基于思維型課堂基本原理的習(xí)題教學(xué)實(shí)踐與思考
——以屈膝下蹲過程中運(yùn)動與相互作用關(guān)系為例

鐘志鵬

(無錫市玉祁高級中學(xué) 江蘇 無錫 214183)

曹 俊

(無錫市玉祁初級中學(xué) 江蘇 無錫 214183)

1 思維型課堂的內(nèi)涵和習(xí)題教學(xué)

1.1 思維型課堂內(nèi)涵概述

林崇德、胡衛(wèi)平教授提出思維型課堂教學(xué)理論，以聚焦思維結(jié)構(gòu)的智力理論為基礎(chǔ)，著眼于課堂教學(xué)中的思維活動，意在提高課堂的教學(xué)質(zhì)量.

思維型課堂教學(xué)理論包括認(rèn)知沖突、自主建構(gòu)、自我監(jiān)控和應(yīng)用遷移4方面的基本原理.通過認(rèn)知沖突，誘發(fā)思維結(jié)構(gòu)的動態(tài)性，提供積極思維和主動學(xué)習(xí)的動力.自主建構(gòu)包括認(rèn)知建構(gòu)和社會建構(gòu)，認(rèn)知建構(gòu)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)積極主動建構(gòu)的過程；社會建構(gòu)強(qiáng)調(diào)在師生互動、生生互動的過程中，情感互動是基礎(chǔ)，行為互動是表現(xiàn)，思維互動是核心.自我監(jiān)控能力是教師教學(xué)能力和學(xué)生學(xué)習(xí)能力的核心，尤其是教學(xué)反思環(huán)節(jié)，教師都要引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)對象、學(xué)習(xí)過程、思維方式進(jìn)行總結(jié)、反思和評價(jià)，形成認(rèn)知策略，發(fā)展認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高自我監(jiān)控能力.應(yīng)用遷移是指將已掌握建立概念、規(guī)律、形成知識、分析問題、解決問題的方法，應(yīng)用到新的問題情境和解決新問題的過程中．

1.2 思維型課堂和習(xí)題教學(xué)的關(guān)系

思維型課堂是培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑，習(xí)題教學(xué)是培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體.新課標(biāo)要求要從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角審視習(xí)題教學(xué)的目的，應(yīng)通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升.習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力.而思維型課堂恰是以提升思維品質(zhì)和實(shí)際問題解決能力為核心的課堂教學(xué)樣式，強(qiáng)調(diào)教會學(xué)生如何去思考，而不僅僅是教會思考的內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)造性思維和批判性思維能力.思維型課堂的內(nèi)涵為習(xí)題教學(xué)發(fā)揮在培育學(xué)科核心素養(yǎng)中的作用指明了方向.

2 基于思維型課堂基本原理的習(xí)題教學(xué)策略

以屈膝下蹲作為問題情境，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)如下.

2.1 基于學(xué)生的習(xí)題教學(xué)目標(biāo)敘寫

教學(xué)目標(biāo)的確定和敘寫要更多地站在“學(xué)生本位”來闡述學(xué)生怎么學(xué)，以及經(jīng)歷學(xué)習(xí)所發(fā)生的變化.本節(jié)習(xí)題課的目標(biāo)可以這樣定位和敘寫．

(1)形成物理觀念

能深入理解力和運(yùn)動的關(guān)系，以此為出發(fā)點(diǎn)來分析共點(diǎn)力平衡問題和超重、失重問題．

(2)培養(yǎng)科學(xué)思維

針對實(shí)際問題，能合理地選擇研究對象(整體或隔離)，建立模型，進(jìn)行物理分析．掌握解決力和運(yùn)動一類問題的一般步驟：確定對象，受力分析，確定狀態(tài)，列出方程(平衡方程或牛頓第二定律方程)并求解，對結(jié)果的合理性進(jìn)行分析．

