回歸學(xué)科本源 體悟科學(xué)探究
——“探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系”課后反思

唐 洋

(上海市南洋模范中學(xué) 上海 200032)

本次公開課于2021年9月16日確定主題，直至11月30日開課，整個(gè)備課過程歷時(shí)兩個(gè)半月，教案較大幅度地修改了21稿，共試講4個(gè)班，教研員與教研組教師們多次參與聽課磨課，期間嘗試自制實(shí)驗(yàn)器材，去以五金店著稱上海灘的北京東路選購(gòu)各類彈簧……

回眸整個(gè)備課過程，可謂曲曲折折，比如在網(wǎng)上無法挑選到勁度系數(shù)適合實(shí)驗(yàn)的彈簧，跑了大街小巷也無功而返，自制教具效果不佳，試講效果差強(qiáng)人意等等，這些困難著實(shí)讓筆者受到了不小的打擊.但正是因?yàn)檫@些不順暢，各種原有隱藏著的教育教學(xué)問題就開始在各個(gè)環(huán)節(jié)暴露出來，顯得別有一番價(jià)值，更有幸能在特級(jí)教師桑嫣老師和周靖毅老師的指導(dǎo)下，不斷地進(jìn)行反思與調(diào)整，將問題逐個(gè)化解，才讓最后的公開課取得了一定的突破與成功，受到的啟迪頗多.

1 教學(xué)目標(biāo)的升華 基于課標(biāo) 結(jié)合學(xué)情 適度超越

1.1 進(jìn)階版目標(biāo)

關(guān)于教學(xué)目標(biāo)的定位，可以基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》，再結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，進(jìn)行適度超越[1].就本節(jié)課而言，依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求：學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解胡克定律；在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)控制變量的思想；學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的記錄與分析方法，能根據(jù)證據(jù)得出結(jié)論；知道實(shí)驗(yàn)存在誤差.

基于《課標(biāo)》，根據(jù)我校學(xué)生基礎(chǔ)，提出希望通過課程進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的進(jìn)階版目標(biāo)：

(1)如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力(基于科學(xué)探究，結(jié)合科學(xué)思維，創(chuàng)獲作為結(jié)論的知識(shí))；

(2)如何尋找證據(jù)，并得出相應(yīng)的結(jié)論(證據(jù)意識(shí))；

(3)如何組織語言，符合邏輯地表述觀點(diǎn)(解釋、交流能力)；

(4)如何評(píng)價(jià)結(jié)論獲得過程中存在的可改進(jìn)之處(質(zhì)疑、反思的批判性思維).

1.2 主要認(rèn)知環(huán)節(jié)

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，擬定需要學(xué)生經(jīng)歷的主要認(rèn)知環(huán)節(jié)如下：

(1)根據(jù)學(xué)科現(xiàn)象提出可以研究的學(xué)科問題，在討論中形成初步的實(shí)驗(yàn)方案；

(2)基于初步的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在探究過程中不斷調(diào)整研究方略，獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；

(3)對(duì)數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行分析，并由實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論，反思結(jié)論得出的過程所存在的不足，訓(xùn)練其批判性思維能力，最終拓展到普遍的結(jié)論，經(jīng)歷不完全歸納法的實(shí)驗(yàn)探究過程；

(4)由科學(xué)結(jié)論到實(shí)際生活的應(yīng)用與拓展，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的認(rèn)知能力，將物理知識(shí)升華為物理觀念.

此外，本實(shí)驗(yàn)作為高中階段第一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，除了通過實(shí)驗(yàn)得出胡克定律，了解實(shí)驗(yàn)思想、方法等技術(shù)性問題之外，還需在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生感受實(shí)驗(yàn)與推理相結(jié)合的研究方法(此處主要借助不完全歸納法)，最終獲得結(jié)論.學(xué)生需要在整個(gè)過程中充分經(jīng)歷觀察、猜想、實(shí)驗(yàn)、歸納、交流、反思等環(huán)節(jié)，像科學(xué)家一樣體驗(yàn)概念和規(guī)律的建立過程[2].

