程中要明確知識內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，并在運用物理知識解決實際問題時體會知識所蘊含的實用價值，從而形成正確的物理觀念。

有部分學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識后雖然可以復(fù)述定理定律，默寫物理公式，但在解決實際物理問題時卻沒有思路，一看答案就會，教師一講就會，但換一個題設(shè)或者改變一種問法就找不到解答方向。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是學(xué)生只是初步認識了物理知識，沒有形成物理觀念或者物理觀念不強。

不同學(xué)生的物理觀念也不完全相同，不同學(xué)生形成物理觀念的水平也不完全一致。這就要求物理教師在做教學(xué)設(shè)計時要制訂提升物理觀念的教學(xué)目標，在教學(xué)的過程中充分利用物理學(xué)史，注重方法引領(lǐng)，從而促進學(xué)生物理觀念的形成[2]。

二、學(xué)生“物理觀念”形成導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計

學(xué)生物理觀念的形成和發(fā)展只有通過其對物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)和應(yīng)用才能逐步完成。學(xué)生在對物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)過程中會不斷地反思和遷移，在腦海中逐漸形成自己的觀念框架，并隨著物理知識的完整性的逐漸增強，再由一個個子觀念構(gòu)成物質(zhì)、運動與相互作用、能量三個大的物理觀念。隨著學(xué)生物理觀念水平的發(fā)展，其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力也會逐步提升。

以學(xué)生物理觀念的形成為目標的教學(xué)設(shè)計必須能夠指導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解和應(yīng)用物理概念和物理規(guī)律。教師在教學(xué)設(shè)計的內(nèi)容上應(yīng)注重以下幾個方面，首先是課堂的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師要注重物理環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，可以利用實驗現(xiàn)象的呈現(xiàn)或者原始物理問題的提出，將學(xué)生的思考方向逐步引導(dǎo)到課程內(nèi)容上;其次是要注重激發(fā)學(xué)生的探究欲望，教師可以在提出問題或假設(shè)后激勵學(xué)生自主設(shè)計實驗，或自主進行推理演繹，使學(xué)生在試錯和糾錯的一系列過程中體會科學(xué)思維的發(fā)展過程;最后是要注重對科學(xué)探究的結(jié)果進行應(yīng)用，最直接的應(yīng)用方法是解決導(dǎo)入新課時提出的問題或解釋導(dǎo)入實驗呈現(xiàn)的現(xiàn)象，也可以通過新設(shè)問題的解決來應(yīng)用物理知識，但應(yīng)注意的是教師所創(chuàng)設(shè)的問題要有相應(yīng)的情境，最好是學(xué)生在生活中能夠見到、聽到或熟知的場景，這樣的情境應(yīng)用有助于學(xué)生形成相應(yīng)的物理觀念。

筆者以人教版高中物理必修1第四章第一節(jié)中的“牛頓第一定律”的教學(xué)為例，結(jié)合學(xué)生“物理觀念”的形成需求進行教學(xué)設(shè)計。

（一）教材及學(xué)情分析

牛頓第一定律是聯(lián)系運動學(xué)和力學(xué)的紐帶，也是學(xué)習(xí)動力學(xué)知識的基礎(chǔ)，在整個經(jīng)典力學(xué)知識體系中占有重要地位。高中物理教材要求學(xué)生領(lǐng)悟理想實驗的思想方法，通過對慣性的學(xué)習(xí)進一步認識質(zhì)量[3]。通過初中物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了牛頓第一定律的內(nèi)容，并能用慣性知識解釋一些相關(guān)現(xiàn)象。然而，學(xué)生對牛頓第一定律的建立過程和適用范圍并不十分清楚，這是學(xué)生在高中再一次學(xué)習(xí)牛頓第一定律需要解決的問題。

（二）教學(xué)目標設(shè)計

1.教師通過對牛頓第一定律的分析，讓學(xué)生了解慣性的內(nèi)涵，并能夠用牛頓第一定律來解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象，形成一定的運動與相互作用觀念基礎(chǔ)。

2.教師通過對伽利略理想斜面實驗的研究，讓學(xué)生了解實驗+推理的科學(xué)思維方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理的思維能力。

3.教師通過設(shè)計實驗探究影響慣性大小的因素，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、操作實驗的科學(xué)探究能力。

4.學(xué)生通過對牛頓第一定律適用范圍的學(xué)習(xí)，明白科學(xué)是可證偽的，科學(xué)的理論都是在不斷發(fā)展和完善的，并形成不懈追求真理的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

