指向?qū)W科大概念的高中物理U型教學(xué)策略*
——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215411)

2018年1月教育部頒布了20個(gè)學(xué)科的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，并在前言中明確指出“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”[3].學(xué)科大概念是課程內(nèi)容的主要組織形式[4]，是在事實(shí)基礎(chǔ)上抽象出來的聚合概念，對它的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷一個(gè)曲折的過程，“ U型”學(xué)習(xí)過程正好能幫助學(xué)生理解其本質(zhì).

1 什么是U型過程和學(xué)科大概念

1.1 U型過程的內(nèi)涵

杜威認(rèn)為知識(shí)不能直接進(jìn)行傳授，知識(shí)的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過程，即還原與下沉、體驗(yàn)與探究、反思與上浮的過程，這一過程恰似“U型”.學(xué)生首先要將書本知識(shí)還原與稀釋，還原的過程即知識(shí)的“下沉”過程.U型的底部是學(xué)生對對知識(shí)進(jìn)行體驗(yàn)、對話與探究的過程.第3個(gè)環(huán)節(jié)是反思性思維的過程，經(jīng)過元認(rèn)知過程將符號(hào)知識(shí)進(jìn)行升華，實(shí)現(xiàn)公共知識(shí)的個(gè)人意義達(dá)成[5,6].

1.2 學(xué)科大概念的內(nèi)涵

學(xué)科大概念是在一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中最精華、最有價(jià)值的內(nèi)容，是在事實(shí)基礎(chǔ)上抽象出來的深層次的、有意義的、結(jié)構(gòu)化的和可遷移的聚合概念，在學(xué)科中發(fā)揮著概念“文件夾”和“透鏡”的作用，通常表現(xiàn)為一個(gè)有用的理論、主題、問題和原則等，學(xué)科大概念需要學(xué)生經(jīng)歷反復(fù)地探究與思考才能揭示其意義[1].

2 為什么U型過程能促進(jìn)學(xué)科大概念的理解

揭示學(xué)科大概念的過程需要以現(xiàn)象和事實(shí)等大情境為基礎(chǔ)進(jìn)行濃縮知識(shí)的稀釋，即還原與下沉的過程；需要以大問題為引領(lǐng)縱向聯(lián)結(jié)、橫向整合學(xué)習(xí)內(nèi)容，并以挑戰(zhàn)性任務(wù)為評估依據(jù)促進(jìn)不斷整合，實(shí)現(xiàn)物理概念的“生長”和“變大”，表現(xiàn)為理解概括，即體驗(yàn)與探究的過程[7,8]，在獲得學(xué)科大概念的基礎(chǔ)上去解決陌生情境中的實(shí)際問題，表現(xiàn)為遷移應(yīng)用，即反思與上浮的過程，具體的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3].

圖1 學(xué)科大概念的層級(jí)結(jié)構(gòu)

基于對U型學(xué)習(xí)過程和學(xué)科大概念內(nèi)涵的理解，教學(xué)中基于大情境，促進(jìn)還原與下沉，激活學(xué)科大概念；基于大問題，促進(jìn)體驗(yàn)與探究，建構(gòu)學(xué)科大概念；基于大反思，促進(jìn)反思與上浮，遷移學(xué)科大概念，如圖2所示.

圖2 學(xué)科大概念的教學(xué)過程

3 指向?qū)W科大概念的高中物理U型教學(xué)策略

“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)蘊(yùn)含著“機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與守恒”這一學(xué)科大概念，下面基于U型過程對機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與守恒的理解過程進(jìn)行探討.

3.1 基于大情境促進(jìn)還原與下沉激活學(xué)科大概念

大情境是指在簡化、剪輯與凝練學(xué)生的生活體驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)置適合學(xué)生學(xué)習(xí)、具有較大程度的綜合性、與大量物理知識(shí)相關(guān)的問題情境，如圖3所示，從不同的角度分析會(huì)發(fā)現(xiàn)與不同的知識(shí)發(fā)生關(guān)聯(lián).通過設(shè)置大情境，促進(jìn)對物理知識(shí)還原與下沉，讓學(xué)生回到知識(shí)的發(fā)生處，激活學(xué)科大概念.

圖3 基于大情境的分析

教學(xué)片斷1：在“機(jī)械能守恒定律”的引入階段，新教材是利用伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明，但斜面實(shí)驗(yàn)畢竟是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，不能直觀顯示出“等高”.筆者應(yīng)用如圖4所示的模擬蕩秋千情境，一個(gè)結(jié)實(shí)的繩子一端連接一質(zhì)量較大的鐵球，另一端固定在天花板上.一學(xué)生緊靠墻角站立，將鐵球拉到緊靠鼻尖處，接下來放手，其他學(xué)生觀察鐵球的運(yùn)動(dòng)情況.

圖4 擺球?qū)嶒?yàn)

實(shí)驗(yàn)觀察到,鐵球來回?cái)[動(dòng)，回來時(shí)基本剛好能接觸到該學(xué)生鼻尖，真是有驚無險(xiǎn).

鐵球的位置既不變高，也不變低，說明這個(gè)過程中有某個(gè)物理量是不變的，即守恒.接下來從前面剛學(xué)過的重力勢能和動(dòng)能變化角度進(jìn)行分析，有效激活學(xué)科大概念，并且從不同角度分析這個(gè)情境會(huì)鏈接到不同的知識(shí)點(diǎn)，它就是一個(gè)很好的“大情境”.

角度1：分析該過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化，動(dòng)能和重力勢能在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變，得到機(jī)械能守恒定律.

角度2：分析鐵球運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，總可以在另一側(cè)上升到原來的高度，并與伽利略的斜面模型類比，有助于得出牛頓第一定律.

