物理程序性知識(shí)的“三步驟”教學(xué)
——以“牛頓第三定律”為例

劉艷梅 陶 玲 徐曉梅*

(1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500；2. 德宏傣族景頗族自治州盈江縣民族中學(xué),云南 德宏 679300)

當(dāng)代加拿大著名的心理學(xué)家安德森(J.R.Anderson)根據(jù)反映活動(dòng)形式的不同,主張將知識(shí)劃分為陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)[1].陳述性知識(shí)也叫描述性知識(shí),是個(gè)體能用語(yǔ)言直接進(jìn)行陳述的知識(shí),用來(lái)解答事物“是什么”“怎么樣”的問(wèn)題;程序性知識(shí)則具有實(shí)際的操作性,用來(lái)解答“如何做”“按照怎樣的步驟做”的問(wèn)題[2].陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)的獲得是學(xué)習(xí)過(guò)程中兩個(gè)連續(xù)的階段,程序性知識(shí)的習(xí)得往往以學(xué)習(xí)陳述性知識(shí)為基礎(chǔ),而程序性知識(shí)的習(xí)得又為獲取新的陳述性知識(shí)提供有效途徑.高中物理知識(shí)以程序性知識(shí)為主,然而教學(xué)過(guò)程中教師往往過(guò)于注重陳述性知識(shí)的教學(xué),導(dǎo)致學(xué)生對(duì)陳述性知識(shí)爛熟于心,但不會(huì)靈活運(yùn)用,不能有效解決問(wèn)題;學(xué)生掌握好程序性知識(shí)則可以靈活地提取和應(yīng)用知識(shí),從而高效解決問(wèn)題.文章擬以人教版高中物理必修1第四章第5節(jié)“牛頓第三定律”教學(xué)為例,通過(guò)教師引導(dǎo)學(xué)生基于物理現(xiàn)象調(diào)動(dòng)學(xué)生的陳述性知識(shí)并提出猜想;讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、驗(yàn)證猜想促進(jìn)陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí),得出牛頓第三定律;最后通過(guò)變式練習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化.通過(guò)“牛頓第三定律”教學(xué)示例呈現(xiàn)出程序性知識(shí)的“三步驟”教學(xué),探索高中物理有效進(jìn)行程序性知識(shí)教學(xué)的途徑,并注重發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 “三步”的設(shè)計(jì)

教師按照教學(xué)路線設(shè)計(jì)為調(diào)動(dòng)陳述性知識(shí)、促進(jìn)陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí)、知識(shí)自動(dòng)化等三步驟(如圖1所示),引導(dǎo)學(xué)生以“小步子原則”將學(xué)習(xí)目標(biāo)分解為具有邏輯聯(lián)系的許多“小步子”,由完成這一系列“小步子”逐步得出牛頓第三定律.

圖1 “三步驟”教學(xué)路線設(shè)計(jì)示意圖

2 分步的實(shí)施

2.1 調(diào)動(dòng)陳述性知識(shí)

視頻展示:溜冰場(chǎng)上,甲、乙兩位體重相近的同學(xué)靜止站立[如圖2(A)所示],甲用力推乙一下[如圖2(B)所示],甲、乙沿一條直線均做遠(yuǎn)離原點(diǎn)O的運(yùn)動(dòng)[如圖2(C)所示],且運(yùn)動(dòng)距離相近.

教師提出問(wèn)題:甲用力推乙,而乙并沒(méi)有推甲,為什么甲同樣會(huì)做遠(yuǎn)離原點(diǎn)O的運(yùn)動(dòng)?

圖2 基于觀察溜冰運(yùn)動(dòng)引入相互作用概念

學(xué)生:甲遠(yuǎn)離原點(diǎn)O必定受到了力的作用,那么只可能是乙對(duì)甲施加了力的作用.

