【摘 要】文章以物理概念與規(guī)律教學(xué)的步驟為基礎(chǔ)，結(jié)合教學(xué)過程的自組織轉(zhuǎn)變理論對“超重和失重”進行教學(xué)設(shè)計。教師先引導(dǎo)學(xué)生借助科學(xué)方法完成對超重的推導(dǎo)，再讓學(xué)生之間相互討論，詮釋超重的本質(zhì)。最后，讓學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法自主探究失重現(xiàn)象及其本質(zhì)，從而促進學(xué)生認知從被組織向自組織轉(zhuǎn)變。這不僅彰顯了教學(xué)過程中不同階段教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體地位，而且為促進學(xué)生的認知發(fā)展提供了有益啟示。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)設(shè)計；物理概念與規(guī)律；自組織轉(zhuǎn)變理論；物理關(guān)鍵能力

長期以來，“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計大多重點關(guān)注教學(xué)邏輯，對教學(xué)過程中不同階段教師與學(xué)生作用的認識還有待提升。20世紀80年代，王策三先生提出了“教師主導(dǎo)、學(xué)生主體”的教學(xué)思想，指出在教學(xué)關(guān)系中，教師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標等予以整體把控，學(xué)生則應(yīng)起到主體作用，這是教學(xué)活動的根本出發(fā)點和落腳點。［1］

基于上述教學(xué)思想，我們將教學(xué)過程的自組織轉(zhuǎn)變理論和物理概念與規(guī)律教學(xué)的步驟相結(jié)合，展開“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計，剖析教師與學(xué)生在教學(xué)過程中不同階段的獨特作用，以期對物理教育教學(xué)促進學(xué)生的認知發(fā)展提供有益啟示。

一、“超重和失重”教學(xué)設(shè)計的思路

物理概念與規(guī)律的教學(xué)要求包括：創(chuàng)設(shè)建立物理概念與規(guī)律的情境，運用科學(xué)方法得到物理概念與規(guī)律，詮釋物理概念與規(guī)律的本質(zhì)，借助科學(xué)方法應(yīng)用物理概念與規(guī)律，運用物理概念與規(guī)律解釋物理現(xiàn)象。［2］筆者以人教版高中物理教材必修第一冊“超重和失重”新課教學(xué)為例，在教學(xué)設(shè)計過程中應(yīng)用自組織轉(zhuǎn)變理論，闡述物理概念與規(guī)律不同階段教學(xué)過程中師生的主客體關(guān)系，教學(xué)流程如圖1所示。

根據(jù)協(xié)同理論，教學(xué)過程是學(xué)生、教師、教材和環(huán)境相互協(xié)同的過程，是學(xué)生在教師引導(dǎo)下完成對教學(xué)內(nèi)容掌握的同時，認知系統(tǒng)從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程。傳統(tǒng)教學(xué)理論認為，教學(xué)過程包括“博學(xué)之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之”。博學(xué)，要求教師要講授。即教師在教學(xué)被組織階段起決定性作用，因此，教師需要進行必要的講授。審問與明辨，要求師生要互動。即教師與學(xué)生之間的協(xié)同與交互作用，使系統(tǒng)完成從無序到有序的轉(zhuǎn)變。慎思與篤行，要求學(xué)生自己建構(gòu)與應(yīng)用知識。即學(xué)生在教學(xué)自組織階段起決定性作用，知識最終必須由學(xué)生自己來建構(gòu)。傳統(tǒng)教學(xué)理論與協(xié)同理論的對應(yīng)關(guān)系可以表示如下（見表1）。［3］

根據(jù)“超重和失重”教學(xué)的特點，可將教學(xué)過程分為教師講授超重知識的被組織階段，教師和學(xué)生協(xié)同與交互的臨界區(qū)域階段，以及學(xué)生自主探究失重知識的自組織階段。這樣的教學(xué)設(shè)計，能夠很好地實現(xiàn)教師的角色從傳統(tǒng)課堂“講深講透”的傳授者，向“畫龍點睛”的引導(dǎo)者轉(zhuǎn)變，學(xué)生從知識的被動接受者向主動探究者轉(zhuǎn)變，從而彰顯出以教學(xué)過程自組織轉(zhuǎn)變理論為依據(jù)設(shè)計教學(xué)的與眾不同。

