SNP教学模式下的高中物理教学设计

苏豪 韩礼刚 潘留占

摘要：以探究合力与分力的关系为例，构建SNP教学模式下的物理课堂。通过创设问题情境，让学生感受通过建模和论证解决物理问题的过程，鼓励学生进行实验，发展批判性思维。

关键词：SNP教学模式；力的合成和分解；高中物理；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）4-0030-5

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出物理学科核心素养中的科学思维包括模型建构和科学论证等方面［1］。《美国新一代科学教育标准》也认为科学实践的要素包括建模和论证［2］。由此可见，科学建模和科学论证在科学教育中极为重要。为了在本土推进SNP教学模式的研究，本文将“力的合成和分解”一节以SNP（Science Negotiation Pedagogy）教学模式进行了教学设计和实施，希望可以给物理教学和教育研究人员提供一些参考。

1    SNP教学模式简介

SNP教学模式是由美国教育者Chen提出的融合建模和论证的教学模式［２］。其理论框架（图１）以大概念即学科核心概念为指导［３-4］。学生基于大概念提出本节课要研究的驱动问题，在老师引导下小组合作构建模型，并对模型展开书面和口头论证。

2    SNP教学模式下“力的合成和分解”教学设计

2.1    教学任务分析

“力的合成和分解”是人民教育出版社普通高中教科书物理必修第一册中第三章第4节的内容［5］。它在这一章起着承前启后的作用，既是对本章前三节“重力与弹力”“摩擦力”和“牛顿第三定律”的进一步拓展，又是第5节“共点力的平衡”的基础，在高中物理必修课程的学习中占有较为重要的地位。“合力与分力”是生活中常见现象之一，这一部分所对应的大概念是“运动与相互作用”。

学生已经掌握的前概念有重力、弹力、摩擦力、牛顿第三定律，具备了一定的实验和推理能力，能应用受力分析初步解决简单问题，但并不明确如何在受力分析之后对力进行合成和分解。

教学目标：

（1）物理观念：通过小组合作构建模型的过程，让学生初步理解“合力与分力”以及“力的合成和分解”的规律。

（2）科学思维：通过自主构建“力的合成和分解”的实验模型，培养学生的科学建模能力；通过小组口头、书面论证并修改实验模型，培养学生的科学论证能力。

（3）科学探究：通过探究“力的合成和分解”的实验规律，培养学生发现问题、提出猜想、设计实验方案的能力。

（4）科学态度与责任：通过小组合作探究“力的合成和分解”的实验规律，培养学生的合作意识；通过口头论证模型，培养学生的沟通交流能力；通过学生自主构建实验模型，激发学生学习物理的兴趣。

教学重点：探究“力的合成和分解”的实验规律。

教学难点：运用等效替代法构建实验模型。

2.2    整体设计思路

SNP教学模式的教学环节如图２所示［4］。我们把“探究两个互成角度的力的合成规律”和物理学史上斯蒂文提出的“力的合成与分解原理”及牛顿推断出的“力的合成和分解所遵循的定则”融入课堂。启发学生使用实验器材、建立实验模型、研究驱动问题、口头论证主张、查阅斯蒂文和牛顿有关 “力的合成和分解”的相关物理学史资料，最后总结本节知识。

2.3    教学过程

2.3.1    設立驱动问题，引领探究活动

在开展探究活动时，必须先找到一个具有启发性的问题来引导本节课的学习。因此，在课上让学生配合老师一起演示“两个学生把一个书包提起来使书包保持静止，老师一个人提起书包使书包保持静止”［5］。教师通过向学生询问“这个现象说明了什么问题”，引导学生思考，并激发他们的学习兴趣，之后再介绍什么是合力与分力。最终，在教师和学生的互动中确定驱动问题为“合力与分力有什么关系”。