(3)培養(yǎng)科學(xué)探究意識

就人下蹲和起身的過程，能制定探究方案，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格，記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能分析數(shù)據(jù)，把力和運(yùn)動的加速度a聯(lián)系起來，形成結(jié)論，定義超重、失重．結(jié)合探究活動的實(shí)踐，能理解彈力隨時間變化圖像．

(4)樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

敢于發(fā)表自己的意見，善于與人交流與合作；在交流過程中能從已有的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)出發(fā)來論證．通過實(shí)際問題的解決，獲取成功的體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在動機(jī)，形成理論與實(shí)際相聯(lián)系的意識．

2.2 突出思維核心的習(xí)題教學(xué)流程

以教學(xué)目標(biāo)為指引，本節(jié)課的具體流程如表1所示 .

表1 以“屈膝下蹲”為情境的習(xí)題教學(xué)流程設(shè)計(jì)

2.3 設(shè)置認(rèn)知沖突激發(fā)思維動機(jī)

選取屈膝下蹲作為典型例題情境來展開，在情境創(chuàng)設(shè)中激發(fā)認(rèn)知沖突，誘發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的心理動因.

【例1】如圖1所示，人屈膝下蹲時，膝關(guān)節(jié)彎曲的角度為θ，設(shè)此時大小腿部的肌肉群對膝關(guān)節(jié)的作用力F的方向水平向后，且大腿骨和小腿骨對膝關(guān)節(jié)的作用力大致相等，那么腳掌所受地面豎直向上的彈力約為( )

圖1 例1題圖

學(xué)生解答：

解法1：采用力的分解的方法．如圖2(a)所示，設(shè)大腿骨和小腿骨的作用力分別為F1和F2．由力的平行四邊形定則F1=F2，先按效果分解F易知

再對F2進(jìn)行正交分解，如圖2(b)所示有

解得

則腳掌所受地面豎直向上的彈力N=F2y,D選項(xiàng)正確．

圖2 例1解法1分析圖

解法2:如圖3(a)所示，采用共點(diǎn)力平衡的方法．問題導(dǎo)向以腳為研究對象，進(jìn)行受力分析，分解力F2，如圖3(b)所示，列平衡方程．水平方向，F(xiàn)2x=f；豎直方向

沒有相符的答案.

教師引導(dǎo)：顯然結(jié)果比選項(xiàng)D多一個重力G，這是什么原因？該如何理解和處理此處的重力G呢？G是人的重力嗎？

圖3 例1的解法2分析圖

學(xué)生活動：以人整體為研究對象，屈膝靜止時，上題中F為內(nèi)力不作考慮，腳底所受的支持力N=G人，顯然與結(jié)論不相符合，而只有隔離出人的腳這一部分作為研究對象，才會考慮小腿對腳部的作用力F2的作用．因此G只能理解為是隔離出來的腳的重力，可以考慮把腳底隔離出貼地的“薄薄的一層”作為研究對象，忽略其重力．

如此則有

忽略G，得到

選擇選項(xiàng)D．

2.4 側(cè)重自主建構(gòu)引發(fā)思維動力

2.4.1 在類比遷移中將體驗(yàn)內(nèi)化為能力

在認(rèn)知沖突的解決中，體驗(yàn)了選取研究對象、建構(gòu)物理模型、進(jìn)行受力分析的思維過程.體驗(yàn)要進(jìn)一步內(nèi)化為解決問題的能力，還需要在問題解決中加以鍛煉提高.

【例2】如圖4所示，由兩根短桿組成的一個自鎖定起重吊鉤，將它放入被吊的空罐內(nèi)，使其張開一定的夾角壓緊在罐壁上，當(dāng)鋼繩勻速向上提起時，兩桿對罐壁越壓越緊，若摩擦力足夠大，就能將重物提升起來，罐越重，短桿提供的壓力越大，稱為“自鎖定裝置”．若罐質(zhì)量為m，短桿與豎直方向夾角θ=60°，求吊起該重物時，短桿對罐壁的壓力(短桿質(zhì)量不計(jì))．

圖4 例2題圖

學(xué)生活動：首要問題是研究對象的選擇.

