中學物理“思維型”課堂中概念教學探討①
——以“超重與失重”教學為例

(安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002)

物理概念的教學在物理課堂中占有舉足輕重的位置,是培養學生學科核心素養的重要途徑。“思維型”課堂以學生主動思維為主要特點,注重培養創新能力。筆者嘗試將“思維型”課堂的基本思想運用到物理課堂教學中,以達成物理課程目標。

1 “思維型”課堂教學簡介

“思維型”課堂是以皮亞杰的認知發展理論、建構主義教學理論、學習科學為指導,以林崇德的思維結構“三維”模型以及多年的教學實踐研究為基礎,根據林崇德、胡衛平提出的課堂教學理論,主要以認知沖突、自主建構、應用遷移、思維監控為主要原理,強調引導學生產生積極主動的思維活動,培養創新思維能力。

2 “超重與失重”教學分析與流程

2.1 教學任務分析

“超重與失重”選自滬科教版《物理 共同必修1》第五章第五節,要求把握超重與失重的定義、本質和產生條件,將受力分析與牛頓運動定律運用于實際生活，并做出分析,了解物理與生活的密切聯系。

2.2 學習心理分析

學生對于超重與失重的認識來源于生活中的感受,不免對其有錯誤的前概念,需要幫助其實現概念轉變。學生經由兩年的物理學習,已初步具有科學思維、實驗探討能力,正處于培養發散性思維階段,不再滿足于灌輸式教學,本節由演示實驗與學生探究實驗構成,一步步探究得到本質性認識。

2.3 教學流程

根據“思維型”課堂的基本原理和上述教學任務及學習心理分析，筆者設計了“超重與失重”一節的教學流程(如下表)。

教師活動教學環節學生活動演示磁鐵吸附實驗、杯吞鉤碼實驗,創建情境,提出問題,引出超重與失重現象,啟發思維。演示實驗設疑激趣引入概念產生學習興趣和探究欲望,充分發揮想象,開啟思維,迅速參與到課堂教學中來。引導學生實驗探究,發生認知沖突,自主改正錯誤前概念,建構正確概念。進行猜想實驗探討建構概念大膽猜測,利用發散性思維,實驗過程做到動手、動腦、動筆、動口,自主糾正錯誤前概念,建立正確概念。聯系生活經驗與科技發展,將習得的知識、本領遷移到新的情境中,培養剖析問題和解決問題的本領,深化、活化新知。課堂練習拓展新知運用概念提升思維的發散能力,將新習得的知識遷移到新情境中,做到深化、活化新知。指導學生回顧整堂課的思維過程,就思維策略、方式、原則及注意事項進行交流、互評、反思。師生交流課堂互評反思小結回顧反思本節課的思維過程、思維誤區及解決策略,掌握本節課的思維策略、方法與運用原則。

3 “思維型”課堂基本原理在“超重與失重”教學中的應用

3.1 運用演示實驗,創設問題情境,啟動思維,引入概念

好的教學引入能引發期待效應,使學生迅速參與到課堂中來,“思維型”課堂一般通過問題啟動思維,創設概念建立的教學情境。本環節通過演示實驗,探究現象,培養學生的實驗能力與思維發散性。

片段一:演示磁鐵吸附實驗,創設情境，提出問題,引出失重現象

師(演示實驗):如圖1所示，將用棍子穿起的兩個分開一段距離的異性環形磁鐵用繩吊在支架上,裝置靜止、勻速上升或下降、加速上升(排除抖動影響)時兩環形磁鐵都未吸附,裝置加速下降時,磁鐵在運動過程中出現吸附。

圖1

師:加速下降過程中發生了什么改變?

提示:磁鐵無法吸附是由于小棍與磁鐵間存在摩擦力,摩擦力與磁鐵對小棍的壓力有關。

生:可能在加速下降過程中，磁鐵對小棍的壓力減小了。

片段二:演示杯吞鉤碼實驗,創設情境，提出問題,引出超重現象

師(演示實驗):如圖2所示，將鉤碼放置在由薄紙封口的玻璃杯上,當裝置靜置、勻速上升或下降、加速下降時(排除抖動影響)，鉤碼不能突破薄紙掉入杯中,當裝置加速上升時,鉤碼掉入杯中。

圖2

師:加速上升過程中發生了什么改變?

提示：鉤碼對薄紙的壓力超過薄紙的承受能力,鉤碼會掉入杯中。

生:可能在加速上升過程中，鉤碼對薄紙的壓力增大,超過薄紙的承受范圍。

評析:通過實驗，激起了學生的探究欲望,使其迅速參與到探究的過程中來,開展思維活動,為后面實驗探討提供情境。

3.2 產生認知沖突,引發探究興趣,形成概念

物理“思維型”課堂需要建立使學生生活經驗與已有知識產生沖突的情境,給以強烈的心理沖擊,啟迪思維。本環節以概念轉變為目標開展活動,培養學生的思維能力。

片段三:實驗演示,通過探討引發認知沖突

師(演示實驗):利用彈簧測力計，使鉤碼做加速下降運動，重現磁鐵吸附時的運動狀態。

學生通過觀察，發現裝置勻速上升或下降時彈簧測力計指針未偏移,加速下降時彈簧測力計指針向上偏移,認為鉤碼所受重力減小。

師:彈簧測力計的示數表示什么?

生:鉤碼對彈簧的拉力。

師:彈簧測力計測鉤碼所受重力原理是什么?

