培養核心素養的彈力教學設計之哲學探析

陳東曉，陳愛文

（1.麗水市教育教學研究院，浙江麗水323000；2.縉云中學，浙江縉云321400）

物理學是在實驗與思辨的基礎上發展起來的關于物質結構、相互作用以及運動規律的自然科學，物理學萌芽于最早的自然哲學，并于19 世紀逐漸從哲學中分離出來成為一門獨立的學科。物理學的本源蘊含著豐富的哲學思想。哲學思想是關于自然、世界、人類行為等的思考。物理學科的核心素養必定有其哲學認識論的內涵。培養高中生的物理學科核心素養定當要有哲學思考，在教學的全過程理應以物理觀念來統領物理概念、物理規律的精準教學，結合概念的建構與規律的探究，促使學生形成辯證的科學哲學觀[1]。

重力與彈力是人教2019 版《高中物理》必修1 第3 章《相互作用:力》第1 節的內容。相互作用是高中物理的一個非常重要的觀念，彈力的學習是學生形成相互作用觀念的基礎。彈力的教學內容是精彩紛呈的宇宙萬物與神奇美妙的科學規律的具體體現，其中的物理觀念、科學思維等核心素養蘊含著極其豐富的哲學思想[2]。在課堂教學過程中發現這些深層的規律，引導學生從哲學的境界去領悟科學思維，課堂內讓學生親身體驗哲學思辨，從而培養學生物理學科的核心素養，使教學達到一定的哲學高度[3]。以下就高中物理彈力教學中幾個具體環節的設計對培養學生核心素養的哲學思考進行較系統的探析。

1 剛柔相濟的形變，塑多樣性的物質觀

由教學內容分析，物體的形變可從兩個角度來分類。一是從形變的能否恢復來分，可以恢復原狀的稱為彈性形變，不能恢復原狀的稱為非彈性形變。二是從形變的大小來分，形變大的稱為明顯形變，形變小的稱為微小形變。

為讓學生系統地了解形變的種類，特設計了如下的3 個教學情境。首先是展示彈性形變，演示彈性球的形變恢復過程。將一彈性特別好的小球摔在光滑的瓷磚上（球要軟，具有彈性，表面要干凈），通過觀察彈性球的形變及其恢復過程（如圖1 所示），讓學生感知彈性形變的特征。引導學生領悟這類物體的特點是有“韌”性，即受力時形狀改變，外力撤去后又恢復到原狀。物體總是能“記住”自己原來的樣子，即“不忘初心”是彈性形變的特征。其次是展示非彈性形變，利用視頻播放陶坯的制作過程。陶泥在制成陶坯的過程中，要經歷打坯塑形環節。通過觀察制坯塑形，讓學生認識陶泥類物體具有“可塑性”。物體的形狀可根據外界的施力而改變，即“順勢而為”是非彈性形變的特征。最后是展示物體的微小形變，演示教材設計的實驗，利用轉換與放大的科學方法來觀察桌面在受力時發生的微小形變[4]。通過觀察該演示實驗，引導學生領會看似堅硬的物體在受力時也會發生形變。堅固的物體，看似冰冷堅硬，實則“剛中有柔”，這正是微小形變的特征。

圖1 彈性球的形變恢復過程

上述3 個教學情境設計蘊含著豐富的哲學內涵。柔軟的彈性物體看似軟弱，但外力撤去后能恢復原狀，“不忘初心”，柔中帶剛；“可塑”是非彈性形變的特點，根據外界施力的改變“順勢而為”；堅硬物體的微小形變是“剛中有柔”。由不同物質組成的物體在受力時所展現出的性質各異，是哲學中的多樣性的具體表現；物體受力改變形狀的共同特征，又是物質多樣性的統一。這反映了哲學中的多樣性與統一性的辯證思想。因此，明顯與微小彈性形變具有“剛柔相濟”多樣性與統一性，可幫助學生建立起豐富的物質觀念；彈性形變與非彈性形變的“彈性”與“可塑性”在不同的時候發揮著它們特有的作用，性質多樣的物質使我們的生活與身邊的世界豐富多彩。與此相對應的具體教學內容與哲學思考詳見表1。