在考慮了培養(yǎng)目標(biāo)之后，就要著手分析學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)：彈簧形變后產(chǎn)生彈力是一種常見現(xiàn)象，學(xué)生在生活中都有或多或少的觀察與經(jīng)驗(yàn)積累.那么經(jīng)歷怎樣的認(rèn)知過程才能從生活經(jīng)驗(yàn)中演繹出學(xué)科認(rèn)知的切入點(diǎn)？

這需要辨析所研究的問題的學(xué)科特征，一般需要經(jīng)歷對(duì)學(xué)科問題的知識(shí)與認(rèn)知特征進(jìn)行重新審視的認(rèn)知思考.就本認(rèn)知內(nèi)容而言，可以通過對(duì)基于源問題的認(rèn)知特征或認(rèn)知方式的思辨來抉擇要明晰的認(rèn)知途徑或方法，由此演繹出具有認(rèn)知意義的探究過程.

首先是對(duì)知識(shí)的認(rèn)知序思考：有效梳理與思辨學(xué)科現(xiàn)象的現(xiàn)象特征或?qū)傩约捌涑梢蚴切纬山馕鑫锢韺W(xué)科問題的認(rèn)知思路的重要切入點(diǎn).基于現(xiàn)象構(gòu)成元素的梳理、現(xiàn)象生成條件的把脈、現(xiàn)象內(nèi)涵的外化表征、現(xiàn)象本源的成因解析等，以此演繹出學(xué)科的知識(shí)性問題，即“是什么”“怎么樣”“為什么”：什么是彈簧彈力？彈簧彈力有什么規(guī)律？為什么形變會(huì)產(chǎn)生彈力？

最后根據(jù)上述對(duì)知識(shí)序與教學(xué)序的認(rèn)知梳理，形成了以問題鏈形式開展的課堂教學(xué)設(shè)計(jì).

1.3 主要認(rèn)知任務(wù)

認(rèn)知任務(wù)1：溫故知新(“是什么”)

認(rèn)知活動(dòng)：回顧彈力的定義與產(chǎn)生過程，作為后續(xù)認(rèn)知的起點(diǎn).

設(shè)問：(1)什么是彈力？

(2)彈力是怎么產(chǎn)生的？

(3)物體發(fā)生形變是否就一定存在彈力？

認(rèn)知任務(wù)2：現(xiàn)象成因剖析(“為什么”)

認(rèn)知活動(dòng)：透視學(xué)科現(xiàn)象的成因.

聽劉麗芳這么一說，歐陽鋒額頭上直冒虛汗，心想這下糟了，看來自己真的進(jìn)錯(cuò)了房門上錯(cuò)了床，只覺渾身燥得厲害。

設(shè)問：為什么彈性形變恢復(fù)原狀會(huì)產(chǎn)生彈力？

認(rèn)知任務(wù)3：現(xiàn)象屬性與特征梳理(“怎么樣”)

認(rèn)知活動(dòng)1：在思辨中形成認(rèn)知方略.

設(shè)問：(1)根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，同一彈性物體，形變?cè)酱?，產(chǎn)生的彈力越大.那么，彈力與形變之間存在怎樣的定量關(guān)系？

(2)生活中很多是微小形變，直接研究難度較大，先研究可以發(fā)生明顯形變的彈簧.你會(huì)如何利用彈簧研究彈力與形變大小的定量關(guān)系？

(3)需要測(cè)量什么物理量？如何測(cè)量？

認(rèn)知活動(dòng)2：策劃實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

(1)給定刻度尺、砝碼(50 g,10 g若干)、鐵架臺(tái)，根據(jù)給定的器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成測(cè)量.

(2)在數(shù)據(jù)處理過程中，你會(huì)如何尋找彈力與形變量的關(guān)系？

(3)你會(huì)如何進(jìn)行誤差分析？

認(rèn)知活動(dòng)3：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深度發(fā)掘.

設(shè)問：(1)圖像的斜率具有怎樣的物理意義？

(2)勁度系數(shù)κ與哪些因素有關(guān)？給定直徑、粗細(xì)、材質(zhì)不同的彈簧，請(qǐng)根據(jù)本節(jié)課所給的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尋找證據(jù)支持你的猜想.

認(rèn)知活動(dòng)4：理論聯(lián)系實(shí)際，布置單元探究任務(wù).

長(zhǎng)期單元探究任務(wù)：(1)以圖片形式展示火車、轎車、自行車中的減震彈簧，要求比較各彈簧的勁度系數(shù)，并尋找證據(jù)支持自己的觀點(diǎn)；

(2)調(diào)查生產(chǎn)生活中所用彈簧的形狀及使用目的，并制作展示海報(bào)；

(3)制作一個(gè)簡(jiǎn)易彈簧測(cè)力計(jì)，用胡克定律解釋其原理，并完成對(duì)生活中常見物體重力大小的測(cè)量，形成探究報(bào)告；

(4)嘗試設(shè)計(jì)其他的實(shí)驗(yàn)方案探究該課題，對(duì)比各種方案的優(yōu)劣之處，形成一份演講稿，用PPT形式展示.