整體受力分析如圖4所示，F(xiàn)=G，短桿對罐壁的壓力為內(nèi)力，整體平衡方程中不出現(xiàn)．

至此只有隔離半邊吊鉤，受力分析如圖5(b)所示，F(xiàn)1cosθ=f，F(xiàn)1sinθ=N，其中

教師引導(dǎo)：題干特別說明，短桿質(zhì)量不計(jì)，對我們選取隔離半邊吊鉤有何幫助？與例題1中隔離出腳底貼地的“薄薄的一層”作為研究對象，忽略其重力思想是否一致？

2.4.2 在課堂生成中完成知識自主建構(gòu)

例1中將人視為處于一個屈膝的靜止?fàn)顟B(tài)，視為平衡狀態(tài)求解．屈膝下蹲也可能正處在屈膝向下運(yùn)動過程，而非靜止?fàn)顟B(tài)．此時地面對人的支持力又是多少呢？

【例3】如圖6所示是某同學(xué)站在力板傳感器上做下蹲、起立的動作時，記錄的壓力F隨時間t變化的圖線．由圖線可知該同學(xué)( )

A．體重約為650 N

B．做了兩次下蹲——起立的動作

C．做了一次下蹲——起立的動作，且下蹲后約2 s起立

D．下蹲過程中先處于超重狀態(tài)后處于失重狀態(tài)

圖6 例3題圖

教師引導(dǎo)：從靜止到下蹲起立經(jīng)歷了怎樣的運(yùn)動過程？運(yùn)動狀態(tài)的不同對應(yīng)在受力情況上有何不同？

學(xué)生活動：實(shí)驗(yàn)探究方案,請學(xué)生站在體重計(jì)上親自實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.理論探究方案，依據(jù)牛頓運(yùn)動定律，進(jìn)行受力分析和運(yùn)動分析.在運(yùn)動分析和人所受支持力變化的對應(yīng)比較上，逐步深入探究力和運(yùn)動的關(guān)系，進(jìn)而理解通過加速度方向來判斷超失重的緣由.

面對學(xué)生的質(zhì)疑，生成新的問題情境，有意識引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從問題出發(fā)，找到關(guān)鍵要素，尋求證據(jù)支撐分析論證、得出結(jié)論的科學(xué)探究過程.通過教師引導(dǎo)、合作學(xué)習(xí)，形成學(xué)習(xí)共同體，在科學(xué)探究過程中落實(shí)情感互動、行為互動和思維互動達(dá)成社會建構(gòu).

2.5 立足教學(xué)反思進(jìn)行思維監(jiān)控

教學(xué)反思的目標(biāo)是掌握本節(jié)課的知識、方法，反思經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，形成認(rèn)知策略，發(fā)展認(rèn)知結(jié)構(gòu).尤其注意對經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié).

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)運(yùn)動與相互作用的關(guān)系，立足實(shí)際問題從物理學(xué)視角形成運(yùn)動與相互作用關(guān)系的基本認(rèn)識.

引導(dǎo)學(xué)生突出模型建構(gòu)、科學(xué)推理和論證等科學(xué)思維的總結(jié).在屈膝下蹲的分析中，引導(dǎo)學(xué)生對腳底再隔離構(gòu)建了貼地的“薄薄的一層”的理想模型來說明；在研究體重計(jì)上人的下蹲起立過程，將人抽象為初位置在重心處的質(zhì)點(diǎn)模型，來幫助簡化過程分析．在研究對象選取的環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生從人轉(zhuǎn)換到腳，到最后重力忽略不計(jì)；從起重掛鉤和貨物為整體轉(zhuǎn)換到掛鉤，到最后考慮掛鉤的一半．在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生兼顧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性表述和實(shí)驗(yàn)典型數(shù)據(jù)的定量測量，讓學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，把力的變化和運(yùn)動的變化聯(lián)系起來，逐步聚焦到加速度a．