表1 形變種類及其中的哲學思考

2 相互作用的彈力，塑對稱性的相互作用觀

從彈力與形變的關系分析，物體受到外力作用時會發生形變，形變的物體會對與其接觸的物體產生彈力作用。對某個彈力而言，是因某個形變而產生的；對某個形變而言，是因其受到力的作用而產生的。彈力與形變之間的關系，是互為因果的關系，并無先后之分。對剛學習相互作用的高一學生來說，這還是一個比較復雜的問題，要學生真正理解并掌握彈力的相互作用觀，教師應當創設真實的教學情境，設置有效的問題鏈，引導學生深入地去探究和剖析。

為幫助學生建立起相互作用的物理觀念，特創設一個真實的物理情境。將一只裝滿水的厚皮球放置在塑料直尺上，直尺與皮球都發生了明顯的形變，如圖2 所示。然后就利用該真實情境設置5 個問題閉環來引導、點撥學生作深層次思考。問題1：展示圖2a，直尺發生形變是因受到了什么力的作用？問題2：展示圖2b，形變的直尺要恢復原來的形狀，對限制它的皮球會不會產生彈力的作用？若是會，則此彈力的方向如何？問題3：直尺對皮球有一個彈力的作用，該彈力產生的作用效果是什么？問題4：展示圖2c，受到彈力作用的皮球發生形變，皮球要恢復原來的形狀，為此對限制它的直尺會不會產生彈力的作用？問題5：圖2c 所示的兩個彈力是否有先后順序關系？在教學過程中如此設置問題的思維邏輯關系為:皮球發生彈性形變產生一個彈力F1，在F1的作用下直尺發生形變，形變的直尺便產生彈力F2，在F2的作用下皮球發生形變，這4 個關系就構成了一個閉環，反映了彈力的對稱性及形變與彈力互為因果的關系。

圖2 皮球與直尺系統的受力模型演示

上述4 個邏輯關系閉環設計蘊含著以下哲學思考。皮球的形變←→皮球對直尺的彈力，直尺的形變←→直尺對皮球的彈力，形變與彈力構成互為因果的關系。因互為因果關系，故在兩物體的接觸面上，形變與彈力都是成對出現的，彈力相互對稱地分別作用在兩個物體上，相互作用的彈力是哲學中對稱性的具體體現。彈力與形變的先后順序關系，類似于“雞生蛋與蛋生雞”的哲學思辨。對某只雞來說肯定是某只蛋孵化出來的，但若將雞與蛋的概念放在自然演化的漫漫長河里，雞與蛋是同時進化而來。彈力與形變這兩者并無先后之分，為互為因果關系。與其相呼應的具體教學內容與哲學思考詳見表2。

表2 彈力與形變之間關系與哲學思考

3 穩定和諧的平衡，塑運動與相互作用觀

彈力的大小與物體的形變有關，但不易建立彈力的大小與物體的形變之間的定量關系，此時可通過物體的狀態來判斷彈力的大小及有無[6]。當物體處于靜止或勻速直線運動狀態時，若為二力平衡，則可以根據二力平衡的條件來計算彈力的大小。依據二力平衡規律求彈力的大小是培養運動與相互作用觀念的重要途徑。

通過探究下面3 個實例，讓學生強化根據二力平衡求彈力的方法，培養學生運動與相互作用的觀念。例題1：如圖3a 所示，木塊通過輕繩靜止懸掛于天花板上，木塊的重力大小為10 N，求輕繩對木塊的拉力F1的大小。例題2：如圖3b 所示，質量為2.5 kg 的A物體放置在水平桌面上保持靜止，求桌面對A物體的支持力F1的大小。例題3：如圖3c 所示，容器底面水平、側面豎直，A、B兩只鋼球的質量均為0.1 kg，分別靜止于容器底部的左右兩側，求容器底部和左側面分別對A鋼球的作用力大小，并畫出A鋼球所受力的圖示。

