物理程序性知识的“三步骤”教学——以“牛顿第三定律”为例

刘艳梅 陶 玲 徐晓梅*

(1. 云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500；2. 德宏傣族景颇族自治州盈江县民族中学,云南 德宏 679300)

当代加拿大著名的心理学家安德森(J.R.Anderson)根据反映活动形式的不同,主张将知识划分为陈述性知识和程序性知识[1].陈述性知识也叫描述性知识,是个体能用语言直接进行陈述的知识,用来解答事物“是什么”“怎么样”的问题;程序性知识则具有实际的操作性,用来解答“如何做”“按照怎样的步骤做”的问题[2].陈述性知识和程序性知识的获得是学习过程中两个连续的阶段,程序性知识的习得往往以学习陈述性知识为基础,而程序性知识的习得又为获取新的陈述性知识提供有效途径.高中物理知识以程序性知识为主,然而教学过程中教师往往过于注重陈述性知识的教学,导致学生对陈述性知识烂熟于心,但不会灵活运用,不能有效解决问题;学生掌握好程序性知识则可以灵活地提取和应用知识,从而高效解决问题.文章拟以人教版高中物理必修1第四章第5节“牛顿第三定律”教学为例,通过教师引导学生基于物理现象调动学生的陈述性知识并提出猜想;让学生自主设计实验方案、验证猜想促进陈述性知识转化成程序性知识,得出牛顿第三定律;最后通过变式练习实现知识自动化.通过“牛顿第三定律”教学示例呈现出程序性知识的“三步骤”教学,探索高中物理有效进行程序性知识教学的途径,并注重发展学生的物理学科核心素养.

1 “三步”的设计

教师按照教学路线设计为调动陈述性知识、促进陈述性知识转化成程序性知识、知识自动化等三步骤(如图1所示),引导学生以“小步子原则”将学习目标分解为具有逻辑联系的许多“小步子”,由完成这一系列“小步子”逐步得出牛顿第三定律.

图1 “三步骤”教学路线设计示意图

2 分步的实施

2.1 调动陈述性知识

视频展示:溜冰场上,甲、乙两位体重相近的同学静止站立[如图2(A)所示],甲用力推乙一下[如图2(B)所示],甲、乙沿一条直线均做远离原点O的运动[如图2(C)所示],且运动距离相近.

教师提出问题:甲用力推乙,而乙并没有推甲,为什么甲同样会做远离原点O的运动?

图2 基于观察溜冰运动引入相互作用概念

学生:甲远离原点O必定受到了力的作用,那么只可能是乙对甲施加了力的作用.

教师:同学们的猜想是正确的.大量的观察和实验都表明:一个物体对另一个物体施加了力,那么后一个物体一定同时对前一个物体也施加了力.即两个物体之间的作用总是相互的,这一对相互作用的力就叫做作用力与反作用力.请同学们进一步思考:作用力与反作用力会存在什么关系?(提示:力的三要素)

学生:通过观察甲、乙的运动状态,并类比二力平衡满足的条件,提出如下猜想,如表1所示:

表1 作用力与反作用力可能满足的关系的猜想

通过以生活中的溜冰娱乐活动为出发点创设物理情境,让学生从物理学的视角形成运动与相互作用观念,升华学生的物理观念.让学生通过观察物理现象激发学习兴趣,教师提出物理问题,引发学生思考,并让学生调动头脑中已有的陈述性知识(二力平衡满足的条件),提出4条合理猜想(如表1所示),凝练学生的科学探究能力.

2.2 促进陈述性知识转化成程序性知识

科学探究是人类探索自然、获取科学知识的主要方法,也是一种获取程序性知识的有效方法.仅靠陈述性知识很难清楚地解释某些物理现象,在物理教学中也应体现出物理是一门基于实验的自然科学,故要基于实验解释物理现象形成的原因.由教师引导学生调动头脑中已有的陈述性知识设计实验方案,对作用力与反作用力满足的关系进行探究,验证猜想.

【实验方案1】

实验仪器:两个完全相同的弹簧测力计.

实验演示:将一个弹簧测力计固定在墙壁上,另一个弹簧测力计拿在手里并与固定在墙壁上的弹簧测力计连接,用力拉固定在墙壁上的弹簧测力计,并任意改变拉力的方向.观察到两个弹簧测力计的示数任意时刻都相同,且两个弹簧测力计总位于同一条直线.

