學生“物理觀念”形成導向的教學設計

任浩源　李衛東

摘 要：物理觀念的形成水平十分影響學生解釋自然現象和解決實際問題的能力，無論是從實現教育目的的角度，還是從達到教學效果的角度考慮，教師都應在物理教學設計的過程中有意地促進學生物理觀念的形成，讓學生在建構知識的過程中形成相應的物理觀念，從而提高學生的物理核心素養。

關鍵詞：物理觀念;教學設計;核心素養

作者簡介：任浩源（1998—），男，延安大學，碩士研究生在讀。

李衛東（1957—），男，延安大學，教授。

一、問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中提出了物理核心素養的概念，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。其中，“物理觀念”是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[1]。這要求學生在學習物理知識的過程中要明確知識內部的邏輯結構，并在運用物理知識解決實際問題時體會知識所蘊含的實用價值，從而形成正確的物理觀念。

有部分學生學習物理知識后雖然可以復述定理定律，默寫物理公式，但在解決實際物理問題時卻沒有思路，一看答案就會，教師一講就會，但換一個題設或者改變一種問法就找不到解答方向。這種現象產生的主要原因是學生只是初步認識了物理知識，沒有形成物理觀念或者物理觀念不強。

不同學生的物理觀念也不完全相同，不同學生形成物理觀念的水平也不完全一致。這就要求物理教師在做教學設計時要制訂提升物理觀念的教學目標，在教學的過程中充分利用物理學史，注重方法引領，從而促進學生物理觀念的形成[2]。

二、學生“物理觀念”形成導向的教學設計

學生物理觀念的形成和發展只有通過其對物理概念、物理規律等內容的學習和應用才能逐步完成。學生在對物理概念和規律的學習過程中會不斷地反思和遷移，在腦海中逐漸形成自己的觀念框架，并隨著物理知識的完整性的逐漸增強，再由一個個子觀念構成物質、運動與相互作用、能量三個大的物理觀念。隨著學生物理觀念水平的發展，其解釋自然現象和解決實際問題的能力也會逐步提升。

以學生物理觀念的形成為目標的教學設計必須能夠指導學生在學習過程中理解和應用物理概念和物理規律。教師在教學設計的內容上應注重以下幾個方面，首先是課堂的導入環節，教師要注重物理環境的創設，可以利用實驗現象的呈現或者原始物理問題的提出，將學生的思考方向逐步引導到課程內容上;其次是要注重激發學生的探究欲望，教師可以在提出問題或假設后激勵學生自主設計實驗，或自主進行推理演繹，使學生在試錯和糾錯的一系列過程中體會科學思維的發展過程;最后是要注重對科學探究的結果進行應用，最直接的應用方法是解決導入新課時提出的問題或解釋導入實驗呈現的現象，也可以通過新設問題的解決來應用物理知識，但應注意的是教師所創設的問題要有相應的情境，最好是學生在生活中能夠見到、聽到或熟知的場景，這樣的情境應用有助于學生形成相應的物理觀念。

筆者以人教版高中物理必修1第四章第一節中的“牛頓第一定律”的教學為例，結合學生“物理觀念”的形成需求進行教學設計。

（一）教材及學情分析

牛頓第一定律是聯系運動學和力學的紐帶，也是學習動力學知識的基礎，在整個經典力學知識體系中占有重要地位。高中物理教材要求學生領悟理想實驗的思想方法，通過對慣性的學習進一步認識質量[3]。通過初中物理的學習，學生了解了牛頓第一定律的內容，并能用慣性知識解釋一些相關現象。然而，學生對牛頓第一定律的建立過程和適用范圍并不十分清楚，這是學生在高中再一次學習牛頓第一定律需要解決的問題。