教師:同學(xué)們的猜想是正確的.大量的觀察和實(shí)驗(yàn)都表明:一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加了力,那么后一個(gè)物體一定同時(shí)對(duì)前一個(gè)物體也施加了力.即兩個(gè)物體之間的作用總是相互的,這一對(duì)相互作用的力就叫做作用力與反作用力.請(qǐng)同學(xué)們進(jìn)一步思考:作用力與反作用力會(huì)存在什么關(guān)系?(提示:力的三要素)

學(xué)生:通過(guò)觀察甲、乙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并類比二力平衡滿足的條件,提出如下猜想,如表1所示:

表1 作用力與反作用力可能滿足的關(guān)系的猜想

通過(guò)以生活中的溜冰娛樂(lè)活動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)創(chuàng)設(shè)物理情境,讓學(xué)生從物理學(xué)的視角形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念,升華學(xué)生的物理觀念.讓學(xué)生通過(guò)觀察物理現(xiàn)象激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,教師提出物理問(wèn)題,引發(fā)學(xué)生思考,并讓學(xué)生調(diào)動(dòng)頭腦中已有的陳述性知識(shí)(二力平衡滿足的條件),提出4條合理猜想(如表1所示),凝練學(xué)生的科學(xué)探究能力.

2.2 促進(jìn)陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí)

科學(xué)探究是人類探索自然、獲取科學(xué)知識(shí)的主要方法,也是一種獲取程序性知識(shí)的有效方法.僅靠陳述性知識(shí)很難清楚地解釋某些物理現(xiàn)象,在物理教學(xué)中也應(yīng)體現(xiàn)出物理是一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué),故要基于實(shí)驗(yàn)解釋物理現(xiàn)象形成的原因.由教師引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動(dòng)頭腦中已有的陳述性知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)作用力與反作用力滿足的關(guān)系進(jìn)行探究,驗(yàn)證猜想.

【實(shí)驗(yàn)方案1】

實(shí)驗(yàn)儀器:兩個(gè)完全相同的彈簧測(cè)力計(jì).

實(shí)驗(yàn)演示:將一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)固定在墻壁上,另一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拿在手里并與固定在墻壁上的彈簧測(cè)力計(jì)連接,用力拉固定在墻壁上的彈簧測(cè)力計(jì),并任意改變拉力的方向.觀察到兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)任意時(shí)刻都相同,且兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)總位于同一條直線.

教師引進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù):力傳感器能夠把它受力的大小隨時(shí)間變化的情況,由計(jì)算機(jī)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行作圖,最后通過(guò)屏幕顯示出來(lái).

實(shí)驗(yàn)時(shí)把兩只力傳感器同時(shí)連在計(jì)算機(jī)上,其中一只固定在墻上,另一只握在手中(如圖甲所示).用力拉一只傳感器,在一只傳感器受力的同時(shí),另一只傳感器也受到力的作用,并且在任意時(shí)刻兩個(gè)力的方向都相反、大小都相等(如圖乙所示),且兩只力傳感器總位于同一條直線[3].

圖3 用傳感器顯示作用力與反作用力的關(guān)系[3]

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),觀察兩只力傳感器的位置,即可驗(yàn)證提出的4條猜想.同時(shí),通過(guò)觀察圖乙的圖象特點(diǎn)可知作用力與反作用力具有同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)消失、同時(shí)變化的特點(diǎn).

采取學(xué)生小組合作的方式,讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主探究作用力與反作用力的關(guān)系.教師借助現(xiàn)代信息技術(shù)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,用力的傳感器來(lái)直觀顯示任意時(shí)刻作用力與反作用力的大小,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確,有力的驗(yàn)證了猜想.

【實(shí)驗(yàn)方案2】

實(shí)驗(yàn)儀器:兩根相同的條形磁鐵、托盤測(cè)力計(jì)、彈簧測(cè)力計(jì)、鐵架臺(tái)、刻度尺、細(xì)線.

圖4 運(yùn)用測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化量驗(yàn)證作用力與反作用力的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)演示:將一根條形磁鐵放于托盤測(cè)力計(jì)的盤上,另一根條形磁鐵從中間部分用細(xì)線懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上.保證兩根條形磁鐵的距離適當(dāng),并且位于同一豎直平面內(nèi)(如圖4所示).① 兩根條形磁鐵的N、S級(jí)同向放置,調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)支架的高度,逐漸增加或減小兩根條形磁鐵的距離;② 兩根條形磁鐵的N、S級(jí)反向放置,調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)支架的高度,逐漸增加或減小兩根條形磁鐵的距離.待懸掛著的條形磁鐵靜止時(shí),用刻度尺測(cè)量出兩根條形磁鐵的距離,并記錄托盤測(cè)力計(jì)、彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:① N、S級(jí)同向放置: a. 隨著兩根磁鐵的距離增加(斥力減小),托盤測(cè)力計(jì)示數(shù)的減小量與彈簧測(cè)力計(jì)的增加量相同; b. 隨著兩根磁鐵的距離減小(斥力增大),托盤測(cè)力計(jì)示數(shù)的增加量與彈簧測(cè)力計(jì)的減小量相同.② N、S級(jí)反向放置: a. 隨著兩根磁鐵的距離增加(引力減小),托盤測(cè)力計(jì)示數(shù)的增加量與彈簧測(cè)力計(jì)的減小量相同; b. 隨著兩根磁鐵的距離減小(引力增大),托盤測(cè)力計(jì)示數(shù)的減小量與彈簧測(cè)力計(jì)的增加量相同.