二、“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計

1.創(chuàng)設(shè)問題情境

創(chuàng)設(shè)問題情境是物理概念與規(guī)律教學(xué)設(shè)計的第一步。在課堂中，教師可以充分利用學(xué)生已有生活經(jīng)驗，通過模擬再現(xiàn)生活情境，引導(dǎo)學(xué)生在情境中體悟現(xiàn)象、自主建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律和尋求意義。［4］該過程屬于被組織階段，主要體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用［5］。課前教師布置任務(wù)，讓學(xué)生在電梯中稱體重，并記錄電梯從一樓至十樓再從十樓下至一樓的過程中體重計示數(shù)的變化。此時，教師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用并提出問題：“在電梯運行中，你的體重是否真的變化？”這一問題將刺激學(xué)生原有的認知狀態(tài)，打破“超重和失重是物體實際重力的增減”的錯誤認識。在這一過程中，教師可以幫助學(xué)生建立“真重”和“視重”的概念，真重即真實的重力，視重即體重計的示數(shù)，在這里也就是人對體重計的壓力。接下來探究的則是視重大于或小于真重的物理本質(zhì)。

2.借助科學(xué)方法建立超重知識

在教學(xué)的第二階段，教師需要引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)方法探究超重知識。具體來說，就是運用隔離體法，選取電梯上升啟動階段的人作為研究對象，建立加速向上運動的物理模型。設(shè)人的質(zhì)量為m，人的加速度為a，運用受力分析法，畫出人的受力分析圖，如圖2所示。其中，人受到體重計的支持力為F支，人對體重計的壓力為F壓。運用牛頓第二定律得出F支-mg=ma關(guān)系式，簡化得到F支=mg+ma。再運用牛頓第三定律求出人對體重計的壓力F壓=-F支，即視重的大小。也就是F壓與F支大小相等，方向相反，得到F支大于mg，最終得出超重的結(jié)論。

3.討論超重的研究思路與物理本質(zhì)

物理概念與規(guī)律的教學(xué)不能僅滿足于得出定義或表達式，還應(yīng)注意剖析物理概念與規(guī)律的本質(zhì)，厘清物理現(xiàn)象和概念與規(guī)律所蘊含的物理本質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，如此，才能使學(xué)生真正理解物理概念與規(guī)律的本質(zhì)。在超重知識教學(xué)中，學(xué)生需要理解超重的本質(zhì)，以及真重、視重與超重概念所蘊含的物理本質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。此時，教師需要把學(xué)生引領(lǐng)到自組織轉(zhuǎn)變的臨界區(qū)域，即討論問題：“超重研究的思路是什么？應(yīng)用了哪些科學(xué)方法？應(yīng)用了哪些物理知識？同學(xué)們能否運用老師研究超重的思路來研究失重規(guī)律？”教師可以引導(dǎo)學(xué)生與學(xué)生之間展開討論。師生雙方通過協(xié)同合作，闡釋出物體真重為重力mg，當(dāng)體重計示數(shù)大于人的重力時屬于超重現(xiàn)象，超重就是真重mg加上ma，超重的物理本質(zhì)實則為視重大于真重。至此，當(dāng)學(xué)生的體驗達到一定“閾值”后，就會有一種“豁然開朗”或“突然明白了”的突變感受。

4.學(xué)生自主探究失重知識

教學(xué)的第四步為借助科學(xué)方法應(yīng)用物理概念與規(guī)律。在這一步驟中，教師往往需要通過講解例題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會借助科學(xué)方法應(yīng)用物理概念與規(guī)律。由于超重和失重在知識結(jié)構(gòu)上是并列的，因此，“超重和失重”教學(xué)中失重知識的獲得就可以看成是對超重知識的應(yīng)用。從而實現(xiàn)從教師“教”超重到學(xué)生自己“學(xué)”失重的轉(zhuǎn)變［6］，于是教學(xué)過程進入自組織階段。