（二）教學目標設計

1.教師通過對牛頓第一定律的分析，讓學生了解慣性的內涵，并能夠用牛頓第一定律來解釋相關的物理現象，形成一定的運動與相互作用觀念基礎。

2.教師通過對伽利略理想斜面實驗的研究，讓學生了解實驗+推理的科學思維方法，培養學生科學推理的思維能力。

3.教師通過設計實驗探究影響慣性大小的因素，培養學生設計、操作實驗的科學探究能力。

4.學生通過對牛頓第一定律適用范圍的學習，明白科學是可證偽的，科學的理論都是在不斷發展和完善的，并形成不懈追求真理的科學態度與責任。

（三）教學主要過程設計

【教師活動1】教師將一個乒乓球與另一個等大的實心金屬球靜止放在水平桌面上，請三位學生依次用力吹兩個小球，看乒乓球和金屬球哪個更容易吹動，其用一個小實驗導入新課“牛頓第一定律”。

【細節把控】兩球的體積應盡可能相等，并且桌面要用水平儀找平，從而減小實驗的誤差。

【學生活動1】三位學生用力分別吹兩個小球，發現乒乓球容易吹動，金屬球難以吹動，全體學生觀察現象并嘗試分析原因。

【設計意圖】學生親身參與新課導入實驗，感受改變不同質量的物體運動狀態的難易程度，獲取直接經驗，為物理觀念的形成奠定基礎。

【教師活動2】教師帶領學生閱讀課本內容，并解釋亞里士多德在研究物體運動原因的過程中堅持的觀點：力是維持物體運動狀態的原因。

【細節把控】力的概念是牛頓建立的，在亞里士多德或者伽利略時期并沒有將所有相互作用的概念抽象成“力”，課本里這樣表述是為了方便理解。這一點教師有必要給學生講清楚。

【學生活動2】學生通過課本和教師的講解，對亞里士多德所持觀點的合理性進行判斷，各抒己見，踴躍發言。

【設計意圖】教師引導學生經歷當年科學家在理論探索過程中的思想碰撞，了解牛頓第一定律建立之前人類對物體運動原因的認識。

【教師活動3】教師演示如圖1所示的實驗，使一個小球從斜面的某一高度由靜止開始下滑至平面，并在平面上繼續滾動直至停止。教師通過改變平面的粗糙程度進行多次實驗，例如在平面鋪上粗布、用木板做平面、用玻璃做平面等。比較小球在不同粗糙程度的平面上滾動的距離遠近，并讓學生嘗試分析為什么小球在不同平面上運動的距離不同。

【細節把控】平面要用水平儀找平，且每次實驗都要保證小球在斜面的同一高度由靜止釋放，從而使小球具有固定的初速度。為了使實驗現象有明顯對比，平面應在條件允許的情況下盡可能足夠長。

【學生活動3】學生觀察實驗現象并得出結論：平面越光滑，小球的移動距離就越遠，這可能是不同的摩擦力大小造成的。

【設計意圖】教師使用控制變量法進行實驗，引導學生將該實驗現象歸因于摩擦阻力，為進一步提出假設做好鋪墊。

【教師活動4】教師基于“平面越光滑小球運動距離越遠”這一結論提出問題：如果平面完全光滑，沒有摩擦阻力，小球的運動情況將會怎樣？

隨后，教師介紹伽利略的假設和理想實驗。伽利略得出的結論是：如果沒有摩擦阻力，小球將永遠運動下去。并設計了一個理想的實驗來證明，如圖2所示。教師讓一個小球從靜止狀態沿著一個斜面向下滑動，小球就會沖向另一個斜面，如果沒有摩擦力，小球就會上升到原來的高度。接著教師減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面上仍然會達到相同的高度，但此時小球會運動得更遠。教師繼續減小第二個斜面的傾角，當球達到相同高度時，小球會運動得更遠。

基于以上實驗，教師再次提問：若將第二個斜面放平，小球的運動情況將會怎樣？

【細節把控】教師要強調理想實驗的科學性和重要性，我們既不能完全消除摩擦阻力，又不能把第二個斜面做到無限長，所以伽利略的實驗是個理想實驗。但理想實驗也是建立在真實的實驗事實之上的，是經過科學推理的，并不是完全的主觀猜想。

【學生活動4】學生根據教師的提問進行思考，如果沒有摩擦阻力，小球從第一個斜面滑下后應該會在第二個斜面沖到和初始狀態一樣的高度。如果改變第二個斜面的傾斜度，直到斜面變平，小球將永遠無法達到其原始高度，于是小球將會一直運動下去而不需要力的作用，所以亞里士多德的觀點是錯誤的，力不是維持物體運動狀態的原因。