表2 托盤測(cè)力計(jì)、彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化量

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:通過(guò)分析、處理以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可驗(yàn)證提出的4條猜想.

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變兩根條形磁鐵的方向、距離,使兩根磁鐵受到的引力、斥力的大小隨之改變,并通過(guò)托盤測(cè)力計(jì)、彈簧測(cè)力計(jì)反映引力、斥力的變化量.將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖,分析圖像特點(diǎn),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,驗(yàn)證了猜想.學(xué)生將與磁場(chǎng)有關(guān)的陳述性知識(shí)用于探究作用力與反作用力的關(guān)系,促進(jìn)陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí).

【實(shí)驗(yàn)方案3】

實(shí)驗(yàn)儀器:兩個(gè)相同的彈簧測(cè)力計(jì)、記號(hào)筆、細(xì)沙、體積不同的塑料盒若干(質(zhì)量相同)、玻璃杯、水、細(xì)線.

實(shí)驗(yàn)演示: ① 將細(xì)沙裝進(jìn)塑料盒C后,用細(xì)線纏繞并懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)A上,用記號(hào)筆標(biāo)記下彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù);將玻璃杯D懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)B上,并往玻璃杯D中加水,直至彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)與彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)相同時(shí)停止加水,同樣用記號(hào)筆標(biāo)記下彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)(如圖甲所示).② 將系統(tǒng)A、B懸掛在固定水平桿上,將系統(tǒng)A中的塑料盒C浸沒(méi)在系統(tǒng)B的水中,但不要讓塑料盒接觸到玻璃杯D的內(nèi)壁和底部,分別用記號(hào)筆標(biāo)記出彈簧測(cè)力計(jì)A、B的示數(shù)(如圖乙所示).將相同質(zhì)量的細(xì)沙裝進(jìn)體積不同的塑料盒,并保證塑料盒始終浸沒(méi)在水中,重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄彈簧測(cè)力計(jì)A、B的示數(shù).

圖5 利用浮力與壓力的相關(guān)性探究作用力與

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可知裝有細(xì)沙不同體積的塑料盒受到水給它的浮力(F浮=ρ液gV排)與它給水的壓力相同,即可驗(yàn)證提出的4條猜想.

本實(shí)驗(yàn)利用了學(xué)生已有關(guān)于浮力的陳述性知識(shí),并通過(guò)比較塑料盒受到水給它的浮力以及它給水的壓力相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了關(guān)于作用力與反作用力關(guān)系的猜想,促進(jìn)了陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí).

教師給出牛頓第三定律的定義:兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等,方向相反,并且作用在同一條直線上.

教師引導(dǎo)學(xué)生在基于觀察提出物理問(wèn)題,并調(diào)動(dòng)頭腦中已有的陳述性知識(shí)形成猜想的基礎(chǔ)上,以小組合作的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,建構(gòu)物理模型,處理實(shí)驗(yàn)信息,并對(duì)科學(xué)探究過(guò)程進(jìn)行交流、討論,完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,最后基于證據(jù)得出牛頓第三定律,促進(jìn)學(xué)生將陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí).通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證猜想的整個(gè)過(guò)程,發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.3 知識(shí)自動(dòng)化

為了使學(xué)生能夠自主地調(diào)動(dòng)陳述性知識(shí)分析生活中的物理問(wèn)題情境,并達(dá)到解釋物理現(xiàn)象的目的.教師需要轉(zhuǎn)換物理情境,進(jìn)行變式練習(xí),促進(jìn)學(xué)生頭腦中程序性知識(shí)的自動(dòng)化,提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科能力[2].

