回歸學科本源 體悟科學探究
——“探究彈簧彈力與形變量的關系”課后反思

唐 洋

(上海市南洋模范中學 上海 200032)

本次公開課于2021年9月16日確定主題，直至11月30日開課，整個備課過程歷時兩個半月，教案較大幅度地修改了21稿，共試講4個班，教研員與教研組教師們多次參與聽課磨課，期間嘗試自制實驗器材，去以五金店著稱上海灘的北京東路選購各類彈簧……

回眸整個備課過程，可謂曲曲折折，比如在網上無法挑選到勁度系數適合實驗的彈簧，跑了大街小巷也無功而返，自制教具效果不佳，試講效果差強人意等等，這些困難著實讓筆者受到了不小的打擊.但正是因為這些不順暢，各種原有隱藏著的教育教學問題就開始在各個環節暴露出來，顯得別有一番價值，更有幸能在特級教師桑嫣老師和周靖毅老師的指導下，不斷地進行反思與調整，將問題逐個化解，才讓最后的公開課取得了一定的突破與成功，受到的啟迪頗多.

1 教學目標的升華 基于課標 結合學情 適度超越

1.1 進階版目標

關于教學目標的定位，可以基于《課程標準》，再結合學生的實際情況，進行適度超越[1].就本節課而言，依據《課程標準》要求：學生通過實驗了解胡克定律；在實驗中體會控制變量的思想；學習數據的記錄與分析方法，能根據證據得出結論；知道實驗存在誤差.

基于《課標》，根據我校學生基礎，提出希望通過課程進一步培養學生學科核心素養的進階版目標：

(1)如何進行實驗設計的能力(基于科學探究，結合科學思維，創獲作為結論的知識)；

(2)如何尋找證據，并得出相應的結論(證據意識)；

(3)如何組織語言，符合邏輯地表述觀點(解釋、交流能力)；

(4)如何評價結論獲得過程中存在的可改進之處(質疑、反思的批判性思維).

1.2 主要認知環節

根據教學目標，擬定需要學生經歷的主要認知環節如下：

(1)根據學科現象提出可以研究的學科問題，在討論中形成初步的實驗方案；

(2)基于初步的方案進行實驗探究，在探究過程中不斷調整研究方略，獲得數據并進行處理；

(3)對數據偏差進行分析，并由實驗得到結論，反思結論得出的過程所存在的不足，訓練其批判性思維能力，最終拓展到普遍的結論，經歷不完全歸納法的實驗探究過程；

(4)由科學結論到實際生活的應用與拓展，培養學生理論聯系實際的認知能力，將物理知識升華為物理觀念.

此外，本實驗作為高中階段第一個探究性實驗，除了通過實驗得出胡克定律，了解實驗思想、方法等技術性問題之外，還需在實驗過程中讓學生感受實驗與推理相結合的研究方法(此處主要借助不完全歸納法)，最終獲得結論.學生需要在整個過程中充分經歷觀察、猜想、實驗、歸納、交流、反思等環節，像科學家一樣體驗概念和規律的建立過程[2].

在考慮了培養目標之后，就要著手分析學生的認知起點：彈簧形變后產生彈力是一種常見現象，學生在生活中都有或多或少的觀察與經驗積累.那么經歷怎樣的認知過程才能從生活經驗中演繹出學科認知的切入點？

這需要辨析所研究的問題的學科特征，一般需要經歷對學科問題的知識與認知特征進行重新審視的認知思考.就本認知內容而言，可以通過對基于源問題的認知特征或認知方式的思辨來抉擇要明晰的認知途徑或方法，由此演繹出具有認知意義的探究過程.

首先是對知識的認知序思考：有效梳理與思辨學科現象的現象特征或屬性及其成因是形成解析物理學科問題的認知思路的重要切入點.基于現象構成元素的梳理、現象生成條件的把脈、現象內涵的外化表征、現象本源的成因解析等，以此演繹出學科的知識性問題，即“是什么”“怎么樣”“為什么”：什么是彈簧彈力？彈簧彈力有什么規律？為什么形變會產生彈力？

最后根據上述對知識序與教學序的認知梳理，形成了以問題鏈形式開展的課堂教學設計.