根據(jù)教學(xué)過程的自組織轉(zhuǎn)變理論，學(xué)生在教學(xué)自組織階段起決定性作用。因此，這一階段的知識最終必須由學(xué)生自己來建構(gòu)。因此，在失重知識教學(xué)中，學(xué)生類比超重知識的研究方法，獨立列出方程進行推導(dǎo)，從而得到F支=mg-ma與F壓=-F支的表達式，歸納得出失重的方法：當(dāng)體重計示數(shù)小于人的重力，即物體的支持力小于重力的現(xiàn)象屬于失重現(xiàn)象，失重在表達式中體現(xiàn)為真重mg減去ma。因此，“超重和失重”的物理本質(zhì)為視重大于或小于真重，如圖3所示。

在教學(xué)過程的自組織階段，學(xué)生需要遠離思維的平衡態(tài)，不能僅滿足于已有的知識，還要具有懷疑的態(tài)度和批判的精神。教師啟發(fā)學(xué)生思考：在失重表達式中，真重減去ma等于真重時，是否有特殊意義？學(xué)生發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象中具有支持力為零的特點，從而引出“完全失重”的概念，即當(dāng)支持力為零，加速度為g時，物體處于完全失重狀態(tài)。完全失重現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)能夠使學(xué)生的大腦充分開放，遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)，形成新的有序機構(gòu)，使學(xué)生完成對知識的真正掌握，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

5.運用“超重和失重”知識解釋物理現(xiàn)象

物理概念教學(xué)的最后一步是運用物理概念與規(guī)律解釋物理現(xiàn)象。如此，學(xué)生才能真正理解物理概念與規(guī)律的內(nèi)容。在教學(xué)的最后，教師布置習(xí)題，檢驗學(xué)生是否掌握“超重和失重”知識。以下列問題為例。

問題 如圖4所示，質(zhì)量為m的物體A靜止在勁度系數(shù)為k的豎直輕彈簧上方。質(zhì)量為M的物體B用細線懸掛起來，物體A、B緊挨在一起，但物體A、B間無壓力。某時刻將細線剪斷，則細線剪斷瞬間物體B對物體A的壓力是多少？（g取10m/s2）

解答此題需要運用圖像法與受力分析法，畫出示意圖，如圖4所示。剪斷細線前物體A、B間無壓力，物體A靜止處于平衡狀態(tài)，由胡克定律、平衡條件得kx1=mg，解得x1=[mgk]。細線剪斷瞬間，繩子拉力為零，對物體A、B應(yīng)用整體法，由牛頓第二定律得（mA+mB）g-kx1=（mA+mB）a，求出加速度a=g-[kx1（mA+mB）]。再對物體B運用隔離體法，由牛頓第二定律得mBg-FN=mBa，得FN=[mBkx1（mA+mB）]。

學(xué)生能夠借助受力分析法、圖像法、隔離體法、整體法等科學(xué)方法正確解決這一實際物理問題，才能算是真正理解并掌握了“超重和失重”知識。

三、研究啟示

“超重和失重”的教學(xué)設(shè)計充分彰顯了教學(xué)過程中不同階段教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體地位，尤其是在教學(xué)設(shè)計背后蘊含的對于學(xué)生認知發(fā)展的促進作用，顯現(xiàn)出獨辟蹊徑的教學(xué)設(shè)計理念，給物理教學(xué)設(shè)計帶來了很多啟示。