【變式練習(xí)1】 物理學(xué)科很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是模型化,通過(guò)建立模型,可以把復(fù)雜、抽象的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單、直觀[4].建立任意方向上相互作用力的物理模型,明確相互作用力任意時(shí)刻大小相等、方向相反,作用于同一直線,打破學(xué)生僅停留在相互作用力位于水平方向、豎直方向的定勢(shì)思維.

典題突破:如圖6所示,甲圖中小球處于靜止?fàn)顟B(tài),乙圖中小球由靜止釋放并沿光滑曲面滾下,請(qǐng)分別找出甲、乙圖中的相互作用力,并畫出力學(xué)示意圖.

圖6 建立任意方向上相互作用力的物理模型

典題解析:小球?qū)佑|面的壓力與接觸面給小球的支持力是相互作用力,力學(xué)示意圖如圖7所示.

【變式練習(xí)2】 注重辨析一對(duì)平衡力與相互作用力的異同點(diǎn),讓學(xué)生學(xué)會(huì)在具體的物理情境中進(jìn)行區(qū)別運(yùn)用.

圖8 箱子的受力分析示意圖

典題突破:小明用300 N的力F豎直向上提升一個(gè)靜止在水平地面的箱子,箱子的質(zhì)量為50 kg,下列說(shuō)法正確的是.

(A) 箱子受到的重力與手對(duì)箱子的拉力是一對(duì)平衡力.

(B) 箱子受到的重力與地面對(duì)箱子的支持力是一對(duì)平衡力.

(C) 箱子對(duì)地面的壓力與手對(duì)箱子的拉力是一對(duì)相互作用力.

(D) 箱子對(duì)地面的壓力與地面對(duì)箱子的支持力是一對(duì)相互作用力.

典題解析:選(D).對(duì)箱子進(jìn)行受力分析,如圖8所示.箱子受到豎直向下的重力G、手對(duì)箱子豎直向上的拉力F、地面對(duì)箱子的豎直向上的支持力FN.箱子對(duì)地面的壓力與地面對(duì)箱子的支持力大小相等,方向相反,兩個(gè)力作用于兩個(gè)物體上,因此是一對(duì)相互作用力.

以典題突破為基礎(chǔ),辨析一對(duì)平衡力與相互作用力的異同點(diǎn),如表3所示:

表3 一對(duì)平衡力與相互作用力的異同點(diǎn)

在經(jīng)歷探究過(guò)程驗(yàn)證猜想的基礎(chǔ)上,通過(guò)典題突破進(jìn)一步升華學(xué)生頭腦中關(guān)于牛頓第三定律的程序性知識(shí),并發(fā)展學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力,最終實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化.

3 結(jié)束語(yǔ)

在程序性知識(shí)“三步驟”教學(xué)中,應(yīng)特別注重促進(jìn)陳述性知識(shí)向程序性知識(shí)轉(zhuǎn)化的中心階段:“教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,并讓學(xué)生以小組合作的方式驗(yàn)證猜想”.同時(shí),中心階段也體現(xiàn)出本文程序性教學(xué):學(xué)生全程主動(dòng)參與探究,由完成一系列“小步子”逐步得出牛頓第三定律的原則.

教師在進(jìn)行程序性知識(shí)教學(xué)時(shí),教師首先應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生基于物理現(xiàn)象調(diào)動(dòng)已有的陳述性知識(shí)提出問(wèn)題,進(jìn)行猜想與假設(shè),并以小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的方式促進(jìn)陳述性知識(shí)向程序性知識(shí)轉(zhuǎn)化,給學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主思考、創(chuàng)新的空間,避免學(xué)生被動(dòng)、低效地接收知識(shí).其次,通過(guò)變式練習(xí)使學(xué)生在頭腦中構(gòu)建出有關(guān)的程序性知識(shí)模型,使學(xué)生可以獨(dú)立基于物理情境分析問(wèn)題,然后運(yùn)用頭腦中的程序性知識(shí)模型提取有效信息,并解決物理問(wèn)題.最后,通過(guò)學(xué)生自動(dòng)應(yīng)用已經(jīng)內(nèi)化的知識(shí),提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力,發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).