生:二力平衡。

師:在鉤碼處于加速下降這種非平衡狀態時,彈簧測力計的示數還能表示鉤碼所受重力嗎?

生:不能。

師:在加速下降過程中指針向上偏移，表示鉤碼對彈簧的拉力減小,而非鉤碼所受重力減小。大家認為失重是物體所受重力減小的認識是錯誤的。

評析:該實驗激發了認知沖突,給學生以強烈的心理沖擊,啟發他們思維,為后面的質疑、猜想、自主實驗和建構概念作鋪墊,同時培養了實驗觀察能力。

3.3 運用問題鏈引導學生思維,自主建構概念

物理“思維型”課堂需要教師通過由淺入深的問題鏈,一步步引導正確的思維方向,避免或克服思維誤區,使其思維由特殊到一般,再由一般到特殊,促成概念的建立、深化與活化。本環節通過超重與失重的本質與判定方式展開,以培養學生的分析、歸納、綜合的思維能力。

片段四:尋找改變量,引導思維方向,達成概念的自主建構

師:引導學生觀察彈簧測力計懸掛鉤碼時，其指針在不同運動狀態下的偏移情況，將實驗數據填入表格中。

師:在運動中有三個物理量發生了改變:速度、加速度、拉力。超重、失重與速度有關嗎?

生:沒有關系。

師:超重與失重是由什么導致的?

生:可能與加速度和拉力有關系。

師:什么定律可以將加速度與拉力聯系起來?

生:牛頓第二定律,合外力與加速度同向,拉力與重力的合力即為鉤碼所受合外力,因此拉力與重力大小關系的變化與加速度有關。

師:在運動過程中有三個物理量發生改變,速度與超重與失重無關,拉力與加速度有著密切的關系,看來超重與失重的本質已經呼之欲出了。

生:物體沿豎直方向存在加速度,是物體所受作用力產生變化所致,拉力大于重力時加速度豎直向上,出現超重現象；拉力小于重力時加速度豎直向下,出現失重現象。

評析:教師啟發、引導學生對實驗結果進行分析對比,通過3個不斷深入的問題，一步步引導思維,最終學生通過思考，自主探究超重與失重的本質,從而建立正確概念。

片段五:尋找相似點,引導思維方向,達成概念的自主建構

師(演示實驗):將臺秤傾斜放置,臺秤示數小于物體所受重力。

師:物體是處于超重或失重狀態嗎?

生:不是,因為物體無加速度。

師(演示實驗):把鉤碼懸掛在彈簧測力計下方，并用手向下拉鉤碼,使得測力計示數大于鉤碼實際重量。

師:鉤碼是處于超重或失重狀態嗎?

生:不是,此時鉤碼受到彈簧測力計的拉力、手的拉力以及重力的作用,且物體無加速度。

師(演示實驗):用彈簧測力計水平拉動物體加速運動,彈簧測力計有讀數,且有加速度。

師:物體是處于超重或失重狀態嗎?

生:不是,彈簧測力計的拉力不是沿豎直方向,且無豎直方向加速度。

師:尋找上述三種情境的共同點:雖符合實重與視重有差別的條件,但豎直方向上均沒有加速度,因此不處于超重或失重狀態。

師:如何判斷一個物體是否處于超重或失重狀態?

生:從本質上可以看出是物體沿豎直方向存在加速度,若加速度豎直向上為超重狀態,若加速度豎直向下為失重狀態。

師:因為有豎直方向加速度就一定有實重與視重的差別,但有實重與視重的差別卻不一定有豎直方向加速度,因此不僅要從是否存在實重與視重的差別來判定,更要從是否存在豎直方向上的加速度來判定。

評析:通過三個看似相似、實則不同的情境，一步步引導學生深刻理解超重與失重的定義及其本質,得出超重與失重的產生條件及判定方式,培養學生分析和解決問題的能力。

3.4 創設情境,遷移應用,鞏固新知

學習的目的在于遷移,通過對習題及情境的精心選擇,引導遷移、運用新知,深化、活化新知。本環節通過對實際超重與失重現象的詮釋展開,培育學生的遷移應用能力。

片段六:回應生活經驗,深化、鞏固對概念的理解

教師展示乘坐電梯視頻,引導學生觀察在電梯運動過程中體重秤的示數變化。

生:體重秤示數在電梯加速上升與減速降落時增大,在加速降落與減速上升時減小。

師:示數變化的原因是什么?分別對應于超重還是失重?

生:在加速上升與減速下降過程，加速度豎直向上,處于超重狀態,體重秤對于人的支持力大于人所受重力,體重秤示數增大；在減速上升與加速下降過程，加速度豎直向下,處于失重狀態,體重秤對于人的支持力小于人所受重力,體重秤示數減小。

評析:回應生活經驗,將習得的知識、能力遷移到新的問題情境中,明白物理與生活的聯系,培養學生的分析和解決問題能力,同時通過對新知的運用，深化知識并形成穩定的認知結構與良好的思維習慣。

3.5 回顧思維過程,總結反思思維策略及注意事項

“思維型”課堂不僅強調概念理解的深化與活化,也強調思維監控,使學生了解到自己的思維活動以及變化,在教師引導下總結反思相應的思維策略及注意事項。本環節回顧探討超重與失重的定義、本質、產生條件及判定方法的思維過程,通過學生小組討論、代表發言、各組交流互評,教師總結補充,最終凝練得到教學中的科學方法與思維策略。