引導(dǎo)學(xué)生加深對問題解決策略的理解.例1的解決突出腳掌所受地面豎直向上的彈力這一問題出發(fā)，在共點(diǎn)力平衡的前提下，選取腳掌為對象用受力平衡的方程求解．而不是直接用力的效果分解的方法求解.堅(jiān)持問題解決導(dǎo)向，力的分解、平行四邊形定則不過是解決共點(diǎn)力問題的計(jì)算手段．新課標(biāo)特別指出,用共點(diǎn)力的平衡條件分析日常生活中的問題，而不是用力的分解[2]，學(xué)生解決問題的實(shí)踐選擇和新課標(biāo)的觀點(diǎn)是高度一致的.

2.6 解決實(shí)際問題達(dá)到靈活遷移

知識和方法的應(yīng)用和遷移，對學(xué)生加深理解知識，提高思維能力，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)造力，具有重要的作用.本節(jié)課應(yīng)用和遷移環(huán)節(jié)選取了兩則材料呈現(xiàn)給學(xué)生.

材料1：如圖7所示，不管是徒手訓(xùn)練還是負(fù)重訓(xùn)練，在進(jìn)行深蹲動作時，常會聽到教練說:“不讓你的膝蓋超過腳尖”，否則膝蓋容易受傷，這是為什么呢？

圖7 材料1圖示

材料2:陳大爺看完電視起身，感覺膝關(guān)節(jié)扭了一下，膝蓋后邊的筋好像別住了，特別難受．骨科醫(yī)生說，陳大爺這種病跟閃腰岔氣是一類，只不過這回閃的是膝關(guān)節(jié)．這又有何科學(xué)道理呢？

教師引導(dǎo)：比較分析以上兩則材料，引導(dǎo)學(xué)生先后聚焦兩個問題.

(1)兩則材料都是屈膝狀態(tài)，膝蓋受傷是受力過大導(dǎo)致的，這個力和屈膝時膝關(guān)節(jié)角變小有無關(guān)系？

(2)屈膝下蹲和起身是運(yùn)動過程，屈膝蹲住了是靜止?fàn)顟B(tài).不同狀態(tài)下膝蓋受力情況是否也不一樣呢？

學(xué)生活動：

(1)如圖8所示，膝蓋超過腳尖會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)角β(膝關(guān)節(jié)角)過大，其補(bǔ)角θ過小.

圖8 下蹲過程分析

以屈膝靜止?fàn)顟B(tài)為例，由例1中的結(jié)論：

隔離腳，其所受的支持力

其中F為膝關(guān)節(jié)受力，整體對人，所受的支持力，N=mg；則

得到

(2)依據(jù)上面的結(jié)論，結(jié)合看完電視起身瞬間對應(yīng)的超重狀態(tài)可知

得到

超重狀態(tài)導(dǎo)致膝蓋受力F比靜止?fàn)顟B(tài)更大．老年人的關(guān)節(jié)老化僵硬，也就更易受傷．所以醫(yī)生建議，中老年人下蹲準(zhǔn)備起立時，最好借助周圍物體，扶著“撐一把”站起來，以減少膝關(guān)節(jié)的“壓力”．

當(dāng)前的習(xí)題教學(xué)現(xiàn)狀，學(xué)生更多的是習(xí)得惰性的知識，只是“儲蓄罐”式“擁有”．而物理學(xué)科核心素養(yǎng)的習(xí)得，有顯著的內(nèi)在性和主觀性．基于思維型課堂教學(xué)理論的基本原理，指導(dǎo)思維型習(xí)題教學(xué)實(shí)踐，是發(fā)揮習(xí)題教學(xué)作用，落實(shí)核心素養(yǎng)培育的有效途徑.