【設計意圖】教師利用提問巧妙地引導學生的思路，通過再現伽利略的理想斜面實驗，使學生經過思考后自覺否定錯誤的觀點，形成正確的物理觀念。

【教師活動5】教師闡明笛卡兒的觀點：如果運動的物體不受外力的影響，它將繼續以相同的速度沿著同一條直線運動，不會停止或偏離原始方向。

教師介紹牛頓第一定律的內容：牛頓在伽利略和笛卡兒的研究基礎上進行了研究和總結，并在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中提出了三條運動定律。其中，第一條定律是：所有物體始終保持勻速直線運動或靜止狀態，除非作用在其上面的力迫使其改變這種狀態。我們稱物體保持勻速直線運動或靜止狀態的性質為慣性。

【細節把控】教師要注意對學生進行正確引導：盡管亞里士多德最終沒能得出正確的結論，但可貴的是他提出了研究物體運動與受力關系的想法，這給之后的科學家們指明了研究的方向，從這一角度來看亞里士多德也有值得肯定的地方。

【學生活動5】學習牛頓第一定律的建立過程后，學生明白了一個科學的一般定律的形成是通過人們不斷的探索和研究得來的。

【設計意圖】教師通過講述伽利略的理想實驗得出正確的結論，再結合笛卡兒的進一步修正，最終由牛頓總結出慣性定律的過程，將人類科學發展進步的艱難歷程呈現給學生，從而培養學生敢于試錯和不懈努力的科學態度與責任感。

【教師活動6】教師幫助學生深入理解牛頓第一定律?！八形矬w”說明這一定律具有普適性;“除非”說明作用力是改變物體運動狀態的原因;也可以把物體的慣性大小理解為改變物體運動狀態的難易程度;自然界中不存在完全不受外力作用的物體，但是當物體所受的合外力為零時，也會保持勻速直線運動或靜止的狀態。

隨后，教師引導學生設計一個小實驗以探究影響物體慣性大小的因素。

【細節把控】在學生設計實驗的過程中，為了節約課堂時間，教師可以適當地給出幾個相關因素，例如物體的質量、體積、受力情況等，引導學生用控制變量法設計實驗。

【學生活動6】學生設計實驗探究影響物體慣性大小的因素，在教師的幫助下，最終得出結論：物體的質量是決定物體慣性大小的唯一因素。

【設計意圖】學生在初中階段學習的“質量”是物體所含物質的多少，通過這節課的學習，學生進一步認識了質量是物體慣性大小的唯一量度。

【教師活動7】教師回顧課堂的導入實驗并提問為什么金屬球比乒乓球更難吹動？然后對牛頓第一定律進行適當的情境應用。例如，有關數據顯示，行駛速度為100km/h的轎車緊急剎車直至速度為0所需的制動距離約為35m，而行駛速度同樣為100km/h的火車，其制動距離大約需要1000m，改變的速度大小相同，所需的制動距離卻相差甚遠，請學生嘗試利用牛頓第一定律的內容解釋說明。最后，教師進行課堂小結。

【設計意圖】學生要形成物理觀念，必須學會從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題，所以在進行新課教學后，教師要適時創設相應的實際情境來應用當堂的物理知識。

三、總結

學生物理觀念的形成是一個漫長的過程，需要教師通過每一節物理課的有意設計來推進。教師通過創設物理情境、提出物理問題、再現建立過程、充分應用實際情境加深印象等手段，使學生在學習物理課程的過程中不僅能理解和掌握物理知識，更能將物理知識靈活應用到實際情境中以解釋現象和解決問題。但不同的學生由于具有差異性，其通過學習物理課程形成的物理觀念水平不同，這就需要物理教師及時做好形成性評價，從而對物理教學設計進行不斷改進，力求全體學生形成較高水平的物理觀念。

[參考文獻]

中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

陳啟添.關注物理觀念 培育核心素養[J].湖南中學物理，2020（11）：19-20.

人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理 1 必修[M].北京：人民教育出版社，2010.