基于學(xué)生立場(chǎng)的物理教學(xué)實(shí)踐與思考
——以“萬(wàn)有引力理論的成就”為例

劉 玲

(江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉(cāng) 215411)

1 引言

從赫爾巴特的“教師中心”到杜威的“兒童中心”、羅杰斯的“學(xué)生中心”，再到近年來(lái)一輪又一輪的課程改革，表明教育的立場(chǎng)應(yīng)該是學(xué)生的立場(chǎng)。學(xué)生已有的經(jīng)歷、體驗(yàn)和當(dāng)下的發(fā)展?fàn)顟B(tài)是學(xué)生發(fā)展的寶貴資源，也是促成其全面發(fā)展的基礎(chǔ)。而實(shí)際課堂教學(xué)中，很多教師由于有比較深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，傾向關(guān)注“教什么”，注重知識(shí)的輸入，想方設(shè)法去豐富“教”的內(nèi)涵，而學(xué)生的真正學(xué)習(xí)狀況無(wú)法顧及，容易脫離學(xué)生的學(xué)情和“最近發(fā)展區(qū)”。課上，教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)層層推進(jìn)，講得行云流水，看似完美，殊不知學(xué)生時(shí)常聽(tīng)得云里霧里。究其根源，還在于教師和學(xué)生看待物理問(wèn)題的立場(chǎng)不同，教師自認(rèn)為簡(jiǎn)單的知識(shí)，而對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)由于前概念的影響，往往困難重重。筆者認(rèn)為教師需要改變?cè)谝酝鶄湔n、上課、評(píng)估過(guò)程中“教師立場(chǎng)始終處于主導(dǎo)地位”的現(xiàn)象，需要“稚化”自己的思維，從學(xué)生視角思考問(wèn)題，轉(zhuǎn)變成以“學(xué)生立場(chǎng)處于主導(dǎo)地位”的現(xiàn)象。即教師應(yīng)該盡可能地從學(xué)生的立場(chǎng)出發(fā)，理解他們物理學(xué)習(xí)中的困惑，再進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)估，才能順利攻克教學(xué)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)。

本文以人教版《物理》必修2中第六章“萬(wàn)有引力與航天”第4節(jié)“萬(wàn)有引力理論的成就”為例，展示筆者對(duì)“基于學(xué)生立場(chǎng)”的物理教學(xué)實(shí)踐思考。

2 注重具身體驗(yàn)化抽象為具體

物理學(xué)習(xí)，如果單純地套用公式，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情很快就會(huì)消退，可能會(huì)知識(shí)沒(méi)學(xué)扎實(shí)，連對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣也會(huì)一并抹殺。例如：在計(jì)算天體的質(zhì)量時(shí)，如果教師直截了當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生利用所學(xué)的萬(wàn)有引力知識(shí)，或是讓學(xué)生死記所謂整理好的方法去求解天體質(zhì)量，這看似高效——在課堂有限的時(shí)間內(nèi)解決了問(wèn)題，實(shí)則空洞——學(xué)生認(rèn)為本章節(jié)的知識(shí)只要套公式就能解決了。教學(xué)應(yīng)該先從學(xué)生能看到、摸到和體驗(yàn)到的事例出發(fā)，增強(qiáng)學(xué)生的具身體驗(yàn)，化抽象為具體。

教學(xué)片段：阿基米德曾說(shuō)過(guò)，給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起整個(gè)地球。阿基米德是否能利用杠桿原理，稱(chēng)量出地球的質(zhì)量呢？顯然，我們找不到這樣的支點(diǎn)，也找不到能夠撬起地球的杠桿。那我們?nèi)绾畏Q(chēng)量地球以及其他天體的質(zhì)量呢？

創(chuàng)設(shè)情境:假如你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船航行在宇宙深處，突然，前方一美麗的天體出現(xiàn)在你的面前。你先關(guān)閉了宇宙的發(fā)動(dòng)機(jī)，然后飛船剛好繞美麗天體做了完美的圓周運(yùn)動(dòng)，繞行一周后，飛船就平穩(wěn)的降落在了星球上。

分組討論：你有什么辦法可以測(cè)得這—神秘天體的質(zhì)量?

