從整體性“視角”窺教學之“死角”

朱庭榮

摘 ? 要：整體性物理思維是指執教者從知識的序列化與系統性的特點出發，以學科素養為“視角”，剖析物理圖景整體或部分的難點知識——俗稱教學“死角”。文章以“超重和失重”教學設計為例，讓精心設計的實驗與環節致力于整體性物理思維的培育，從整體性“視角”窺教學之“死角”，提升學生學科素養。

關鍵詞：整體性；物理思維；超重和失重

從現行的高中物理課程編排來看，架構是條理清晰的；從不同章節內容來看，知識卻是細碎的。不少的高中學生學習物理只曉得一點一點累積知識，卻不懂得從大到小整體性理解和梳理物理觀念和規律，導致不容易形成完整的高中物理知識體系。學生雖然學習很自覺很賣力，但依然沒有收獲應有效果和成就感，越學越茫然，畏難或逃避的心態也隨之越來越強烈。在教學中教師仍有重點突出不透徹，難點突破不順暢，知識和規律雖重復多次卻面臨收效甚微的窘境。學生學習本就是一個整體，是集學生認知、教師視野、教學內容、教學策略、教學活動及教學環境等部分構成教學實踐的整體。教師進行教學設計，引導學生形成知識體系，理清知識間的內在關聯，讓物理回歸生活實踐，須具備整體性物理思維。整體性物理思維是指執教者從知識的序列化與系統性的特點出發，以學科素養為“視角”，剖析物理圖景整體或部分的難點知識——俗稱教學“死角”。本文以“超重和失重”教學設計為例，讓精心設計的實驗與環節致力于整體性物理思維的培育，從整體性“視角”窺教學之“死角”，提升學生學科素養。

1 ?課程標準——構建教學“主軸”

高中物理課程必修一強調在物理情境中培育運動與相互作用等觀念的學科核心素養。運動定律與相互作用是力學的軸線，它串起這部分的所有物理知識與規律。無論勻速直線運動或勻變速直線運動，還是拋體運動或勻速圓周運動等幾種高中物理運動典型的實質都沿這條軸線進行延伸，科學探究活動也是沿這條軸線展開的具體實踐。每個知識的達成與運用均不是孤立的，是由前“因”得到后“果”，基于整體的前“因”后“果”，便可舉一反三，活學活用。

“超重和失重”在普通高中物理課程標準中的要求是：“通過實驗，認識超重和失重現象。”要求學生能通過乘坐電梯等一系列實驗或具體的課堂活動來了解和體驗超重和失重。牛頓第二定律完美詮釋了物體的加速度跟其所受合外力和質量各自的關系，是牛頓運動定律體系中的核心定律。“超重和失重”是在學完牛頓運動定律整體后第一次知識的遷移和典型的應用，也是遷移性思維和延伸性思維的重要載體。依據課程標準，構建教學“主軸”。首先，通過運動學和動力學兩種觀點對產生超重和失重原因進行分析，使學生逐漸養成分析問題的整體性思維。其次，巧用學生日常生活實例與信息技術，激起學習興趣，培育學生遷移性思維。最后，讓學生了解現代航天技術中的超重和失重現象，激發學生科學責任與民族自豪感。

2 ?整體思維——鋪設教學“干路”

超重與失重的教與學，必須聚焦物理變速運動規律的整體性和系統性，凸顯學生主體地位，通過大單元思想教學設計，把科學探究貫穿到學習過程并強調核心素養的培育。為達成以上教學設想，嘗試基于整體性物理思維，預設三維教學目標，把脈校情生情，設計打通相互作用與運動定律知識體系“任督二脈”，鋪設好教學“干路”，設計了教學流程如圖1所示。

3 ?問題情境——拓展教學“支路”

切入情境——學生實驗活動1：把重錘掛上細線，然后迅速上提又迅速停下。觀察現象并設問：原先能夠承受重錘重力的細線斷了，怎么會斷呢？

學生活動實驗2：把重物壓在電子秤上測重力，讓重物壓在秤上和秤一起“下蹲和起立”。觀察現象并設問：下蹲和起立過程中電子秤顯示數值不斷變化。數值怎么會在不斷變化呢？難道重力發生改變了？

