中学物理“思维型”课堂中概念教学探讨①——以“超重与失重”教学为例

(安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002)

物理概念的教学在物理课堂中占有举足轻重的位置,是培养学生学科核心素养的重要途径。“思维型”课堂以学生主动思维为主要特点,注重培养创新能力。笔者尝试将“思维型”课堂的基本思想运用到物理课堂教学中,以达成物理课程目标。

1 “思维型”课堂教学简介

“思维型”课堂是以皮亚杰的认知发展理论、建构主义教学理论、学习科学为指导,以林崇德的思维结构“三维”模型以及多年的教学实践研究为基础,根据林崇德、胡卫平提出的课堂教学理论,主要以认知冲突、自主建构、应用迁移、思维监控为主要原理,强调引导学生产生积极主动的思维活动,培养创新思维能力。

2 “超重与失重”教学分析与流程

2.1 教学任务分析

“超重与失重”选自沪科教版《物理 共同必修1》第五章第五节,要求把握超重与失重的定义、本质和产生条件,将受力分析与牛顿运动定律运用于实际生活，并做出分析,了解物理与生活的密切联系。

2.2 学习心理分析

学生对于超重与失重的认识来源于生活中的感受,不免对其有错误的前概念,需要帮助其实现概念转变。学生经由两年的物理学习,已初步具有科学思维、实验探讨能力,正处于培养发散性思维阶段,不再满足于灌输式教学,本节由演示实验与学生探究实验构成,一步步探究得到本质性认识。

2.3 教学流程

根据“思维型”课堂的基本原理和上述教学任务及学习心理分析，笔者设计了“超重与失重”一节的教学流程(如下表)。

教师活动教学环节学生活动演示磁铁吸附实验、杯吞钩码实验,创建情境,提出问题,引出超重与失重现象,启发思维。演示实验设疑激趣引入概念产生学习兴趣和探究欲望,充分发挥想象,开启思维,迅速参与到课堂教学中来。引导学生实验探究,发生认知冲突,自主改正错误前概念,建构正确概念。进行猜想实验探讨建构概念大胆猜测,利用发散性思维,实验过程做到动手、动脑、动笔、动口,自主纠正错误前概念,建立正确概念。联系生活经验与科技发展,将习得的知识、本领迁移到新的情境中,培养剖析问题和解决问题的本领,深化、活化新知。课堂练习拓展新知运用概念提升思维的发散能力,将新习得的知识迁移到新情境中,做到深化、活化新知。指导学生回顾整堂课的思维过程,就思维策略、方式、原则及注意事项进行交流、互评、反思。师生交流课堂互评反思小结回顾反思本节课的思维过程、思维误区及解决策略,掌握本节课的思维策略、方法与运用原则。

3 “思维型”课堂基本原理在“超重与失重”教学中的应用

3.1 运用演示实验,创设问题情境,启动思维,引入概念

好的教学引入能引发期待效应,使学生迅速参与到课堂中来,“思维型”课堂一般通过问题启动思维,创设概念建立的教学情境。本环节通过演示实验,探究现象,培养学生的实验能力与思维发散性。

片段一:演示磁铁吸附实验,创设情境，提出问题,引出失重现象

师(演示实验):如图1所示，将用棍子穿起的两个分开一段距离的异性环形磁铁用绳吊在支架上,装置静止、匀速上升或下降、加速上升(排除抖动影响)时两环形磁铁都未吸附,装置加速下降时,磁铁在运动过程中出现吸附。

图1

师:加速下降过程中发生了什么改变?

提示:磁铁无法吸附是由于小棍与磁铁间存在摩擦力,摩擦力与磁铁对小棍的压力有关。

生:可能在加速下降过程中，磁铁对小棍的压力减小了。

片段二:演示杯吞钩码实验,创设情境，提出问题,引出超重现象

师(演示实验):如图2所示，将钩码放置在由薄纸封口的玻璃杯上,当装置静置、匀速上升或下降、加速下降时(排除抖动影响)，钩码不能突破薄纸掉入杯中,当装置加速上升时,钩码掉入杯中。

图2

师:加速上升过程中发生了什么改变?

提示：钩码对薄纸的压力超过薄纸的承受能力,钩码会掉入杯中。

生:可能在加速上升过程中，钩码对薄纸的压力增大,超过薄纸的承受范围。

评析:通过实验，激起了学生的探究欲望,使其迅速参与到探究的过程中来,开展思维活动,为后面实验探讨提供情境。

3.2 产生认知冲突,引发探究兴趣,形成概念

物理“思维型”课堂需要建立使学生生活经验与已有知识产生冲突的情境,给以强烈的心理冲击,启迪思维。本环节以概念转变为目标开展活动,培养学生的思维能力。

片段三:实验演示,通过探讨引发认知冲突

师(演示实验):利用弹簧测力计，使钩码做加速下降运动，重现磁铁吸附时的运动状态。

学生通过观察，发现装置匀速上升或下降时弹簧测力计指针未偏移,加速下降时弹簧测力计指针向上偏移,认为钩码所受重力减小。

师:弹簧测力计的示数表示什么?

生:钩码对弹簧的拉力。

师:弹簧测力计测钩码所受重力原理是什么?