2 深度備課的提出 追溯本源 增強(qiáng)底蘊(yùn) 厚積迸發(fā)

教師本體性知識(shí)要強(qiáng)化，這是將真實(shí)的科學(xué)探究注入物理課程，是真正開始教物理的必要前提之一.

作為一線教師，我們?cè)趯W(xué)生時(shí)代學(xué)習(xí)了物理學(xué)知識(shí)，但隨著科技的發(fā)展，人類對(duì)自然現(xiàn)象的本質(zhì)有了進(jìn)一步的深入研究，原有的不少概念如今被修正了，由此就要求教師腦海中原有的學(xué)科本體知識(shí)需要與時(shí)俱進(jìn)地更新，一來避免出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，二來能讓深度的物理學(xué)習(xí)在課堂中發(fā)生.

在本節(jié)課備課過程中，按照桑老師和周老師的要求，前期查閱了與所講授知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的學(xué)科本質(zhì)知識(shí)，比如明確 “彈力是怎么產(chǎn)生的”以及“彈力的成因”是兩個(gè)不同的學(xué)科問題，前者是“彈性物體恢復(fù)原狀產(chǎn)生的力”(表象)，后者是“分子間的電磁作用力”(本質(zhì))，兩者是不能混淆的，否則會(huì)出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤.這就要求教師在講授彈力、摩擦力等宏觀作用力前，要能從其微觀本質(zhì)機(jī)理(電磁相互作用力)的角度進(jìn)行深度備課.而為了學(xué)生能夠接受，由此生成的教學(xué)內(nèi)容則要能“輕輕放下”，即根據(jù)學(xué)生的程度，適度點(diǎn)擊現(xiàn)象本質(zhì)，但不用過度展開，這樣既可以避免由于學(xué)生學(xué)科本體知識(shí)不足導(dǎo)致的聽課困難，又能讓學(xué)生對(duì)學(xué)科本體性知識(shí)有一定深度的了解.

除了對(duì)學(xué)科本體知識(shí)的把握以外，教師對(duì)知識(shí)的特征也要有清晰的認(rèn)知.胡克定律屬于較為典型的“經(jīng)驗(yàn)性現(xiàn)象規(guī)律類知識(shí)(側(cè)重是什么、怎么樣)”，與“哲學(xué)層面的概念抽象，微觀解釋類知識(shí)”(側(cè)重為什么)的物理結(jié)論有所不同(前者偏工程學(xué)視角，后者偏理論物理學(xué)范疇).如果能明晰知識(shí)的特征，在教學(xué)中才能對(duì)相應(yīng)的結(jié)論分類處理，并選擇合適的教學(xué)方式，生成邏輯指向明確的課堂教學(xué).

倘若進(jìn)一步審視以胡克定律為代表的“現(xiàn)象→規(guī)律”的經(jīng)驗(yàn)型規(guī)律，往往容易只看到現(xiàn)象的表面，或者現(xiàn)象的部分，容易存在一定的片面性，屬于古典的科學(xué)研究方式，與近代的“理論推演→實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)研究認(rèn)知路徑存在差異，由此生成的課堂教學(xué)也會(huì)遇到一定的挑戰(zhàn).

比如在試講的誤差分析環(huán)節(jié)，遇到了學(xué)生作的F-x(彈簧彈力與形變量)圖像并不過坐標(biāo)原點(diǎn)，而且是呈現(xiàn)整體向上偏移的情況，一開始筆者簡(jiǎn)單地將其處理為“實(shí)驗(yàn)誤差”，查閱一些資料后也僅了解到“彈簧自重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響”，但這樣的簡(jiǎn)單處理其實(shí)犯了科學(xué)性的錯(cuò)誤.

經(jīng)過桑老師在備課階段的指導(dǎo)后，筆者才意識(shí)到：測(cè)量中的偶然誤差，根據(jù)誤差理論，偏大偏小的概率基本一致，因此，作圖后直線并不會(huì)出現(xiàn)向某一方向偏移的情況，而如果直線向某側(cè)整體偏移，說明是有其他干擾因素存在.