角度3：繩子很長，人的尺寸可以忽略不計(jì)，繩子相對人的質(zhì)量也可以忽略不計(jì)時(shí)，建立單擺模型.分析鐵球受力特點(diǎn)，寫出動(dòng)力學(xué)方程，說明鐵球的來回?cái)[動(dòng)屬于簡諧運(yùn)動(dòng).

角度4：分析鐵球與另一個(gè)模型的碰撞，結(jié)合碰撞前的過程和碰撞后的過程機(jī)械能守恒，得到動(dòng)量守恒定律.

3.2 基于大問題促進(jìn)體驗(yàn)與探究建構(gòu)學(xué)科大概念

大問題是聚焦于學(xué)科大概念、處于學(xué)科或課程的核心位置、超越知識(shí)本身并能夠促進(jìn)對某一特定主題內(nèi)容的理解、激發(fā)知識(shí)間聯(lián)系和遷移的綜合性問題.大問題可以分解為若干具體問題或子問題，通過對一個(gè)個(gè)具體問題串的體驗(yàn)與探究，實(shí)現(xiàn)大問題的解決，理解探究過程中蘊(yùn)含的思想方法，建構(gòu)學(xué)科大概念，如圖5所示.

圖5 基于大問題的教學(xué)過程

教學(xué)片斷2：學(xué)生猜想,動(dòng)能和重力勢能在相互轉(zhuǎn)化過程中,以及彈性勢能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化過程中，機(jī)械能的總量可能保持不變.

接下來提出大問題：如何驗(yàn)證自己的猜想呢？

物理學(xué)科教學(xué)過程中很多規(guī)律和結(jié)論的得出都是基于觀察、實(shí)驗(yàn)和猜想，上面的問題是反復(fù)出現(xiàn)，并指向?qū)W科大概念，所以是大問題.

學(xué)生提出可以通過實(shí)驗(yàn)探究來驗(yàn)證.對于實(shí)驗(yàn)探究馬上提出以下問題串：設(shè)計(jì)什么樣的實(shí)驗(yàn)方案？實(shí)驗(yàn)中要測量什么？用到哪些儀器？如何進(jìn)行測量？

對這些問題的思考與討論，幫助學(xué)生想到基于自由落體運(yùn)動(dòng)并借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，也就是教材中提供的一個(gè)參考方案.但按照這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案去做，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)阻力不可忽略，實(shí)驗(yàn)誤差較大.

筆者借助DIS平臺(tái)對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6 驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)裝置

(1)在鐵架臺(tái)相距較遠(yuǎn)的地方固定兩個(gè)光電門傳感器；

(2)在兩個(gè)光電門正上方用一個(gè)寬度為2 cm，長為5 cm的鋼片作為擋光片，這樣做的優(yōu)點(diǎn)：不需要維持兩光電門的小孔完全在同一條豎直線上，即使錯(cuò)開一點(diǎn)也沒關(guān)系，由于它的長度為5 cm，在鋼片下落時(shí)足以保證擋光的寬度始終都是2 cm；

(3)鋼片釋放時(shí)用一個(gè)夾子進(jìn)行控制，這樣一方面可以保證鋼片的初速度為零，另一方面也可以保證鋼片在下落過程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時(shí)利于多次重復(fù)試驗(yàn).

學(xué)生提出還可以通過理論探究，鼓勵(lì)學(xué)生建立物理模型，分析運(yùn)動(dòng)過程，運(yùn)用動(dòng)能定理進(jìn)行論證推理，得出自己的結(jié)論，教學(xué)過程這里不再贅述.

3.3 基于大反思促進(jìn)上浮與應(yīng)用遷移學(xué)科大概念

在體驗(yàn)與探究后，引導(dǎo)對學(xué)生對自己學(xué)習(xí)的結(jié)果、關(guān)系、過程和方式進(jìn)行反思與評價(jià)，如圖7所示.通過全方位的反思，促進(jìn)學(xué)生理清知識(shí)內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，理解知識(shí)背后蘊(yùn)藏的意義和價(jià)值，這就是獲得學(xué)科大概念的過程，有了學(xué)科大概念，然后應(yīng)用大概念解決實(shí)際問題[9].

圖7 基于大反思的教學(xué)過程

教學(xué)片斷3：讓學(xué)生回顧和反思機(jī)械能守恒定律的理論探究過程.提出問題，如果向上的空氣阻力較大，不可忽略，機(jī)械能還守恒嗎？如果不守恒，是減小還是增大？變化量為多少？如果小球向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)受到一個(gè)向下恒定的拉力，機(jī)械能還守恒嗎？如果不守恒，是減小還是增大？變化量為多少？

對上述問題的分析和研究將得出機(jī)械能守恒的條件：只有重力或彈簧彈力做功.物體運(yùn)動(dòng)過程中如果有其他力做負(fù)功，機(jī)械能將減小，做了多少負(fù)功，機(jī)械能將減小多少；如果有其他力做正功，機(jī)械能將增加，做了多少正功，機(jī)械能將增加多少，聯(lián)結(jié)到功能關(guān)系這一學(xué)科大概念.

最后，利用“機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒”這一學(xué)科大概念解決一個(gè)實(shí)際問題.生活中很多學(xué)生會(huì)利用后端帶彈簧的圓珠筆玩一個(gè)小游戲：將其后端放在桌子上豎直向下按壓，突然放手后會(huì)彈起一定高度.若已知圓珠筆的質(zhì)量，請只利用手頭的刻度尺得出圓珠筆離開桌面時(shí)的速度大小以及彈簧的最大彈性勢能.