1.物理教學(xué)設(shè)計被組織階段要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用

在教學(xué)過程的被組織階段，教師通過畫龍點睛式的講授，能夠有效地發(fā)展與培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)，其目的不僅僅在于對物理知識的記憶和再現(xiàn)，更在于對物理知識和方法的應(yīng)用，并最終促進學(xué)生關(guān)鍵能力與必備品格的發(fā)展。［7］這就要求教師在創(chuàng)設(shè)問題情境與借助科學(xué)方法獲得物理概念與規(guī)律步驟中起主導(dǎo)作用，讓學(xué)生感受到作為人類認識成果的物理知識固然重要，但探求物理知識過程中所應(yīng)用的科學(xué)方法更重要。比如在超重知識教學(xué)階段，教師引導(dǎo)學(xué)生通過分析、選用科學(xué)方法建立物理模型，進行推理、判斷，將電梯上升啟動加速過程這一問題情境與所學(xué)牛頓運動定律之間建立內(nèi)在聯(lián)系，使學(xué)生形成借助科學(xué)方法獲取物理知識的心理定式，在頭腦中形成認知結(jié)構(gòu)，最終分析和解釋超重物理現(xiàn)象，從而達到促進認知發(fā)展的目的。

2.物理教學(xué)設(shè)計要重視師生之間的交流與討論

教育活動是師生相互溝通的過程，因此，物理教學(xué)過程是動態(tài)發(fā)展的教與學(xué)的統(tǒng)一，是相互影響和相互促進的過程。在臨界區(qū)域階段，教師通過建設(shè)民主開放的課堂，不僅能夠調(diào)節(jié)師生關(guān)系及其相互作用，形成和諧的師生互動狀態(tài)，還能促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在詮釋物理知識的本質(zhì)中，師生可以以火箭發(fā)射加速上升這一新情境為例，充分討論超重的物理本質(zhì)。比如在火箭將飛船送入太空軌道和飛船返回地球的過程中，航天員需要承受數(shù)倍于自身重量的載荷，這便是超重現(xiàn)象。如果沒有經(jīng)過特殊訓(xùn)練，航天員容易產(chǎn)生呼吸困難、意志喪失甚至危及生命的情況。在特殊訓(xùn)練中，離心機訓(xùn)練是其中的一項。正常情況下，游樂場的過山車產(chǎn)生的超重在2G到3G之間，而離心機能產(chǎn)生的超重載荷高達8G，相當(dāng)于8倍自身的重量。

在這樣民主開放的課堂中，學(xué)生可以運用自己在被組織階段所學(xué)的方法和知識解決新的問題，真正發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，從而為展開失重知識的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3.物理教學(xué)設(shè)計要突出學(xué)生的主體地位

物理教學(xué)過程的自組織階段要充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位。與通常的物理概念與規(guī)律教學(xué)不同的是，在“超重和失重”教學(xué)中，要求學(xué)生獨立推導(dǎo)總結(jié)出失重規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題得到完全失重知識的過程，實則為借助科學(xué)方法應(yīng)用物理概念與規(guī)律的過程。該步驟固然需要教師的講授，但最終還是需要學(xué)生自己來完成。教師應(yīng)把探究的主動權(quán)讓給學(xué)生，使學(xué)生真正成為課堂的主角。學(xué)生獨立思考：當(dāng)太空中航天員處于完全失重狀態(tài)時，如果進行一個實驗操作，用天平對飛船里的航天員進行稱重，則天平的示數(shù)為0，那么重力為0嗎？人教版高中物理教材必修第一冊中指出，由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。重力本質(zhì)上是地球?qū)ξ矬w的萬有引力的一個分力，此時只有地球?qū)︼w船的萬有引力提供飛船繞地球做圓周運動的向心力。［8］因此，飛船里的航天員重力的大小為0。如此，才能使學(xué)生在思維的交流和碰撞中引起共鳴，讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生，真正實現(xiàn)從“知其然”到“知其所以然”，再到“何由以知其所以然”的跨越，從而培養(yǎng)學(xué)生的物理遷移創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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［8］邢紅軍，孫慶全. 重力與萬有引力關(guān)系的論證［J］.中小學(xué)課堂教學(xué)研究，2024（6）：42-44.

（責(zé)任編輯：羅小熒）