1.3 主要認知任務

認知任務1：溫故知新(“是什么”)

認知活動：回顧彈力的定義與產生過程，作為后續認知的起點.

設問：(1)什么是彈力？

(2)彈力是怎么產生的？

(3)物體發生形變是否就一定存在彈力？

認知任務2：現象成因剖析(“為什么”)

認知活動：透視學科現象的成因.

聽劉麗芳這么一說，歐陽鋒額頭上直冒虛汗，心想這下糟了，看來自己真的進錯了房門上錯了床，只覺渾身燥得厲害。

設問：為什么彈性形變恢復原狀會產生彈力？

認知任務3：現象屬性與特征梳理(“怎么樣”)

認知活動1：在思辨中形成認知方略.

設問：(1)根據生活經驗，同一彈性物體，形變越大，產生的彈力越大.那么，彈力與形變之間存在怎樣的定量關系？

(2)生活中很多是微小形變，直接研究難度較大，先研究可以發生明顯形變的彈簧.你會如何利用彈簧研究彈力與形變大小的定量關系？

(3)需要測量什么物理量？如何測量？

認知活動2：策劃實驗方案，進行實驗探究.

(1)給定刻度尺、砝碼(50 g,10 g若干)、鐵架臺，根據給定的器材，設計實驗方案，并完成測量.

(2)在數據處理過程中，你會如何尋找彈力與形變量的關系？

(3)你會如何進行誤差分析？

認知活動3：對實驗結果進行深度發掘.

設問：(1)圖像的斜率具有怎樣的物理意義？

(2)勁度系數κ與哪些因素有關？給定直徑、粗細、材質不同的彈簧，請根據本節課所給的器材進行實驗，尋找證據支持你的猜想.

認知活動4：理論聯系實際，布置單元探究任務.

長期單元探究任務：(1)以圖片形式展示火車、轎車、自行車中的減震彈簧，要求比較各彈簧的勁度系數，并尋找證據支持自己的觀點；

(2)調查生產生活中所用彈簧的形狀及使用目的，并制作展示海報；

(3)制作一個簡易彈簧測力計，用胡克定律解釋其原理，并完成對生活中常見物體重力大小的測量，形成探究報告；

(4)嘗試設計其他的實驗方案探究該課題，對比各種方案的優劣之處，形成一份演講稿，用PPT形式展示.

2 深度備課的提出 追溯本源 增強底蘊 厚積迸發

教師本體性知識要強化，這是將真實的科學探究注入物理課程，是真正開始教物理的必要前提之一.

作為一線教師，我們在學生時代學習了物理學知識，但隨著科技的發展，人類對自然現象的本質有了進一步的深入研究，原有的不少概念如今被修正了，由此就要求教師腦海中原有的學科本體知識需要與時俱進地更新，一來避免出現科學性錯誤，二來能讓深度的物理學習在課堂中發生.

在本節課備課過程中，按照桑老師和周老師的要求，前期查閱了與所講授知識點相關的學科本質知識，比如明確 “彈力是怎么產生的”以及“彈力的成因”是兩個不同的學科問題，前者是“彈性物體恢復原狀產生的力”(表象)，后者是“分子間的電磁作用力”(本質)，兩者是不能混淆的，否則會出現科學性錯誤.這就要求教師在講授彈力、摩擦力等宏觀作用力前，要能從其微觀本質機理(電磁相互作用力)的角度進行深度備課.而為了學生能夠接受，由此生成的教學內容則要能“輕輕放下”，即根據學生的程度，適度點擊現象本質，但不用過度展開，這樣既可以避免由于學生學科本體知識不足導致的聽課困難，又能讓學生對學科本體性知識有一定深度的了解.

