踐行“知行合一”的課堂教學

呂聲康

摘 要：高一學生剛接觸高中物理，對課本介紹知識懷有濃厚的興趣，本文闡述一節公開課的準備、完成教學及課后反思總結，提出課堂教學應結合學生的認知情況、應以學生感興趣的問題為教學目標，并探討課堂實驗的實施方式及效果。

關鍵詞：高中物理；課堂教學；超重和失重；物理實驗

引言

在2016年12月初福州一中舉辦的公開周中，筆者上了一節高一《超重與失重》的公開課，課后感觸頗多，本文拋磚引玉，淺談對本節公開課的一些感想和反思。

1 教材分析

《超重與失重》這部分內容，在《考試大綱》中為I級要求，僅要求學生了解。魯科版教材中將其單獨撰寫一節，魯科版的教師用書中對這節課的教學要求是“①通過實驗認識超重和失重現象，知道超重和失重現象產生的條件；②知道超重和失重分別是指物體對支持面的壓力或對懸繩的拉力大于和小于物體所受重力的情況” [1 ]，教材對學生要求也不高。在人教版教材中，“超重與失重”未單獨成節，只是在牛頓第二定律解決實際問題中以例題的形式加以體現。對比人教版和魯科版兩個版本的教材可以發現，超重和失重現象的提出，更多是為了拓展牛頓第二定律的應用，因此，如何讓學生更好的認識超重和失重現象，如何讓學生體會并理解生活中的超失重現象，強化物理與生活的聯系，這便是本節教學的重點。

2 教學過程簡介

2.1 問題引入

筆者先從兩段視頻讓學生知道超失重現象在實際中是經常涉及的，第一段視頻為《盜夢空間》電影中的一段，影片中呈現了當汽車從大橋上沖下做落體運動時，沉睡在車上的演員在夢境中處于漂浮狀態，即影片中演員所說的“零重力”狀態；第二段視頻為記者對楊利偉同志的采訪，楊利偉同志在敘說返回艙返回時，宇航員會有較長的時間處于“過載”。通過這兩段視頻提出什么是“零重力”？什么是“過載”？接著從生活中常見的稱體重出發，邀請一位同學上講臺測量他的“質量”（實際為重力），當同學靜止在體重秤上時，讀數是穩定的；但該同學在下蹲的過程中時，體重秤指針在不斷晃動，讀數不穩定，這說明體重秤對人的支持力并不一定和人的重力相等，進而提出問題：體重秤的讀數和人的重力之間到底有什么樣的關系呢？

為具體探討體重秤讀數和人重力間關系，因稱體重的實驗精度不足，從體重秤中很難觀察出體重秤讀數的具體變化情況，于是引出用更精確的儀器來測量：用力傳感器代替體重秤，用一鉤碼代表該同學，用力傳感器拉著鉤碼下降即相當于人下蹲的過程，由此可得到如圖1所示力傳感器上拉力的變化情況。通過對該圖象的分析，引出超重和失重的概念，并歸納出何時支持力（或拉力）大于重力——超重現象，何時支持力（或拉力）小于重力——失重現象。在此前提下，探討超重、失重現象的應用，解釋“零重力”、“過載”問題。

2.2 現象解釋及超失重在實際中的應用舉例

2.2.1 過載：如圖2，在返回艙減速下降時，若有宇航員在練習舉重，宇航員對杠鈴的支持力和杠鈴重力的關系如何？根據牛頓第二定律可知FN=mg+ma，即處于超重狀態時，支持力大于重力。若向下的加速度a=4g，可知FN=5mg，宇航員對杠鈴的支持力為杠鈴重力的5倍。

延伸：宇航員的頸椎對腦袋的支持力和腦袋的重力關系如何？

結論：當飛船有向上加速度時，人體內部各器官間在豎直方向上的相互作用力較在地面上處于平衡時大——過載。因而在宇航員乘坐火箭升空過程或返回艙返回時，宇航員為確保安全，應以躺姿躺在駕駛艙內座椅上。（展示宇航員躺在駕駛艙內的圖片）

2.2.2 零重力：如圖3，以在加速下降的電梯內舉重運動員舉重為例來探討。

問題：若電梯向下的加速度不斷增大，人對杠鈴的支持力如何變化？

歸納：由牛頓第二定律可知：FN=mg-ma

當a

當a=g 時，FN=0， 完全失重狀態

零重力：當物體有向下的加速度a=g時，物體處于完全失重狀態，此時物體間雖有接觸，但彼此間的相互作用力為零，如坐在椅子上的人對椅子的壓力為零，此時，抽去椅子對人無影響，即人可漂浮在空中。

延伸：在完全失重情況下，（1）彈簧秤測量物體的重力，讀數為多少？——實驗展示所測重力為零；（2）懸浮在液體內部的物體所受的液體浮力多大？——理論推導后視頻展示自由下落的水瓶內水不從下方的小孔噴出。

2.3 課外延伸閱讀思考——學科滲透，激發興趣

（1）在完全失重情況下，火焰能持續燃燒嗎？燃燒時火焰是什么形狀？

（2）完全失重狀態對植物生長有何影響？

（3）完全失重狀態對細胞的分裂有影響嗎？

3 課后反思

3.1 興趣——求知的“催化劑”

物理來源于生活，服務于社會，檢驗學生對牛頓第二定律在超重與失重現象中應用熟練程度的最好方法，即讓學生將該部分知識投入到應用中，學生對這部分內容最感興趣的“點”是什么呢？為此，筆者在網絡上搜索統計關于“超重和失重”問題，絕大多數的疑問集中在完全失重上，如宇航員為何可以漂浮在空中？完全失重時水為何為球形？完全失重時火焰能繼續燃燒嗎？……這與我國宇航員在完全失重情形下進行的太空授課深入人心有關，但也折射出大多數人對完全失重及由此引發的問題的莫大興趣。成功的課堂教學就應最大程度的解決學生最感興趣的某些問題。《超重與失重》這節課，便以學生最感興趣的完全失重作為切入點，深入淺出的闡述超重與失重的原理，在成功解釋完全失重問題的同時，一并示范解決問題的一般思路，同時提高學生對物理學習的興趣，效果相當不錯。

3.2 實驗——理論聯系實際的“試金石”

物理課堂離不開實驗，對課堂實驗的思考主要有以下幾個方面。

3.2.1 演示實驗與學生分組實驗

在公開課教學中較多教師喜歡學生分組實驗，這樣學生的參與度高，也易調動學生學習的積極性和培養學生的探知精神，但這并不意味著演示實驗就達不到這樣的效果。對《超重與失重》這節課，魯科版教材中提出一個學生分組實驗：彈簧測力計拉著物體上升或下降時，觀察彈簧測力計示數的變化及與物體重力的關系。從課堂實際效果而言，學生參與興趣很高，但因物塊加速或減速時間過短，且是在運動過程中觀察示數，大多數學生沒有觀察到較明顯的示數大于或小于重力的情況，效果并不太好。較這分組實驗，若在課堂中利用力傳感器將讀數隨時間變化曲線實時做出，雖沒有讓學生實際參與該操作過程，但每個學生都能清晰的觀察到何種情況下懸繩對物體的拉力大于重力，何時拉力小于重力，學生以此能投入到有效的思考當中，效果更突出。因而在課堂教學中，教師應思考的是，課堂實驗讓學生參與的目的何在？分組實驗是要體現“學生參與”這個形式嗎？答案是否定的！無論是演示實驗還是參與實驗，重點應在培養學生實驗的意識，并能對實驗所得結果進行思考。實驗現象能引發學生思考和分析，那無論何種形式，應該都是成功的。

3.3.2 實驗精度問題

實驗的目的就是在人為制造的條件下，通過實驗測量讓學生更好的理解事物的規律和現象的本質，那是否意味著精度越高，學生對物理的認知就更好呢？在驗證或探究型實驗中，如驗證平行四邊形定則，探究合外力、質量、加速度三者間的關系等實驗中，筆者認為實驗精度越高越有說服力，越能讓學生感受到物理規律的客觀基礎，如驗證平行四邊形實驗中，使用傳統的彈簧測力計測量分力與實際合力，以此數據作圖，大多數同學所得理論合力與實際合力在大小和方向上有較大的偏差，在這種情況下，教師不得不強調說“更精確的實驗表明”，這顯然缺乏說服力！此時若采用精度更高的儀器來進行驗證，如利用力傳感器測量力，更精確的測定力的方向等，對驗證平行四邊形定則而言，效果更佳。但在探討某些物理現象時，單一的精度高的實驗的教學效果并不一定能讓人滿意。如《超重與失重》內容的教學中，若僅用力傳感器演示拉力大于或小于重力情況，學生不能很好地將超失重情況與實際生活相聯系。若在課堂上能展示兩種不同精度的實驗，精度較低的實際生活現象的課堂演示用以認識現象，精度高的模擬實際現象的實驗用以探究現象，這樣的效果反而更為明顯、更能激發學生學習的激情。因而在本節課中，筆者利用最常見的體重秤測體重，當站在體重秤上的同學下蹲時，發現體重秤的讀數不穩定，利用這一現象引發探討，在這個實際生活的例子中，并不能很好的觀察到體重秤的讀數如何變化，僅能觀察到指針晃動，但由此引發學生探知興趣：體重秤的讀數具體是如何變化的？為何人下蹲時體重秤讀數會不穩定？……為解決這些問題，再使用更精確的儀器設備，如用力傳感器上掛一鉤碼來模擬測體重的過程，由此得出清晰的鉤碼下降或上

升時傳感器示數隨時間變化的曲線。這樣的設計，既讓學生觀察現象，又讓學生體驗建模過程，提供分析現象所需的數據，效果相當顯著。

3.3.3 為分析現象而設計的“假想”實驗

實驗是否一定要現場演示？筆者認為，在具體解釋某些現象時，課堂上并不一定要呈現實際的演示實驗，甚至有些實驗在課堂上是無法展示的，此時，可利用教師設計的、能激發學生思考熱情的“假想”實驗。如《超重與失重》課程中解釋“過載”現象時，教師無法讓學生清晰體驗過載時的感覺，即使做實際實驗，也只是利用模型讓學生“看到”物體處于“過載”當中，但學生缺乏體驗。為更好的解決這個問題，筆者設計了返回艙或電梯中人舉重的情景，如圖4，當返回艙返回地球做減速運動時，通過分析可知人對杠鈴的支持力大于杠鈴的重力，繼而問，若將杠鈴扛在肩膀上呢？學生很容易的出肩膀對杠鈴的支持力仍大于其重力；再設問，若運動員沒有扛杠鈴，直立在返回艙中，會有什么感覺？……通過不斷設置問題進行分析，學生對于過載進行了思想上的體驗，對“火箭升空或返回地球時宇航員是躺在艙中”這一現象便能理解。本節課中，教師設計的模型雖不是具體的實驗，但模型在解釋問題的本質上與實際的實驗是具有等同的效果的。

蓋瑞·祖卡夫在他的《像物理學家一樣思考》書中說，拼音“wuli”中用不同的“wu”接相同的“理”，可以是“無理”，也可以是“悟理”，還可以是“吾理” [2 ]。筆者覺得，一節課若能讓學生對某一現象的認知，從課前認為“無理”，到課堂上開始“悟理”，進而在課后轉化為“吾理”，那無疑是相當成功的，那就是一節真正的“物理”課。

參考文獻：

[1]中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理1（必修）教師用書（第4版）[M].濟南：山東科技出版社，2010：104.

[2][美]蓋瑞·祖卡夫.像物理學家一樣思考[M].海口：海南出版社，2011：6-7.