（三）教學(xué)主要過程設(shè)計

【教師活動1】教師將一個乒乓球與另一個等大的實心金屬球靜止放在水平桌面上，請三位學(xué)生依次用力吹兩個小球，看乒乓球和金屬球哪個更容易吹動，其用一個小實驗導(dǎo)入新課“牛頓第一定律”。

【細節(jié)把控】兩球的體積應(yīng)盡可能相等，并且桌面要用水平儀找平，從而減小實驗的誤差。

【學(xué)生活動1】三位學(xué)生用力分別吹兩個小球，發(fā)現(xiàn)乒乓球容易吹動，金屬球難以吹動，全體學(xué)生觀察現(xiàn)象并嘗試分析原因。

【設(shè)計意圖】學(xué)生親身參與新課導(dǎo)入實驗，感受改變不同質(zhì)量的物體運動狀態(tài)的難易程度，獲取直接經(jīng)驗，為物理觀念的形成奠定基礎(chǔ)。

【教師活動2】教師帶領(lǐng)學(xué)生閱讀課本內(nèi)容，并解釋亞里士多德在研究物體運動原因的過程中堅持的觀點：力是維持物體運動狀態(tài)的原因。

【細節(jié)把控】力的概念是牛頓建立的，在亞里士多德或者伽利略時期并沒有將所有相互作用的概念抽象成“力”，課本里這樣表述是為了方便理解。這一點教師有必要給學(xué)生講清楚。

【學(xué)生活動2】學(xué)生通過課本和教師的講解，對亞里士多德所持觀點的合理性進行判斷，各抒己見，踴躍發(fā)言。

【設(shè)計意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷當年科學(xué)家在理論探索過程中的思想碰撞，了解牛頓第一定律建立之前人類對物體運動原因的認識。

【教師活動3】教師演示如圖1所示的實驗，使一個小球從斜面的某一高度由靜止開始下滑至平面，并在平面上繼續(xù)滾動直至停止。教師通過改變平面的粗糙程度進行多次實驗，例如在平面鋪上粗布、用木板做平面、用玻璃做平面等。比較小球在不同粗糙程度的平面上滾動的距離遠近，并讓學(xué)生嘗試分析為什么小球在不同平面上運動的距離不同。

【細節(jié)把控】平面要用水平儀找平，且每次實驗都要保證小球在斜面的同一高度由靜止釋放，從而使小球具有固定的初速度。為了使實驗現(xiàn)象有明顯對比，平面應(yīng)在條件允許的情況下盡可能足夠長。

【學(xué)生活動3】學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象并得出結(jié)論：平面越光滑，小球的移動距離就越遠，這可能是不同的摩擦力大小造成的。

【設(shè)計意圖】教師使用控制變量法進行實驗，引導(dǎo)學(xué)生將該實驗現(xiàn)象歸因于摩擦阻力，為進一步提出假設(shè)做好鋪墊。

【教師活動4】教師基于“平面越光滑小球運動距離越遠”這一結(jié)論提出問題：如果平面完全光滑，沒有摩擦阻力，小球的運動情況將會怎樣？

隨后，教師介紹伽利略的假設(shè)和理想實驗。伽利略得出的結(jié)論是：如果沒有摩擦阻力，小球?qū)⒂肋h運動下去。并設(shè)計了一個理想的實驗來證明，如圖2所示。教師讓一個小球從靜止狀態(tài)沿著一個斜面向下滑動，小球就會沖向另一個斜面，如果沒有摩擦力，小球就會上升到原來的高度。接著教師減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面上仍然會達到相同的高度，但此時小球會運動得更遠。教師繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，當球達到相同高度時，小球會運動得更遠。

基于以上實驗，教師再次提問：若將第二個斜面放平，小球的運動情況將會怎樣？

【細節(jié)把控】教師要強調(diào)理想實驗的科學(xué)性和重要性，我們既不能完全消除摩擦阻力，又不能把第二個斜面做到無限長，所以伽利略的實驗是個理想實驗。但理想實驗也是建立在真實的實驗事實之上的，是經(jīng)過科學(xué)推理的，并不是完全的主觀猜想。

【學(xué)生活動4】學(xué)生根據(jù)教師的提問進行思考，如果沒有摩擦阻力，小球從第一個斜面滑下后應(yīng)該會在第二個斜面沖到和初始狀態(tài)一樣的高度。如果改變第二個斜面的傾斜度，直到斜面變平，小球?qū)⒂肋h無法達到其原始高度，于是小球?qū)恢边\動下去而不需要力的作用，所以亞里士多德的觀點是錯誤的，力不是維持物體運動狀態(tài)的原因。