除了對學科本體知識的把握以外，教師對知識的特征也要有清晰的認知.胡克定律屬于較為典型的“經驗性現象規律類知識(側重是什么、怎么樣)”，與“哲學層面的概念抽象，微觀解釋類知識”(側重為什么)的物理結論有所不同(前者偏工程學視角，后者偏理論物理學范疇).如果能明晰知識的特征，在教學中才能對相應的結論分類處理，并選擇合適的教學方式，生成邏輯指向明確的課堂教學.

倘若進一步審視以胡克定律為代表的“現象→規律”的經驗型規律，往往容易只看到現象的表面，或者現象的部分，容易存在一定的片面性，屬于古典的科學研究方式，與近代的“理論推演→實驗”的科學研究認知路徑存在差異，由此生成的課堂教學也會遇到一定的挑戰.

比如在試講的誤差分析環節，遇到了學生作的F-x(彈簧彈力與形變量)圖像并不過坐標原點，而且是呈現整體向上偏移的情況，一開始筆者簡單地將其處理為“實驗誤差”，查閱一些資料后也僅了解到“彈簧自重對實驗結果有影響”，但這樣的簡單處理其實犯了科學性的錯誤.

經過桑老師在備課階段的指導后，筆者才意識到：測量中的偶然誤差，根據誤差理論，偏大偏小的概率基本一致，因此，作圖后直線并不會出現向某一方向偏移的情況，而如果直線向某側整體偏移，說明是有其他干擾因素存在.

現實生活中的彈簧是有重量的，如果考慮形變過程中其質心的移動情況，我們會發現，由于懸掛鉤碼的施力點位于彈簧的下端，而力的作用點附近部分所發生的相對形變較大，導致彈簧上端被拉開的距離小，下方被拉開的距離大，造成彈簧質量分布變化，因而在被向下拉長的過程中，其質心卻發生了上移，最終會出現測量圖像的整體偏移現象.當年胡克也發現了這個問題，并考慮到了這個質心移動的因素，對此進行了修正，最終才得到了正比的關系.

在實際實驗中，為了減小質心偏移所產生的誤差，應選擇質量盡可能小的彈簧，進行實驗后，會發現質量越小的彈簧獲得的圖像越接近正比，因而可以推論出，當彈簧質量為零，即是一根理想模型的輕彈簧時，會滿足正比關系.

對物理規律是如何獲得的，學生和教師都要能像科學家一樣地進行思考.這就需要教師深諳學科知識探究的歷史，知道科學家們曾遇到過的問題.這樣才能開拓自身學科視野，增厚學科底蘊，在課堂上做到厚積而薄發.此外，唯有教師真正地進入了物理學探究的世界，面對學生出現的各種問題，或者是有深度的提問時，才接得住，師生也有可能圍繞問題進行深入的探討，讓真正的物理探究發生，否則只會因為教師本體性知識火候不到位，讓討論與探究都停留于現象的表層，看似進行了探究，實則是“偽探究”.

此外，教師也應意識到，現如今的學生能廣泛接觸到各種信息，其前期的學科知識儲備并非“一無所有”，所以，如何備學生，需要教師進行恰當的預測，比如可以在準備下一個階段的授課前，教師有意識地與學生進行交流，了解他們對之后所要講授的學科知識的了解程度，有點“課前測”的意味，以此為學生的認知起點，再進行備課.

3 課堂重點的轉移 學生本位 注重生成 精巧設問

課堂教學質量的觀察點并非僅僅停留在“教師講得怎樣”，更要關注學生回答的“質量”.其中“質”是指學生對知識掌握的外顯化行為表現——聽講神態(是否全神貫注、興趣盎然)、表述情況(是否邏輯清晰、用語規范精準)、付諸筆端(能否用學科語言流暢表達).“量”則體現在有多少學生能夠回答(是否能集體回答、課后班級作業反饋的情況).