设计意图：在演示实验中引入本节课的核心问题——“合力与分力有什么关系”，让学生亲自感受、观察合力与分力的效果，并据此提出驱动问题，为后续定量分析作铺垫。

2.3.2    小组构建模型，研究驱动问题

如表１所示，教师为每个小组分发由导学案和对应实验器材组成的材料包。通过导学案内容对学生加以引导，建立对本节课的宏观认识，并协助他们进行微观建模。

学生所建模型可能不符合预期，这时教师需要通过问题启发学生，促使其改良模型。例如，教师提问“我发现所有模型都用了钉子固定橡皮条，再通过橡皮条将小圆环和弹簧测力计连接起来，小圆环每次被拉的位置相同，这样做的目的是什么呢？”在学生回答“是为了利用小圆环位置表示橡皮条长度相同”之后，教师继续追问“橡皮条长度相同又说明什么问题”。

设计意图：用导学案引导学生认识大概念“运动与相互作用”，紧接上一环节的驱动问题“合力与分力有什么关系”，学生组成小组根据学习目标和实验材料建立模型，并通过实验模型探究驱动问题。当学生探究遇到困难时，教师通过一连串相关问题启发学生思考并帮助其完善实验。通过该实验能锻炼学生的建模能力，并提高他们的探究能力。

2.3.3    小组完成书面论证

教师可通过表２引导学生初步构建自己的书面论证。

在学生书写论证的同时，教师采用提问的方式来确定学生的进度。比如，“你们如何根据模型判断出实验中合力与分力的大小和方向有何关系？你们能说出其中的关系吗？”教师可以启发学生用力的图示法分别描述合力与分力的大小和方向，并寻找两者的关系，强调“等效替代”的思维方式，使学生能从实验现象中给出定量的假设。总之，在这一阶段，教师要使学生的模型、证据与主张保持一致，为下一环节的口头论证作铺垫。

设计意图：学生根据“书面论证写作指南”对本节课的驱动问题“合力与分力有什么关系”进行书面论证，梳理实验思路。当学生进度出现问题时，教师引导学生完成书面论证。通过本环节的学习培养学生的逻辑推理能力和语言表达能力。

2.3.4    口头论证交互模型

论证是科学研究中的必备环节。表3是SNP模式下“力的合成和分解”一课的论证水平评价标准。

教师引导下各小组分享各自的模型并相互论证。根据课本和资料包可推测学生建立的模型会发生以下变化：由最初探究两个同向或反向力的合成变为探究互成一定角度的两个力的合成。学生通过改变分力的大小或增大两个分力的夹角，观察合力的大小，以此说明在夹角不变的情况下两个分力越大合力就越大；在分力大小不变的情况下夹角越大合力就越小。根据阶段３中教师将分力和合力进行等效替代的提示可以猜测出分力和合力满足平行四边形定则。然而，学生不能理解为什么力的分解会遵循平行四边形定则，并且不清楚历史上力的合成和分解究竟是怎样产生的，接下来就用“咨询专家”的方法继续深入学习“力的合成和分解”。

设计意图：学生通过小组间的激烈讨论，对其他小组的模型进行批判，并对自己小组的模型进行改善，深化了对大概念“运动和相互作用”以及驱动问题“合力与分力有什么关系”的理解。通过本环节的学习，学生可以做到怀疑和批判，并学会虚心接纳他人意见，最终形成批判性思维。

2.3.5    咨询“专家”