現(xiàn)實(shí)生活中的彈簧是有重量的，如果考慮形變過程中其質(zhì)心的移動(dòng)情況，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于懸掛鉤碼的施力點(diǎn)位于彈簧的下端，而力的作用點(diǎn)附近部分所發(fā)生的相對(duì)形變較大，導(dǎo)致彈簧上端被拉開的距離小，下方被拉開的距離大，造成彈簧質(zhì)量分布變化，因而在被向下拉長(zhǎng)的過程中，其質(zhì)心卻發(fā)生了上移，最終會(huì)出現(xiàn)測(cè)量圖像的整體偏移現(xiàn)象.當(dāng)年胡克也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，并考慮到了這個(gè)質(zhì)心移動(dòng)的因素，對(duì)此進(jìn)行了修正，最終才得到了正比的關(guān)系.

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，為了減小質(zhì)心偏移所產(chǎn)生的誤差，應(yīng)選擇質(zhì)量盡可能小的彈簧，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越小的彈簧獲得的圖像越接近正比，因而可以推論出，當(dāng)彈簧質(zhì)量為零，即是一根理想模型的輕彈簧時(shí)，會(huì)滿足正比關(guān)系.

對(duì)物理規(guī)律是如何獲得的，學(xué)生和教師都要能像科學(xué)家一樣地進(jìn)行思考.這就需要教師深諳學(xué)科知識(shí)探究的歷史，知道科學(xué)家們?cè)龅竭^的問題.這樣才能開拓自身學(xué)科視野，增厚學(xué)科底蘊(yùn)，在課堂上做到厚積而薄發(fā).此外，唯有教師真正地進(jìn)入了物理學(xué)探究的世界，面對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的各種問題，或者是有深度的提問時(shí)，才接得住，師生也有可能圍繞問題進(jìn)行深入的探討，讓真正的物理探究發(fā)生，否則只會(huì)因?yàn)榻處煴倔w性知識(shí)火候不到位，讓討論與探究都停留于現(xiàn)象的表層，看似進(jìn)行了探究，實(shí)則是“偽探究”.

此外，教師也應(yīng)意識(shí)到，現(xiàn)如今的學(xué)生能廣泛接觸到各種信息，其前期的學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備并非“一無所有”，所以，如何備學(xué)生，需要教師進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)，比如可以在準(zhǔn)備下一個(gè)階段的授課前，教師有意識(shí)地與學(xué)生進(jìn)行交流，了解他們對(duì)之后所要講授的學(xué)科知識(shí)的了解程度，有點(diǎn)“課前測(cè)”的意味，以此為學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)，再進(jìn)行備課.

3 課堂重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移 學(xué)生本位 注重生成 精巧設(shè)問

課堂教學(xué)質(zhì)量的觀察點(diǎn)并非僅僅停留在“教師講得怎樣”，更要關(guān)注學(xué)生回答的“質(zhì)量”.其中“質(zhì)”是指學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的外顯化行為表現(xiàn)——聽講神態(tài)(是否全神貫注、興趣盎然)、表述情況(是否邏輯清晰、用語規(guī)范精準(zhǔn))、付諸筆端(能否用學(xué)科語言流暢表達(dá)).“量”則體現(xiàn)在有多少學(xué)生能夠回答(是否能集體回答、課后班級(jí)作業(yè)反饋的情況).

與此同時(shí)就要適度弱化教師對(duì)課堂的主導(dǎo)地位，不過度關(guān)注教學(xué)框架，聚焦學(xué)生的生成性問題.課堂教學(xué)需要通過教師的引導(dǎo)完成知識(shí)的教學(xué)目標(biāo)，但不宜過“度”——只關(guān)注知識(shí)本身教學(xué)是否完成，而忽視學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題.教學(xué)的對(duì)象是學(xué)生，而不是知識(shí)，知識(shí)是培養(yǎng)學(xué)生的載體，建立概念的過程是橋梁，最終通向培養(yǎng)學(xué)生高階思維的彼岸.

這就需要教師將課堂教學(xué)關(guān)注點(diǎn)由知識(shí)轉(zhuǎn)移到學(xué)生，面對(duì)學(xué)生的回答，我們要做到真正在聽，并給予反饋和評(píng)價(jià).課堂教學(xué)中，當(dāng)教師提出問題，我們心中會(huì)有一個(gè)期望的答案，這時(shí)候，提問就像是在開彩票，有學(xué)生答對(duì)了，我們就中獎(jiǎng)了，因?yàn)檫@個(gè)期盼的答案可以讓課堂流程得以推進(jìn)，卻忽略了學(xué)生回答中出現(xiàn)的思維火花，尤其面對(duì)學(xué)生的回答并不是我們預(yù)設(shè)的答案(往往其中也有部分合理性)，我們就會(huì)選擇忽視，久而久之，學(xué)生會(huì)覺得無趣，因?yàn)榻處焹H關(guān)注自己需要的那個(gè)答案，并沒有關(guān)注自己的想法.有效的課堂對(duì)話，教師首先要做到用心聽其思維，學(xué)生的回答常常是不完整，但部分合理，這時(shí)候教師就要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)價(jià)處理：先“評(píng)”——回答好在哪里，不好在哪里；后“價(jià)”——進(jìn)行學(xué)科思維的引導(dǎo)，指明進(jìn)一步思辨的路徑.在師生、生生的思維互動(dòng)中，逐步達(dá)成共識(shí)，完成科學(xué)探究的過程，于每一次問答中潛移默化地提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).