圖3 根據二力平衡求彈力的實物情境模型

根據二力平衡求彈力是重要的運動與相互作用的物理觀念，其蘊含著自然和諧的哲學思想。根據物體所處的狀態，結合對其受力情況進行分析，這是探究和解決物理問題的重要方法，運動與相互作用的觀念是物理學科核心素養的關鍵要素。平衡是物質運動的基本形態之一，反映了運動的一般規律，根據二力平衡求彈力，是此觀念下的一種重要方法。平衡是物理中常見的一種穩定狀態，根據二力平衡求解彈力大小與判定其方向的方法是哲學中平衡思想在力學中的具體體現。與之相適應的具體教學內容、核心素養與哲學思考詳見表3。

表3 根據二力平衡求彈力的核心素養與哲學思考

4 大道至簡的定律，塑模型建構能力

一般來說，施于物體的作用力越大，其形變量就越大，彈簧也是如此。利用這種正相關性，引導學生通過實驗來探究彈簧的彈力大小與其伸長量或壓縮量間的定量關系，建構胡克定律的物理模型。

為培養學生建構物理模型的科學思維能力，通過設計實驗探究彈簧的彈力大小與其形變量間的定量關系，讓學生親身經歷實驗方案的設計、數據收集、數據處理，利用表格、圖像等方法分析數據，總結實驗規律，形成清晰的物理模型[7]。先是讓學生感知彈簧的形變越大彈力就越大，分別測量彈簧的彈力大小及其對應的彈簧長度，力圖通過分析這兩組實驗數據來直接創建彈簧的彈力大小與彈簧長度間明晰的定量關系，但這是“由簡到繁”的數據分析法，問題的處理和解決相對復雜，在通常情況下學生是難以達成教學目標的；接著再讓學生嘗試由圖像分析法得出較簡單的線性關系進而轉換成正比的簡潔明晰關系，這是“由繁入簡”的數據分析法；最終結合彈簧拉伸或壓縮對應方向的伸長量或壓縮量（稱為形變量x）形成胡克定律的至簡關系：F=kx（適用范圍：在彈性限度內）。

利用胡克定律模型建構培養學生的物理學科核心素養蘊含著大道至簡的自然哲學觀。人們都相信宇宙萬物所遵循的規律是簡潔的，越是基本規律越簡潔。胡克定律的簡潔性是大道至簡哲學思想的具體體現。透過紛繁復雜的自然現象，其本質規律往往是非常簡潔的，越是高度統一的規律越為簡潔，這就是大道至簡觀念在自然科學中的真實寫照。圍繞胡克定律的具體教學內容、核心素養與哲學思考詳見表4。

表4 胡克定律模型建構的核心素養與哲學思考

綜上所述，高中物理學科的核心素養的很多關鍵要素實質上是哲學觀念的具體體現，因此，從哲學高度審視彈力的教學內容，有利于精準設計并有效落實更具深度培養學生核心素養的教學策略。教師借“剛柔相濟”的形變多樣性之美，培養學生多樣性的物質觀念，是多樣性與統一性辯證思想在核心素養中的具體體現；借彈力與形變的互為因果對稱之美，培養學生的相互作用觀念，是相互依存的矛盾辯證觀與“宇稱守恒”思想在核心素養中的具體體現；借二力平衡求彈力的穩定和諧之美，培養學生的運動與相互作用觀念，是協調、適應、平衡的自然和諧觀在核心素養中的具體體現；借胡克定律的大道至簡之美，培養學生的模型建構素養，是由表及里、由現象到本質的至簡哲學思想在核心素養中的具體體現。

致謝：本文在完成過程中得到了麗水市“綠谷名教師”培養工程理論導師任清褒教授的精心指導，特此致謝！