整體性視角：創設物理實驗任務驅動情境，緊扣本節學習主題，將學習物理內容置于真實情境中，有效實施導學。學生在課堂上親自體驗兩個豎直方向上變速運動的實驗活動，發現研究對象在“提”和“壓”過程中的“示數”改變了，不等于物體的原先重力，出現超過或小于物體重力的實驗現象。學生便自然而然理解了超重和失重現象的定義。情境中的變速運動及“視重”改變為從運動學特征和動力學特征分析超重和失重現象鋪好了教學“支路”。

解決教學“死角”：在“提”和“壓”的物理情境都會出現超過或小于原先重力現象，使得學生清晰把觀察到的示數定義為“視重”，明白了豎直方向上若在做變速運動，“視重”會發生變化，對超重和失重現象的定義一目了然。

課堂活動——問題探究：向上運動定會出現超重現象，向下運動定會出現失重現象嗎？

學生實驗活動3：把鉤碼掛在彈簧秤上，移動彈簧秤，仔細觀察彈簧秤的示數怎樣變化，并描述觀察到的實驗現象。

請學生代表描述觀察到實驗現象及觀察過程中存在的困惑。教師再利用蘋果手機視頻拍攝中“慢動作”功能錄制好視頻，利用希沃白板內置播放器可邊播放視頻邊截圖，截圖后的圖片會一起呈現在希沃白板同一張放映頁面里，引導學生分階段觀察實驗過程彈簧測力計示數的變化，具體如下：（1）彈簧測力計和鉤碼一起靜止時的示數；（2）彈簧測力計和鉤碼一起向上運動過程中的示數；（3）彈簧測力計和鉤碼一起向下運動過程中的示數。

通過對運動過程觀察分析可得到：向上運動過程中會出現超重現象，也會出現失重現象；向下運動過程中同樣既會出現超重，也會出現失重現象，可見速度的方向決定不了超重和失重現象。

教師引導學生思考究竟是什么物理量決定超重還是失重現象的出現呢？提醒學生向下運動過程中速度大小從零先變大后變小至零；向上運動過程中速度大小也從零變大后又變小至零，建議把向上運動或向下運動過程各自分成兩個時段。

教師制作的flash動畫，用動畫形式呈現并可隨時切換播放，同時讓學生記錄數據在已設計好表格中。向下運動過程或向上運動過程中運動情況是如何變化呢？在不同的運動情況中對應超重和失重現象存在著怎樣的共同特征呢？

學生分析歸納得出：把向上運動過程劃分成加速上升及減速上升兩個時段；同樣把下降過程劃分成加速下降及減速下降兩個時段。通過表格數據整理分析得到加速度方向為向上（即加速上升、減速下降）出現超重現象；加速度方向為向下（即加速下降、減速上升）出現失重現象。

整體性視角：學生經歷了實驗探究，也基于實驗與觀察獲取了物理數據信息，通過物理數據信息處理和交流歸納總結得到規律，弄清了超重和失重現象本質之處在于變速運動。讓學生從速度、加速度等運動學特征量上學會認識和厘清超重和失重物理圖景的本質規律。

解決教學“死角”：從運動學特征理解了速度方向決定不了出現超重現象或失重現象，而是由加速度的方向決定的。

課堂活動——理論分析：為什么會出現超重和失重現象？教師引導學生運用牛頓運動定律對出現超重和失重現象中的物體進行受力分析。

首先教師要讓學生厘清在出現超重和失重現象中的物體實際重力是否發生變化呢？師生通過重力的定義式G=mg，了解到低速宏觀世界中的同一個地點質量m和重力加速度g均沒有發生變化，明確了物體實際重力并沒有出現任何變化。

其次師生要共同分析哪個力產生的效果是“視重”：彈簧秤掛著重錘一起上下運動時，“視重”是重錘對彈簧的拉力產生的；重物和電子秤一起上下運動時，“視重”是重物對電子秤的壓力產生的。高中階段，師生往往對研究對象進行受力分析，即研究對象是受力物體，而產生“視重”那個力，研究對象卻變成了施力物體，為了讓學生厘清這對象誤區，就要充分使用牛頓第三定律。比如物體處于加速上升時段，用受力分析和牛頓第二定律列出F-mg=ma，F>mg，再用牛頓第三定律得到反作用力F′> mg，即“視重”大于物體的實際重力；物體處于減速上升時段，同理得到反作用力F′

整體性視角：應用求解矢量和等數學方法進行受力理論分析。從動力學特征分析超重和失重的原因，規范學生應用牛頓運動定律分析、解決問題的方法與途徑。至此學生從情境導入實驗現象出發，由淺入深，循序漸進，經歷了一次整體性物理思維的培育。