【設(shè)計意圖】教師利用提問巧妙地引導(dǎo)學(xué)生的思路，通過再現(xiàn)伽利略的理想斜面實驗，使學(xué)生經(jīng)過思考后自覺否定錯誤的觀點，形成正確的物理觀念。

【教師活動5】教師闡明笛卡兒的觀點：如果運動的物體不受外力的影響，它將繼續(xù)以相同的速度沿著同一條直線運動，不會停止或偏離原始方向。

教師介紹牛頓第一定律的內(nèi)容：牛頓在伽利略和笛卡兒的研究基礎(chǔ)上進行了研究和總結(jié)，并在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了三條運動定律。其中，第一條定律是：所有物體始終保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)，除非作用在其上面的力迫使其改變這種狀態(tài)。我們稱物體保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)的性質(zhì)為慣性。

【細節(jié)把控】教師要注意對學(xué)生進行正確引導(dǎo)：盡管亞里士多德最終沒能得出正確的結(jié)論，但可貴的是他提出了研究物體運動與受力關(guān)系的想法，這給之后的科學(xué)家們指明了研究的方向，從這一角度來看亞里士多德也有值得肯定的地方。

【學(xué)生活動5】學(xué)習(xí)牛頓第一定律的建立過程后，學(xué)生明白了一個科學(xué)的一般定律的形成是通過人們不斷的探索和研究得來的。

【設(shè)計意圖】教師通過講述伽利略的理想實驗得出正確的結(jié)論，再結(jié)合笛卡兒的進一步修正，最終由牛頓總結(jié)出慣性定律的過程，將人類科學(xué)發(fā)展進步的艱難歷程呈現(xiàn)給學(xué)生，從而培養(yǎng)學(xué)生敢于試錯和不懈努力的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

【教師活動6】教師幫助學(xué)生深入理解牛頓第一定律?！八形矬w”說明這一定律具有普適性;“除非”說明作用力是改變物體運動狀態(tài)的原因;也可以把物體的慣性大小理解為改變物體運動狀態(tài)的難易程度;自然界中不存在完全不受外力作用的物體，但是當物體所受的合外力為零時，也會保持勻速直線運動或靜止的狀態(tài)。

隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一個小實驗以探究影響物體慣性大小的因素。

【細節(jié)把控】在學(xué)生設(shè)計實驗的過程中，為了節(jié)約課堂時間，教師可以適當?shù)亟o出幾個相關(guān)因素，例如物體的質(zhì)量、體積、受力情況等，引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法設(shè)計實驗。

【學(xué)生活動6】學(xué)生設(shè)計實驗探究影響物體慣性大小的因素，在教師的幫助下，最終得出結(jié)論：物體的質(zhì)量是決定物體慣性大小的唯一因素。

【設(shè)計意圖】學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)的“質(zhì)量”是物體所含物質(zhì)的多少，通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生進一步認識了質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度。

【教師活動7】教師回顧課堂的導(dǎo)入實驗并提問為什么金屬球比乒乓球更難吹動？然后對牛頓第一定律進行適當?shù)那榫硲?yīng)用。例如，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，行駛速度為100km/h的轎車緊急剎車直至速度為0所需的制動距離約為35m，而行駛速度同樣為100km/h的火車，其制動距離大約需要1000m，改變的速度大小相同，所需的制動距離卻相差甚遠，請學(xué)生嘗試利用牛頓第一定律的內(nèi)容解釋說明。最后，教師進行課堂小結(jié)。

【設(shè)計意圖】學(xué)生要形成物理觀念，必須學(xué)會從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題，所以在進行新課教學(xué)后，教師要適時創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的實際情境來應(yīng)用當堂的物理知識。

三、總結(jié)

學(xué)生物理觀念的形成是一個漫長的過程，需要教師通過每一節(jié)物理課的有意設(shè)計來推進。教師通過創(chuàng)設(shè)物理情境、提出物理問題、再現(xiàn)建立過程、充分應(yīng)用實際情境加深印象等手段，使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程的過程中不僅能理解和掌握物理知識，更能將物理知識靈活應(yīng)用到實際情境中以解釋現(xiàn)象和解決問題。但不同的學(xué)生由于具有差異性，其通過學(xué)習(xí)物理課程形成的物理觀念水平不同，這就需要物理教師及時做好形成性評價，從而對物理教學(xué)設(shè)計進行不斷改進，力求全體學(xué)生形成較高水平的物理觀念。

[參考文獻]

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