學(xué)生交流展示：

方法一：測(cè)出宇宙飛船繞行一周的時(shí)間和軌道半徑，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，

即

從而得出星球(中心天體)的質(zhì)量

進(jìn)一步對(duì)這種方法進(jìn)行拓展，根據(jù)環(huán)繞星體受到中心天體對(duì)其的萬(wàn)有引力全部提供其繞行的向心力

即如果能夠知道軌道半徑r和繞行速度v或角速度w或周期T或向心加速度an，就可求得中心天體的質(zhì)量。

方法二：根據(jù)宇航員降落在星球表面上后，重力近似等于萬(wàn)有引力，可得到地球質(zhì)量。

師：如何測(cè)得星球表面的重力加速度g呢？

學(xué)生討論回答，教師展示借助小球的自由落體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)“傳感器”完成重力加速度的測(cè)量。

師：用不同的環(huán)繞行星計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)的質(zhì)量是否能夠保證一致？

學(xué)生討論并說(shuō)出理由。

學(xué)生總結(jié)，求解中心天體質(zhì)量的兩種方法：代換法和環(huán)繞法。

教學(xué)意圖：讓學(xué)生重新建構(gòu)知識(shí)，重演重要物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，這對(duì)學(xué)生深刻理解物理規(guī)律、領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所用巧妙的方法，都是很有幫助的。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，一方面引入了環(huán)繞法求天體質(zhì)量的思路和該方法的條件，另一方面又區(qū)別了環(huán)繞法和代換法的不同。教師要關(guān)注問(wèn)題思辨性，努力創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂討論，讓學(xué)生體驗(yàn)開(kāi)普勒第三定律的意義。

3 基于前概念建構(gòu)新知識(shí)

奧蘇貝爾認(rèn)為學(xué)生的前概念到新知識(shí)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。在學(xué)習(xí)新知識(shí)的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)自動(dòng)遷移前概念到新知識(shí)的學(xué)習(xí)中。如果前概念與新知識(shí)的學(xué)習(xí)矛盾，可能會(huì)導(dǎo)致原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和重新組織。因此，教師在引入新知識(shí)時(shí)，要基于學(xué)生立場(chǎng)，熟知學(xué)生的前概念，防止新舊知識(shí)融合的過(guò)程中產(chǎn)生矛盾。

教學(xué)片段：在探究重力和萬(wàn)有引力的區(qū)別與聯(lián)系的教學(xué)中，學(xué)生往往會(huì)把重力當(dāng)成萬(wàn)有引力，認(rèn)為重力就是萬(wàn)有引力。它們之間到底是什么樣的關(guān)系呢？學(xué)生會(huì)存在著很多的疑問(wèn)，比如：“重力就是萬(wàn)有引力嗎？”“為什么忽略地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地面上物體的重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力？”教師如果只是簡(jiǎn)單地講解受力分析，告知結(jié)論，學(xué)生會(huì)很難理解。

針對(duì)這一疑惑，教師不妨把視角下移，先給出情境，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，利用情景中的已知量，來(lái)嘗試求解幾個(gè)物理量。

情境：班里的某位同學(xué)站在赤道上跟隨地球一起自轉(zhuǎn)，已知：

人的質(zhì)量

m=50kg,

地球的質(zhì)量

M=5.97×1024kg，

地球半徑

R=6.37×106m，

赤道上的重力加速度取

學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)通過(guò)計(jì)算可得

發(fā)現(xiàn)重力和萬(wàn)有引力并不完全相等。

為什么會(huì)有這樣微小的差異呢？這差異我們能不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是由誤差引起的呢？這時(shí)教師可以多留一點(diǎn)時(shí)間，讓學(xué)生進(jìn)行討論并提出問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)交流后會(huì)發(fā)現(xiàn)：該同學(xué)是站在赤道上跟隨地球一起自轉(zhuǎn)，即他在赤道做圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)向心力公式計(jì)算可得，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力、重力、向心這三個(gè)力的大小在數(shù)值上存在著聯(lián)系。

師追問(wèn)：這關(guān)系說(shuō)明了什么呢？引導(dǎo)學(xué)生分析向心力的來(lái)源。

學(xué)生根據(jù)已有力的合成與分解的知識(shí)分析物體受力情況，如圖1，可得出萬(wàn)有引力和地面對(duì)它的支持力的合力提供了它跟隨地球一起做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，物體所受重力大小等于地面對(duì)它的支持力。