與此同時就要適度弱化教師對課堂的主導地位，不過度關注教學框架，聚焦學生的生成性問題.課堂教學需要通過教師的引導完成知識的教學目標，但不宜過“度”——只關注知識本身教學是否完成，而忽視學生學習中出現的問題.教學的對象是學生，而不是知識，知識是培養學生的載體，建立概念的過程是橋梁，最終通向培養學生高階思維的彼岸.

這就需要教師將課堂教學關注點由知識轉移到學生，面對學生的回答，我們要做到真正在聽，并給予反饋和評價.課堂教學中，當教師提出問題，我們心中會有一個期望的答案，這時候，提問就像是在開彩票，有學生答對了，我們就中獎了，因為這個期盼的答案可以讓課堂流程得以推進，卻忽略了學生回答中出現的思維火花，尤其面對學生的回答并不是我們預設的答案(往往其中也有部分合理性)，我們就會選擇忽視，久而久之，學生會覺得無趣，因為教師僅關注自己需要的那個答案，并沒有關注自己的想法.有效的課堂對話，教師首先要做到用心聽其思維，學生的回答常常是不完整，但部分合理，這時候教師就要進行現場的評價處理：先“評”——回答好在哪里，不好在哪里；后“價”——進行學科思維的引導，指明進一步思辨的路徑.在師生、生生的思維互動中，逐步達成共識，完成科學探究的過程，于每一次問答中潛移默化地提升學生的學科素養.

教師應該盡量少講，哪怕糾錯的環節，也讓學生們相互指出.當一位同學起身表達自己的觀點，其中有明顯的科學性問題時，教師不要急于下論斷“對”或“錯”，可以讓其他同學來評價，通過生生之間的互動來完成概念漏洞的填補.充分經歷元認知中的反思環節，讓師生“一對一”的對話擴容到“一對多”甚至“多對多”的范圍，放大課堂問答的范圍，提升效益度，讓盡可能多的同學在思維碰撞中獲益.與此同時，對于學生表述的不規范性，由于其他同學未必能準確糾正，這個可以由教師來完成.

為了讓學生能充分地表達，課堂設問還要講究技巧，目標要指向有效思維，避免錯判斷式、填空式提問，多問：“怎么樣”“為什么”“怎么做”“你獲得結論的思維依據是什么”等能打開思維空間的問題.

比如教學初稿中的設問：

(1)物體發生形變，是否就一定存在彈力？

(2)彈力與形變有什么關系？

(3)什么是形變？

(4)什么是彈簧的彈力？

試講時學生回答過程中興趣度不大，甚至有同學自顧自地玩兒彈簧，不聽課.

公開課調整為:(1)彈力是怎么產生的？(2)人站在教室的地板上，我們并沒有觀察到地板形變，人與地板間卻有彈力存在.物體發生形變是否就一定存在彈力？(3)為什么彈性形變在恢復原狀的過程中會產生彈力？(4)根據生活經驗，同一彈性物體，形變越大，產生的彈力越大.那么，彈力與形變之間存在怎樣的定量關系？(5)你會如何利用彈簧研究彈力與形變大小的定量關系？(6)測量什么物理量？(7)如何測量？開課過程中，學生興趣度很高，爭先回答，原因是課堂設問恰當， 學生的思維就被激活了，他們對問題感興趣，愿意表達，課堂氣氛熱烈.

4 結束語

每一次的公開課教學，都是自我挑戰與突破的契機.在過程中遇到的一樁樁困難，實則昭示了一次次成長的機會，我們可以借此反思原本習以為常的教學行為，促使自己洞悉未曾發現的問題，更能在經驗豐富的同儕指導下，覓得化解的良方.每解決一個問題，我們就會收獲專業的成長與發展，進而愈發理解教育教學的本質.在開設公開課后，并不意味著結束，反而是一個新的開始，我們可以把公開課里體悟到的教育教學理念、教學技巧融入家常課中，力求優化后續的每一節物理課.而這也是公開課真正的目的，給教師以成長的平臺，在不斷提升自我的過程中，讓學生收獲更優質的學習體驗.