教师引进现代信息技术:力传感器能够把它受力的大小随时间变化的情况,由计算机收集实验数据并进行作图,最后通过屏幕显示出来.

实验时把两只力传感器同时连在计算机上,其中一只固定在墙上,另一只握在手中(如图甲所示).用力拉一只传感器,在一只传感器受力的同时,另一只传感器也受到力的作用,并且在任意时刻两个力的方向都相反、大小都相等(如图乙所示),且两只力传感器总位于同一条直线[3].

图3 用传感器显示作用力与反作用力的关系[3]

实验结论:通过分析实验数据,观察两只力传感器的位置,即可验证提出的4条猜想.同时,通过观察图乙的图象特点可知作用力与反作用力具有同时产生、同时消失、同时变化的特点.

采取学生小组合作的方式,让学生在教师的引导下自主探究作用力与反作用力的关系.教师借助现代信息技术在学生实验的基础上进行优化,用力的传感器来直观显示任意时刻作用力与反作用力的大小,实验数据更精确,有力的验证了猜想.

【实验方案2】

实验仪器:两根相同的条形磁铁、托盘测力计、弹簧测力计、铁架台、刻度尺、细线.

图4 运用测力计示数的变化量验证作用力与反作用力的关系

实验演示:将一根条形磁铁放于托盘测力计的盘上,另一根条形磁铁从中间部分用细线悬挂在弹簧测力计上.保证两根条形磁铁的距离适当,并且位于同一竖直平面内(如图4所示).① 两根条形磁铁的N、S级同向放置,调节铁架台支架的高度,逐渐增加或减小两根条形磁铁的距离;② 两根条形磁铁的N、S级反向放置,调节铁架台支架的高度,逐渐增加或减小两根条形磁铁的距离.待悬挂着的条形磁铁静止时,用刻度尺测量出两根条形磁铁的距离,并记录托盘测力计、弹簧测力计的示数.

实验现象:① N、S级同向放置: a. 随着两根磁铁的距离增加(斥力减小),托盘测力计示数的减小量与弹簧测力计的增加量相同; b. 随着两根磁铁的距离减小(斥力增大),托盘测力计示数的增加量与弹簧测力计的减小量相同.② N、S级反向放置: a. 随着两根磁铁的距离增加(引力减小),托盘测力计示数的增加量与弹簧测力计的减小量相同; b. 随着两根磁铁的距离减小(引力增大),托盘测力计示数的减小量与弹簧测力计的增加量相同.

表2 托盘测力计、弹簧测力计示数的变化量

实验结论:通过分析、处理以上实验数据,可验证提出的4条猜想.

该实验通过改变两根条形磁铁的方向、距离,使两根磁铁受到的引力、斥力的大小随之改变,并通过托盘测力计、弹簧测力计反映引力、斥力的变化量.将实验数据进行作图,分析图像特点,得出实验结论,验证了猜想.学生将与磁场有关的陈述性知识用于探究作用力与反作用力的关系,促进陈述性知识转化成程序性知识.

【实验方案3】

实验仪器:两个相同的弹簧测力计、记号笔、细沙、体积不同的塑料盒若干(质量相同)、玻璃杯、水、细线.

实验演示: ① 将细沙装进塑料盒C后,用细线缠绕并悬挂在弹簧测力计A上,用记号笔标记下弹簧测力计A的示数;将玻璃杯D悬挂在弹簧测力计B上,并往玻璃杯D中加水,直至弹簧测力计B的示数与弹簧测力计A的示数相同时停止加水,同样用记号笔标记下弹簧测力计B的示数(如图甲所示).② 将系统A、B悬挂在固定水平杆上,将系统A中的塑料盒C浸没在系统B的水中,但不要让塑料盒接触到玻璃杯D的内壁和底部,分别用记号笔标记出弹簧测力计A、B的示数(如图乙所示).将相同质量的细沙装进体积不同的塑料盒,并保证塑料盒始终浸没在水中,重复进行实验,记录弹簧测力计A、B的示数.

图5 利用浮力与压力的相关性探究作用力与

实验结论:通过观察实验现象、比较实验数据,可知装有细沙不同体积的塑料盒受到水给它的浮力(F浮=ρ液gV排)与它给水的压力相同,即可验证提出的4条猜想.

本实验利用了学生已有关于浮力的陈述性知识,并通过比较塑料盒受到水给它的浮力以及它给水的压力相同的实验数据,验证了关于作用力与反作用力关系的猜想,促进了陈述性知识转化成程序性知识.

教师给出牛顿第三定律的定义:两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等,方向相反,并且作用在同一条直线上.

教师引导学生在基于观察提出物理问题,并调动头脑中已有的陈述性知识形成猜想的基础上,以小组合作的方式设计实验方案,建构物理模型,处理实验信息,并对科学探究过程进行交流、讨论,完善实验设计方案,最后基于证据得出牛顿第三定律,促进学生将陈述性知识转化成程序性知识.通过设计实验方案来验证猜想的整个过程,发展学生的物理学科核心素养.

2.3 知识自动化

为了使学生能够自主地调动陈述性知识分析生活中的物理问题情境,并达到解释物理现象的目的.教师需要转换物理情境,进行变式练习,促进学生头脑中程序性知识的自动化,提高学生解决问题的能力,培养学生物理学科能力[2].

【变式练习1】 物理学科很重要的一个特点就是模型化,通过建立模型,可以把复杂、抽象的问题变得简单、直观[4].建立任意方向上相互作用力的物理模型,明确相互作用力任意时刻大小相等、方向相反,作用于同一直线,打破学生仅停留在相互作用力位于水平方向、竖直方向的定势思维.

典题突破:如图6所示,甲图中小球处于静止状态,乙图中小球由静止释放并沿光滑曲面滚下,请分别找出甲、乙图中的相互作用力,并画出力学示意图.

图6 建立任意方向上相互作用力的物理模型

典题解析:小球对接触面的压力与接触面给小球的支持力是相互作用力,力学示意图如图7所示.

【变式练习2】 注重辨析一对平衡力与相互作用力的异同点,让学生学会在具体的物理情境中进行区别运用.

图8 箱子的受力分析示意图

典题突破:小明用300 N的力F竖直向上提升一个静止在水平地面的箱子,箱子的质量为50 kg,下列说法正确的是.

(A) 箱子受到的重力与手对箱子的拉力是一对平衡力.

(B) 箱子受到的重力与地面对箱子的支持力是一对平衡力.

(C) 箱子对地面的压力与手对箱子的拉力是一对相互作用力.

(D) 箱子对地面的压力与地面对箱子的支持力是一对相互作用力.

典题解析:选(D).对箱子进行受力分析,如图8所示.箱子受到竖直向下的重力G、手对箱子竖直向上的拉力F、地面对箱子的竖直向上的支持力FN.箱子对地面的压力与地面对箱子的支持力大小相等,方向相反,两个力作用于两个物体上,因此是一对相互作用力.

以典题突破为基础,辨析一对平衡力与相互作用力的异同点,如表3所示:

表3 一对平衡力与相互作用力的异同点

在经历探究过程验证猜想的基础上,通过典题突破进一步升华学生头脑中关于牛顿第三定律的程序性知识,并发展学生构建物理模型的能力,最终实现知识自动化.

3 结束语

在程序性知识“三步骤”教学中,应特别注重促进陈述性知识向程序性知识转化的中心阶段:“教师引导学生设计实验方案,并让学生以小组合作的方式验证猜想”.同时,中心阶段也体现出本文程序性教学:学生全程主动参与探究,由完成一系列“小步子”逐步得出牛顿第三定律的原则.

教师在进行程序性知识教学时,教师首先应引导学生基于物理现象调动已有的陈述性知识提出问题,进行猜想与假设,并以小组合作设计实验方案的方式促进陈述性知识向程序性知识转化,给学生创设自主思考、创新的空间,避免学生被动、低效地接收知识.其次,通过变式练习使学生在头脑中构建出有关的程序性知识模型,使学生可以独立基于物理情境分析问题,然后运用头脑中的程序性知识模型提取有效信息,并解决物理问题.最后,通过学生自动应用已经内化的知识,提升学生解决问题的能力,发展学生的物理学科核心素养.