基于前概念轉變的“超重與失重”教學探討

李希凡

1 引言

現行上海市第2期課改基礎教材中并無超重與失重的獨立章節，只在滬科版教材高一第1學期第3章D節“牛頓運動定律應用”中以例題形式出現.但超失重現象在生活中較為常見，學生體驗也較多，在具有感性經驗的同時也存在一些錯誤前概念.本節課的設計正是基于這些前概念，針對性地設計了學習活動，幫助學生將正確的感性經驗上升為科學知識，同時暴露并糾正部分“力與運動關系”的錯誤觀念.

2 前概念預判

根據文獻搜索與學生經驗，學生對超失重現象可能持有的前概念主要有3條：（1）物體的重量隨運動情況變化而變化；（2）物體是超重還是失重由速度方向決定；（3）物體超失重的程度由速度大小決定.

前概念（1）源于生活中經歷的超失重現象（如乘坐電梯和游樂機等），在經典力學范圍內是不正確的，但這些感性認識為學生理解超失重提供了基礎.（2）和（3）是混淆力與運動關系的結果，雖然學生已經學習過牛頓定律，但生活經驗的影響深刻而持久.學生在認識新現象時，有可能再次出現混淆的情況.

針對這3條前概念，本節課通過3個教學活動分別予以突破（以下以“師”與“生”分別表示教師與學生的活動）.

3 教學活動設計

3.1 創設情境，引入概念

生：2名學生分別提1.5L飲用水和抱4L飲用水從椅子上跳下，并交流感受.

師：提出問題“大家是否也感受過類似的物體變輕變重的現象？”

生：舉例各種生活現象.

師：提出“超重”與“失重”的概念.

探討：上述跳下過程中，2位學生分別感受到了物體的重量“變重”和“變輕”的情況.從安全角度考慮，下落高度有限，所以同時感受到加速階段的失重和減速階段的超重確實較為困難，但是2位學生的不完全感受仍然激發了全班學生的學習熱情.在生活現象認識的基礎上，通過回顧重力概念，明確物體重力并未發生變化.為了減少不必要的概念混淆，此處并未提出“視重”概念.

3.2 實驗探究1：超失重與加速度方向的關系

師：提出問題“物體在什么情況下發生超重或失重現象？”

生：4人為1組，利用彈簧測力計和鉤碼演示出超失重現象，提出猜想，并全班交流.

師：借助DIS力傳感器和鉤碼，演示超失重現象，用計算機顯示力隨時間變化的圖線.

生：記錄鉤碼相應的超失重狀態、速度方向、運動情況和加速度方向（記錄表格如表1所示）.

表1

師：提出問題“從記錄表格中可以歸納出什么結論？與大家的猜想是否一致？”

生：歸納結論“物體具有向上加速度時超重，具有向下加速度時失重.”

探討：這是一個探究過程，實驗探究以教師實驗展開，學生的任務是完成現象記錄和歸納結論.科學探究包含多個過程，但考慮到本環節的教學目標主要不是培養學生的實驗能力，而是通過認知沖突的形成與解決突破力與運動關系的錯誤前概念，故將學生活動重點放在現象觀察和結論歸納2個環節上.

學生通過現場感性體驗提出了猜想，多數學生認為“超重與失重分別發生在物體上升和下落時”，說明教師的預設是有效的.帶著這樣的預期，學生對實驗結果的關注度將提升，進入準備狀態，而當圖線顯示上升（下落）過程中同時包含超重與失重現象時，認知沖突形成，而接下來的歸納就是沖突解決的過程.

教師引導方面，在記錄數據過程中，第1組數據的記錄在教師引導下完成，后3組數據由學生獨立完成.在歸納結論過程中，以小組內和組間交流為主，教師在得出結論的過程中引導學生如何歸納，即根據猜想，將有相同條件的（超重或失重）的數據圈劃出來歸為一類，并以最簡潔的語言表述（如將4種運動狀態轉化為加速度方向）.

3.3 實驗探究2：超失重與加速度大小的關系

師：列舉電梯和跳樓機中的失重現象以及差別，提出問題“物體失重的程度與什么有關？”

生：猜想“與加速度大小有關”.

師：提出問題“如何驗證猜想？”

生：理論分析和實驗驗證.