圖1 圓周運(yùn)動(dòng)示例圖

師問(wèn)：推廣到任意緯度，這幾個(gè)力之間存在什么關(guān)系呢？

學(xué)生通過(guò)作圖進(jìn)行分析，如圖2。

圖2 學(xué)生分析作圖

師追問(wèn)：為什么有些時(shí)候，我們可以忽略向心力呢？

學(xué)生根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤道上物體隨著圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力只占萬(wàn)有引力的千分之三，在任意緯度上就更小了。也就是說(shuō)萬(wàn)有引力絕大部分表現(xiàn)為重力，只有極小一部分提供物體跟隨地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。所以在忽略地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地面上物體的重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力。

分析到這里，學(xué)生自然就會(huì)理解重力只是萬(wàn)有引力的一部分，還有一部分提供物體跟隨地球自轉(zhuǎn)的向心力，和學(xué)生原認(rèn)知中重力的定義是相符的。

教學(xué)意圖：創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的問(wèn)題情景，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，在問(wèn)題討論過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新舊知識(shí)的比較，防止新舊知識(shí)融合的過(guò)程中產(chǎn)生矛盾。找出問(wèn)題的本質(zhì)，從而主動(dòng)地運(yùn)用自己的經(jīng)驗(yàn)去積極建構(gòu)新知識(shí)，并把新知識(shí)納入自己原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中去。通過(guò)先對(duì)赤道上的物體進(jìn)行分析，再去推廣到任意緯度和兩極，重力和萬(wàn)有引力的關(guān)系就迎刃而解了。

4 回歸生活實(shí)際培育家國(guó)情懷

物理源于生活、服務(wù)于生活，物理教學(xué)應(yīng)回歸學(xué)生的生活實(shí)際背景，激發(fā)學(xué)生的興趣，一旦學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)中的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)感興趣了，他自然愿意花時(shí)間和精力去鉆研，萬(wàn)有引力與航天很容易和學(xué)生的生活實(shí)際相聯(lián)系，尤其容易與我國(guó)的航天事業(yè)相聯(lián)系，由此可相應(yīng)培育學(xué)生的家國(guó)情懷。

教學(xué)片段：賀歲片《流浪地球》講述了太陽(yáng)將變成紅巨星，人類(lèi)驅(qū)動(dòng)地球逃離太陽(yáng)系的故事，蘊(yùn)涵了諸多物理學(xué)原理。對(duì)于學(xué)生而言，觀看影片欣賞的也許只是劇情的跌宕起伏和畫(huà)面氣勢(shì)恢宏，對(duì)電影里涉及到的物理知識(shí)卻知曉甚少。教師不妨借助這個(gè)機(jī)會(huì)，給學(xué)生普及一下這方面的知識(shí)。這樣地球就獲得了木星的軌道速度，再加上原有的速度，速度增加到了二者之和，地球的速度和能量都增加了，卻沒(méi)有消耗任何燃料。其實(shí)不光在“流浪地球”計(jì)劃中使用這個(gè)原理使得地球加速。在日常的衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中，科學(xué)家們也會(huì)利用地球的自轉(zhuǎn)，使得衛(wèi)星在發(fā)射的時(shí)候具有地球自轉(zhuǎn)的線速度，從而節(jié)省燃料。影片里涉及高中物理知識(shí)的還有很多，教師可以結(jié)合行星運(yùn)動(dòng)和我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展等一起講解，這樣學(xué)生不但收獲了課本知識(shí)，也了解到國(guó)內(nèi)外航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，可提升學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷，利于學(xué)生養(yǎng)成將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類(lèi)的意識(shí)。

物理教學(xué)設(shè)計(jì)，唯有承認(rèn)學(xué)生的獨(dú)立性和獨(dú)特性，站在學(xué)生的立場(chǎng)看待物理問(wèn)題，多關(guān)注學(xué)生的前概念和具身體驗(yàn)，回歸學(xué)生生活背景，使他們認(rèn)識(shí)到生活中處處有物理現(xiàn)象，物理與生活息息相關(guān)。主動(dòng)走進(jìn)孩子的心靈，尊重并參與學(xué)生的思維創(chuàng)造活動(dòng)來(lái)，與他們站在同一視角去看待周?chē)氖挛铮艜?huì)理解學(xué)生的思維，與之產(chǎn)生思想與情感的共鳴，學(xué)生才會(huì)“親其師，信其道”，并進(jìn)入物理課堂的最佳境界。