生:二力平衡。

师:在钩码处于加速下降这种非平衡状态时,弹簧测力计的示数还能表示钩码所受重力吗?

生:不能。

师:在加速下降过程中指针向上偏移，表示钩码对弹簧的拉力减小,而非钩码所受重力减小。大家认为失重是物体所受重力减小的认识是错误的。

评析:该实验激发了认知冲突,给学生以强烈的心理冲击,启发他们思维,为后面的质疑、猜想、自主实验和建构概念作铺垫,同时培养了实验观察能力。

3.3 运用问题链引导学生思维,自主建构概念

物理“思维型”课堂需要教师通过由浅入深的问题链,一步步引导正确的思维方向,避免或克服思维误区,使其思维由特殊到一般,再由一般到特殊,促成概念的建立、深化与活化。本环节通过超重与失重的本质与判定方式展开,以培养学生的分析、归纳、综合的思维能力。

片段四:寻找改变量,引导思维方向,达成概念的自主建构

师:引导学生观察弹簧测力计悬挂钩码时，其指针在不同运动状态下的偏移情况，将实验数据填入表格中。

师:在运动中有三个物理量发生了改变:速度、加速度、拉力。超重、失重与速度有关吗?

生:没有关系。

师:超重与失重是由什么导致的?

生:可能与加速度和拉力有关系。

师:什么定律可以将加速度与拉力联系起来?

生:牛顿第二定律,合外力与加速度同向,拉力与重力的合力即为钩码所受合外力,因此拉力与重力大小关系的变化与加速度有关。

师:在运动过程中有三个物理量发生改变,速度与超重与失重无关,拉力与加速度有着密切的关系,看来超重与失重的本质已经呼之欲出了。

生:物体沿竖直方向存在加速度,是物体所受作用力产生变化所致,拉力大于重力时加速度竖直向上,出现超重现象；拉力小于重力时加速度竖直向下,出现失重现象。

评析:教师启发、引导学生对实验结果进行分析对比,通过3个不断深入的问题，一步步引导思维,最终学生通过思考，自主探究超重与失重的本质,从而建立正确概念。

片段五:寻找相似点,引导思维方向,达成概念的自主建构

师(演示实验):将台秤倾斜放置,台秤示数小于物体所受重力。

师:物体是处于超重或失重状态吗?

生:不是,因为物体无加速度。

师(演示实验):把钩码悬挂在弹簧测力计下方，并用手向下拉钩码,使得测力计示数大于钩码实际重量。

师:钩码是处于超重或失重状态吗?

生:不是,此时钩码受到弹簧测力计的拉力、手的拉力以及重力的作用,且物体无加速度。

师(演示实验):用弹簧测力计水平拉动物体加速运动,弹簧测力计有读数,且有加速度。

师:物体是处于超重或失重状态吗?

生:不是,弹簧测力计的拉力不是沿竖直方向,且无竖直方向加速度。

师:寻找上述三种情境的共同点:虽符合实重与视重有差别的条件,但竖直方向上均没有加速度,因此不处于超重或失重状态。

师:如何判断一个物体是否处于超重或失重状态?

生:从本质上可以看出是物体沿竖直方向存在加速度,若加速度竖直向上为超重状态,若加速度竖直向下为失重状态。

师:因为有竖直方向加速度就一定有实重与视重的差别,但有实重与视重的差别却不一定有竖直方向加速度,因此不仅要从是否存在实重与视重的差别来判定,更要从是否存在竖直方向上的加速度来判定。

评析:通过三个看似相似、实则不同的情境，一步步引导学生深刻理解超重与失重的定义及其本质,得出超重与失重的产生条件及判定方式,培养学生分析和解决问题的能力。

3.4 创设情境,迁移应用,巩固新知

学习的目的在于迁移,通过对习题及情境的精心选择,引导迁移、运用新知,深化、活化新知。本环节通过对实际超重与失重现象的诠释展开,培育学生的迁移应用能力。

片段六:回应生活经验,深化、巩固对概念的理解

教师展示乘坐电梯视频,引导学生观察在电梯运动过程中体重秤的示数变化。

生:体重秤示数在电梯加速上升与减速降落时增大,在加速降落与减速上升时减小。

师:示数变化的原因是什么?分别对应于超重还是失重?

生:在加速上升与减速下降过程，加速度竖直向上,处于超重状态,体重秤对于人的支持力大于人所受重力,体重秤示数增大；在减速上升与加速下降过程，加速度竖直向下,处于失重状态,体重秤对于人的支持力小于人所受重力,体重秤示数减小。

评析:回应生活经验,将习得的知识、能力迁移到新的问题情境中,明白物理与生活的联系,培养学生的分析和解决问题能力,同时通过对新知的运用，深化知识并形成稳定的认知结构与良好的思维习惯。

3.5 回顾思维过程,总结反思思维策略及注意事项

“思维型”课堂不仅强调概念理解的深化与活化,也强调思维监控,使学生了解到自己的思维活动以及变化,在教师引导下总结反思相应的思维策略及注意事项。本环节回顾探讨超重与失重的定义、本质、产生条件及判定方法的思维过程,通过学生小组讨论、代表发言、各组交流互评,教师总结补充,最终凝练得到教学中的科学方法与思维策略。