解決教學“死角”：“視重”是由哪個力產生的作用效果。在出現超重或失重現象中，“視重”會變化，但物體的實際重力至始至終沒有變化。

課堂活動——回歸生活，實踐應用。

（1）師生共同配合完成實踐應用——噴水消失現象。用圓規尖腳在帶有瓶蓋透明空塑料瓶底部側面開個小孔，把塑料瓶裝滿水并旋緊瓶蓋作為實驗用具。實驗時把裝滿水塑料瓶的瓶蓋旋開，用手指堵住瓶中的小孔，若移開手指，小孔會噴出細水流。讓學生思考怎樣操作會使得小孔噴出的細水流消失？演示實驗中若抓瓶的手松開后讓裝滿水的塑料瓶在空中做自由落體運動（忽略空氣作用）時細水流消失了；演示實驗中裝水瓶子運動很快，過程很短，引導學生思考如何延長實驗時間或把快速的實驗過程記錄下來呢？師生共同分析后會發現把瓶子做自由落體運動變成做豎直上拋運動可延長實驗時間，再由前面視頻的啟發，用蘋果手機視頻拍攝中“慢動作”功能現場錄制視頻投屏播放可完整展示小孔噴水消失現象的實驗過程；學生就會順著思考整個瓶子做自由落體運動或做豎直上拋時小孔噴水現象消失的原因。師生共同總結得出無論是自由落體運動，還是豎直上拋運動，或是其他的拋體運動都有個共同特點加速度大小為g，且方向為豎直向下；物體會出現失重現象，從文中的理論分析容易得出被支持物體對支持物體的壓力為零（把此定義為完全失重現象）。回想起小孔噴水現象消失，究其原因是塑料瓶子中的水做拋體運動，使得瓶中“上層水”對“下層水”壓力為零，出現完全失重現象。趁熱把學生引領到我們國家建設的空間站中去，完全失重是航天員必然會遇到的現象，讓學生通過視頻了解現代航天技術中物理情境，增強學生科學責任態度和民族自豪感。

（2）利用希沃平板電腦或手機安裝phyphox軟件，繪制希沃平板或手機豎直方向下蹲和起立的a-t圖像。

裝有名為phyphox的平板電腦或手機可讓平板電腦或手機變成移動的實驗室，打開這款軟件主界面原始傳感器中含（g）的加速度選項，進入后選擇z軸加速度計，打開錄制按鈕，可得到當地的重力加速度。當平板電腦或手機豎直方向下蹲和起立時，會出現如圖2所示a-t圖像。

平板電腦或手機豎直方向下蹲過程經歷了速率從零開始做加速度大小先變大后變小的加速運動，后做加速度大小先變大后變小的減速運動直至速率變成零。起立過程也經歷了速率從零開始做加速度大小先變大后變小的加速運動，而后做加速度大小先變大后變小的減速運動直至速率變成零。從中進一步細化加速上升、減速上升、加速下降、減速下降過程中加速度大小的變化，也可引導學生課后對a-t圖像中上凸和下凹圖形的面積關系進行探究。

整體性視角：學生完成了不同維度知識整體的學習，進行遷移性和延伸性的實踐非常有必要。而在實踐應用過程中學生從中發現新問題，培養了分析問題、解釋問題能力和善于溝通交流的行為或思維習慣。

解決教學“死角”：若豎直向下的加速度大小為g時，物體處于完全失重狀態，跟重力有關的實驗現象消失了，例如處于拋體運動瓶中噴水消失想象，也把學生引向完全失重狀態的太空環境，了解了現代航天技術和種下遨游太空的夢想。利用希沃平板電腦或手機安裝好phyphox可繪制a-t等物理圖像，學生切身感受到信息技術與物理學融合便利成果、體會到物理學就在日常生活中，逐漸養成嚴謹的科學態度和困難是可以想方設法去戰勝的個性品質。

4 ?教學反思

教與學是不可分割的整體，往往最重要的是在教與學過程中讓學生養成科學探究思維習慣及明確科學探究方法途徑。讓學生在科學探究過程中歷經激動和興奮、惋惜和沮喪等情緒后，就會更能掌握如何進行科學探究方法方式，就會更快養成科學態度與責任，就會更能深刻地體會到需要更多的教學實踐來培育自身整體性物理思維。這也鞭策教師得不斷完善整體性思維的視角，不斷提升專業素養，不斷研磨課程標準，才能更精準把握校情學情，整合資源，設計整體單元教學內容，提升學生的學科素養。