師：利用圖1所示的裝置進行演示實驗，裝置中設有雙層軌道，2輛小車各裝有1個力傳感器，力傳感器通過細線與2個相同的鉤碼相連，小車上裝有不同數量的配重片.由同位置同時靜止釋放2輛小車，計算機記錄下2車上力傳感器讀數隨時間的變化圖線（如圖2所示）.

圖1

圖2

從圖中可以看出，由于鉤碼重力大小相等，兩輛小車釋放前，拉力讀數相等.釋放后，小車與鉤碼間的拉力均減小，兩個鉤碼均出現失重現象，但拉力減小量不同.根據鉤碼運動快慢的觀察，可歸納結論“加速度大的物體失重程度大”，并將結論推廣到超重現象.

生：對物體做受力分析，利用牛頓定律找出超失重程度與加速度大小的定量關系.

探討：進行超失重教學時，一般在得出超失重產生條件后，會直接讓學生通過對物體受力分析并運用牛頓定律得到拉力（支持力）與加速度的關系，通過對結果的分析得出完全失重現象的存在.這樣做并無不妥，但容易在學生的認知框架中形成兩個相互獨立的知識體系，一個屬于課堂，一個屬于生活，當面對陌生問題時，前者可能被后者取代，正如學生的猜想一般.上述實驗通過圖像表征形象展示了加速度不同的2個物體（鉤碼）失重程度的差別，有利于學生在感性認識和理性知識之間架設橋梁.

同時，實驗裝置變形于探究牛頓第二定律的實驗裝置，學生并不陌生，對于小車和鉤碼的運動狀態的判斷及2個鉤碼加速度大小的比較都較熟練，并未給現象觀察增加不必要的障礙，這也是選擇通過這一方式展現圖線的理由.此外，還能額外地促使學生對實驗中繩的拉力等于鉤碼重力的說法展開深入的思考.

3.4 現象演示：自由落下物體的完全失重

生：分析超失重程度與加速度大小的定量關系，發現完全失重現象.

師：在力傳感器下懸掛鉤碼使兩者自由落體，獲得鉤碼完全失重的力圖線.再將力傳感器與1.5L飲用水瓶拉環相連，跳起后落下，力隨時間的變化圖線中有一段顯示出完全失重現象（如圖3所示）.

圖3

探討：通過理論推導容易得出“自由落體的物體完全失重”的結論，教師用鉤碼進行簡單演示后，并未結束.緊接著還原課開始時學生的體驗過程，將其用實驗方式呈現，讓學生體會到失重現象無處不在，聯接生活與物理.在實驗操作時，為了使完全失重的圖線更明顯，選擇原地跳起，并應盡量跳得高一些.

4 總結與反思

上述超失重教學設計在4個班級教學過程中，大部分與預設相一致，表明學生擁有的前概念確實具有共性，從課堂學生反映來說，學生在超失重產生條件的觀察和歸納過程中投入度較高，當實驗結果與猜想不一致時有驚訝的反應；對失重程度與加速度關系的實驗結果和完全失重的演示也表示出高度興趣并發出驚嘆，這說明實驗的設置對于激發學生的學習興趣和突破錯誤前概念都有較大幫助.

同時也應注意到，在猜想過程中，個別學生給出的猜想直接與加速度有關，追問后發現他直接從理論分析的角度進行討論，這種思路也是可取的.所以前概念的預設并不適用于所有學生，而當實踐中遇到“例外”時，對旁支斜出的完全忽略或壓制都是不可取的.鼓勵學生發出不同的聲音，尋求課堂預設與生成的平衡，也是前概念轉變教學的重要課題，值得不斷思考與改進.

1 上海市教育委員會.上海市中小學自然科學學習領域課程指導綱要［M］.上海：上海教育出版社，2004.

2 蔡鐵權，姜旭英，胡玫.概念轉變的科學教學［M］.上海：教育科學出版社，2009.

3 卞志榮.物理概念教學的策略研究［J］.物理教學，2013（11）：12－14.

4 Tytler R，PrainA V.Framework for Re-thinking Learning in Science from Recent Cognitive Science Perspectives［J］.European Journal of Science Education，2010，32（15）：2055－2078.