学习斯蒂文提出的“力的合成和分解原理”和牛顿推断出的“力的合成和分解所遵循的定则”有利于培养学生的科学思维和科学探究精神，也有利于开展高中物理课的课程思政。在学习完平行四边形定则后，学生问到“为什么力的合成遵循平行四边形定则和三角形定则而不是其他多边形定则”。教师首先介绍由斯蒂文最早提出的力的合成和分解原理是三角形定则［7］，为下节课共点力平衡的讲解作铺垫（图3）。然后展示由牛顿推断出的“力的合成和分解所遵循的定则”——平行四边形定则（图4）［7］。学生比较自己的实验模型与斯蒂文斜面上物体和链条平衡模型（图5），阅读斯蒂文在《静力学基础》中提到的斜面上物体和链条平衡问题及牛顿在《自然哲学的数学原理》中提到的物体运动推论等相关内容，类比力的合成和分解问题中“探究二力合成规律实验”模型，指出“斜面球链平衡”模型在研究力的合成和分解时的重要价值。此外，教师还需补充牛顿在平行四边形定则还未得到明确证明的情况下就推断出了“运动与力的分解和合成所遵循的定则”这一事实，以此来培养学生敢于突破自我，提出独到见解的精神。

设计意图：咨询“专家”环节加入斯蒂文和牛顿对平行四边形定则发现的贡献，让学生认识到人们发现平行四边形定则的曲折性，说明物理规律的发现经过了严密的推导和论证。通过本环节的学习，学生可以认识到物理学的发展是许多科学家共同努力的结果，应该学习科学家们敢于突破、勇于创新的精神。

2.3.6    反思写作，总结经验，提高认识

在学习完“力的合成和分解”后让学生进行写作，不仅可以使学生从整体上对这一节课有一个系统认识，而且可以让学生反思在模型建构和科学论证的过程中，他们是怎样一步步探索“力的合成和分解”的规律，以及理解“平行四边形定则”的。这一过程是学生将所学内容整合的关键一步，与之前小组构建并修改模型和论证的过程不同，写作这一过程反映了学生将个人所学到的内容和物理思想方法，通过写作来反思和总结。表４为写作水平评价标准，用于教师判断和发展学生在物理课上的反思写作水平。

设计意图：学生依靠反思性评价标准自主进行反思性写作，有利于加强学生对“合力与分力”的理解，反思自己在探究“合力与分力的关系”过程中的不足之处，并锻炼书面表达能力。

3    小结与启示

基于SNP教学模式对高中物理“力的合成和分解”一节进行设计，学生以小组合作探究的形式去寻找驱动问题“分力和合力有什么关系”，建立二力合成规律的实验模型，书面、口头论证模型，咨询“专家”以验证和修改模型，并通过反思性写作来梳理本节课所学知识。但实施过程并不顺利，学生对建模不是很熟练以至于耗费大量时间，在小组口头论证环节需要教师的鼓励和引导。通过本节课小组合作探究“合力与分力的关系”，促进了学生核心素养的全面发展。

通过本节课的教学设计和实施可以得到以下启示：（1）SNP教学模式可以让学生经历较为完整的“合力与分力”概念形成过程，帮助学生形成更加清晰的物理观念；（2）SNP教学模式可以提升学生的科学建模和科学论证能力，对力的合成与分解规律的探究可以提升学生的科学思维能力；（3）SNP教学模式可以让学生经历科学探究的各个过程，引导学生对驱动问题“合力与分力有什么关系”进行完整的探究，培养学生的科学探究能力；（4）SNP教学模式融入物理学史，让学生养成良好的科学态度和社会责任。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］Chen Y C， Benus M J， Yarker M B. Using models to support arguementation in the science classroom［J］.The American Biology Teacher，2016，78（7）：549-559.

［3］郭玉英，姚建欣，張静.整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶［J］.课程·教材·教法，2013，33（2）：44-49.

［4］丁珂，钱长炎.SNP教学模式融入高中物理课堂教学的思考与实践——以“库仑定律”一节教学为例［J］.物理教师，2019，40（12）：2-5，10.

［5］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2020：70-75.

［6］陈克超，冉洁，戴浩.基于课程标准之高中物理大概念解读与建构［J］.物理教师，2020，41（9）：11-14.

［7］储方宣.追溯“力的平行四边形定则”的由来［J］.物理教学探讨，2007，25（5）：21-22.

（栏目编辑    邓   磊）