教師應(yīng)該盡量少講，哪怕糾錯(cuò)的環(huán)節(jié)，也讓學(xué)生們相互指出.當(dāng)一位同學(xué)起身表達(dá)自己的觀點(diǎn)，其中有明顯的科學(xué)性問題時(shí)，教師不要急于下論斷“對(duì)”或“錯(cuò)”，可以讓其他同學(xué)來評(píng)價(jià)，通過生生之間的互動(dòng)來完成概念漏洞的填補(bǔ).充分經(jīng)歷元認(rèn)知中的反思環(huán)節(jié)，讓師生“一對(duì)一”的對(duì)話擴(kuò)容到“一對(duì)多”甚至“多對(duì)多”的范圍，放大課堂問答的范圍，提升效益度，讓盡可能多的同學(xué)在思維碰撞中獲益.與此同時(shí)，對(duì)于學(xué)生表述的不規(guī)范性，由于其他同學(xué)未必能準(zhǔn)確糾正，這個(gè)可以由教師來完成.

為了讓學(xué)生能充分地表達(dá)，課堂設(shè)問還要講究技巧，目標(biāo)要指向有效思維，避免錯(cuò)判斷式、填空式提問，多問：“怎么樣”“為什么”“怎么做”“你獲得結(jié)論的思維依據(jù)是什么”等能打開思維空間的問題.

比如教學(xué)初稿中的設(shè)問：

(1)物體發(fā)生形變，是否就一定存在彈力？

(2)彈力與形變有什么關(guān)系？

(3)什么是形變？

(4)什么是彈簧的彈力？

試講時(shí)學(xué)生回答過程中興趣度不大，甚至有同學(xué)自顧自地玩兒彈簧，不聽課.

公開課調(diào)整為:(1)彈力是怎么產(chǎn)生的？(2)人站在教室的地板上，我們并沒有觀察到地板形變，人與地板間卻有彈力存在.物體發(fā)生形變是否就一定存在彈力？(3)為什么彈性形變?cè)诨謴?fù)原狀的過程中會(huì)產(chǎn)生彈力？(4)根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，同一彈性物體，形變?cè)酱?，產(chǎn)生的彈力越大.那么，彈力與形變之間存在怎樣的定量關(guān)系？(5)你會(huì)如何利用彈簧研究彈力與形變大小的定量關(guān)系？(6)測(cè)量什么物理量？(7)如何測(cè)量？開課過程中，學(xué)生興趣度很高，爭(zhēng)先回答，原因是課堂設(shè)問恰當(dāng)， 學(xué)生的思維就被激活了，他們對(duì)問題感興趣，愿意表達(dá)，課堂氣氛熱烈.

4 結(jié)束語

每一次的公開課教學(xué)，都是自我挑戰(zhàn)與突破的契機(jī).在過程中遇到的一樁樁困難，實(shí)則昭示了一次次成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，我們可以借此反思原本習(xí)以為常的教學(xué)行為，促使自己洞悉未曾發(fā)現(xiàn)的問題，更能在經(jīng)驗(yàn)豐富的同儕指導(dǎo)下，覓得化解的良方.每解決一個(gè)問題，我們就會(huì)收獲專業(yè)的成長(zhǎng)與發(fā)展，進(jìn)而愈發(fā)理解教育教學(xué)的本質(zhì).在開設(shè)公開課后，并不意味著結(jié)束，反而是一個(gè)新的開始，我們可以把公開課里體悟到的教育教學(xué)理念、教學(xué)技巧融入家常課中，力求優(yōu)化后續(xù)的每一節(jié)物理課.而這也是公開課真正的目的，給教師以成長(zhǎng)的平臺(tái)，在不斷提升自我的過程中，讓學(xué)生收獲更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn).