超重和失重的教學(xué)設(shè)計(jì)

朱玉江

(海碼課堂 北京 100088)

(收稿日期：2018-01-19)

本文緣起于筆者聽的一節(jié)關(guān)于“超重和失重”的公開課，基于課堂對學(xué)生的觀察以及課后與教師的討論，對傳統(tǒng)超失重的教學(xué)產(chǎn)生“意猶未盡”之感，于是結(jié)合“素養(yǎng)教學(xué)”這一新的教育理念，談?wù)剬Α俺睾褪е亍苯虒W(xué)方法的個人觀點(diǎn)和改進(jìn)建議．

超重和失重是生活中常見的現(xiàn)象，通過超重和失重的教學(xué)，可以加深同學(xué)們對牛頓運(yùn)動定律的理解，提升動力學(xué)分析的水平，培養(yǎng)用物理知識解決現(xiàn)實(shí)問題的能力．

一般的教學(xué)思路如圖1所示.

圖1 一般教學(xué)思路

其中厘清“視重”和“實(shí)重”的概念是解釋“超失重”現(xiàn)象的前提， 然而一般在教學(xué)中，我們急于給學(xué)生“視重”和“實(shí)重”的概念，對概念的形成沒有進(jìn)一步闡釋，導(dǎo)致學(xué)生難以突破“體重計(jì)測體重”這一感性認(rèn)識的“藩籬”，其實(shí)“視重”和“實(shí)重”是有著具體問題情境的，那就是“體重計(jì)到底測的是什么力？”通過觀點(diǎn)、討論和探究可以讓學(xué)生形成“體重計(jì)測量的是物體對它的壓力”這一正確的物理觀點(diǎn)，然而“壓力有時候等于重力”這是由于相互作用以及二力平衡得到的結(jié)果，這時候我們可以進(jìn)一步提出“A是B”與“A等于B”在科學(xué)思維中是兩個不同的含義．于是在這個教學(xué)環(huán)節(jié)我們的收獲是一個新的“物理觀點(diǎn)”以及支持這個觀點(diǎn)的“科學(xué)思維”．從而讓學(xué)生擺脫“感性藩籬”進(jìn)入到分析和思辨的“物理狀態(tài)”，為接下來規(guī)律探究打下有效的情景認(rèn)知基礎(chǔ)．

在“探究超失重的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)”這個環(huán)節(jié)，常用的教學(xué)活動是讓學(xué)生在體重計(jì)上做蹲起，或者事先讓學(xué)生在電梯中觀察體重計(jì)的變化，還有用彈簧測力計(jì)上拉重物觀察測力計(jì)示數(shù)的變化；也有做的精細(xì)點(diǎn)的，用力傳感器上拉重物，電腦上采集出拉力和時間的圖像，分析圖像得到規(guī)律，等等．然而這些實(shí)驗(yàn)素材都有一個缺憾，就是所展現(xiàn)的均是復(fù)雜的多過程運(yùn)動，給學(xué)生的分析添加了不必要的負(fù)擔(dān)．而我們大都選用這些素材也許是陷入了一種“就事論事”的怪圈——生活中的超失重是什么我們就選什么素材，然而物理是源于生活又高于生活的一門科學(xué)，我們有必要的對實(shí)驗(yàn)素材進(jìn)行提煉和加工，降低分析的難度讓更多的學(xué)生能夠拾階而上．

基于以上兩點(diǎn)的討論，我們可以把超重和失重的教學(xué)分為兩個大的教學(xué)環(huán)節(jié)．

圖2 環(huán)節(jié)一

在環(huán)節(jié)一中，先提出“體重計(jì)到底測的是什么力？”課堂進(jìn)入討論和探究，在最后實(shí)證階段，教師可以把平板體重計(jì)貼著墻豎直放置，用手給體重計(jì)壓力，觀察讀數(shù)隨壓力變化的現(xiàn)象，從而論證“體重計(jì)測量的是物體對其壓力”，順勢拋出“彈簧測力計(jì)測的是什么力”，綜合體重計(jì)和彈簧測力計(jì)的測量本質(zhì)，總結(jié)得出“測量儀器測物體重力時顯示的讀數(shù)(視重)其本質(zhì)是測量儀器受到的壓力或拉力”與物體的“實(shí)際重力”是不一樣的兩個力．輔以受力分析形象展示，再進(jìn)一步說明，當(dāng)物體處于平衡狀態(tài)時，“視重”的反作用力與重力是一對平衡力，此時“視重”與“實(shí)重”等大，這就是測體重時需要我們站定不動的原因．如果我們在體重計(jì)上蹲起，或者用彈簧測力計(jì)上拉物體的過程中，會發(fā)現(xiàn)“視重”和“實(shí)重”不等的現(xiàn)象，如果把“重物”換成“人”，測量儀器換成“電梯地板、汽車座、秋千座”我們在某些情況下會有感覺到自己變沉或變輕，回歸到生活體驗(yàn)，引出“超重和失重”的定義．

在這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中，先提出“測的是什么”這一物理原始問題，通過課堂活動支持學(xué)生從論證探究的過程中突破模糊的前認(rèn)知，由“體重計(jì)測重力”發(fā)展到“體重計(jì)測壓力”，從而使學(xué)生的思維從特殊發(fā)展到了一般，從粗糙上升到了精致，從感性進(jìn)入到了理性．

圖3 環(huán)節(jié)二

在第二個教學(xué)環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究超失重的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)，所述的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，增加了一個運(yùn)動狀態(tài)的分類，運(yùn)動狀態(tài)的分類有兩個教學(xué)功能：

(1)強(qiáng)化運(yùn)動過程的區(qū)分與認(rèn)識，為接下來復(fù)雜過程的分析打下基礎(chǔ)；

(2)運(yùn)動的分類為實(shí)驗(yàn)探究提供情景支撐，在往常的超重和失重的課堂中，學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)往往是一個復(fù)雜的運(yùn)動過程，而把運(yùn)動進(jìn)行分類給實(shí)驗(yàn)探究解構(gòu)出多個情景維度降低了實(shí)驗(yàn)觀察的難度．

在實(shí)際教學(xué)中，可以通過以下的裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種勻速與勻變速的運(yùn)動情景，如圖4所示．

圖4

圖4(a)所示的勻速運(yùn)動裝置，是通過傳送帶勻速帶動木塊實(shí)現(xiàn)重物鉤碼的勻速向上或向下運(yùn)動．

圖4(b)所示的向下勻變速裝置，是通過改變接觸面的粗糙程度進(jìn)而改變系統(tǒng)的運(yùn)動阻力，實(shí)現(xiàn)重物鉤碼先勻加速后勻減速向下運(yùn)動．

圖4(c)所示的向上勻變速裝置，原理同(2)．

在具體實(shí)驗(yàn)操作中也可以通過增加木塊的配重實(shí)現(xiàn)勻加速到勻減速的運(yùn)動變化，若有條件把彈簧測力計(jì)改成力學(xué)傳感器效果更佳．

以上所述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，把生活中超失重相關(guān)的復(fù)雜運(yùn)動解構(gòu)成幾個運(yùn)動模型，在每一個模型中設(shè)計(jì)足夠的觀察空間，方便實(shí)驗(yàn)信息的搜集，再結(jié)合配套的實(shí)驗(yàn)表格，分析總結(jié)得出“超失重情況下物體的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)”．當(dāng)然在具體教學(xué)中不一定所有運(yùn)動狀態(tài)都要探究，可以依據(jù)學(xué)情，適當(dāng)擇選，探究的同時思考“為什么會這樣？”，從而引導(dǎo)出超失重的“牛頓第二定律解釋”，使教學(xué)以情至理、情理交融．這時候再讓學(xué)生分析體重計(jì)上蹲起時的示數(shù)變化，或者乘電梯的超失重感受，基于前期受力和運(yùn)動分析的準(zhǔn)備，兼之實(shí)驗(yàn)探究的收獲，在表述上應(yīng)該會有很大改觀．

至此“超重和失重”的教學(xué)從“現(xiàn)象”到“探究”再到“解釋”，完成了一個完整的學(xué)習(xí)的閉環(huán)．

初中、高中、大學(xué)不同學(xué)段，物理的學(xué)習(xí)主題沒有太大變化，但是物理學(xué)習(xí)的視角卻逐漸由表象到規(guī)律，由整體到細(xì)節(jié)，由傳統(tǒng)到前沿.學(xué)習(xí)深入的同時，新的觀點(diǎn)也在不斷形成，于是我們可以說物理學(xué)習(xí)的過程就是建立物理觀點(diǎn)的過程.在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，物理課堂急于給出觀點(diǎn)，更多精力落在做題，通過做題反過來強(qiáng)化對觀點(diǎn)的認(rèn)識.在這種本末倒置的學(xué)習(xí)方式使學(xué)習(xí)過程毫無樂趣可言，更存在一大堆問題.就像一些學(xué)者提出的：“重結(jié)論，輕過程”、“重定量計(jì)算，輕定性分析”、“重理論，輕實(shí)驗(yàn)”“重邏輯思路，輕形象思維”、“重學(xué)科知識，輕聯(lián)系實(shí)際”，產(chǎn)生這些問題的根本原因就是“物理觀點(diǎn)”的形成過程缺乏有效的探究活動．學(xué)習(xí)沒有第一時間“解惑”，而能歷經(jīng)書山題海之后“豁然開朗”的畢竟只是少數(shù)，更多學(xué)生成為了物理課堂的“局外人”．

“傳道”源于“授業(yè)”，“授業(yè)”始于“解惑”，探究式教學(xué)就是開啟了物理學(xué)習(xí)的解惑之旅，通過創(chuàng)設(shè)“問題情境”，使學(xué)生有“迷”有“思”，在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)行問題的探究，進(jìn)而使學(xué)生破迷開悟，這樣學(xué)生參與了觀點(diǎn)的形成，教師支持了觀點(diǎn)的形成．學(xué)生在問題探究中汲取了成長的養(yǎng)分，可以說探究式教學(xué)使物理學(xué)科更接近物理科學(xué)．