从整体性“视角”窥教学之“死角”

朱庭荣

摘   要：整体性物理思维是指执教者从知识的序列化与系统性的特点出发，以学科素养为“视角”，剖析物理图景整体或部分的难点知识——俗称教学“死角”。文章以“超重和失重”教学设计为例，让精心设计的实验与环节致力于整体性物理思维的培育，从整体性“视角”窥教学之“死角”，提升学生学科素养。

关键词：整体性；物理思维；超重和失重

从现行的高中物理课程编排来看，架构是条理清晰的；从不同章节内容来看，知识却是细碎的。不少的高中学生学习物理只晓得一点一点累积知识，却不懂得从大到小整体性理解和梳理物理观念和规律，导致不容易形成完整的高中物理知识体系。学生虽然学习很自觉很卖力，但依然没有收获应有效果和成就感，越学越茫然，畏难或逃避的心态也随之越来越强烈。在教学中教师仍有重点突出不透彻，难点突破不顺畅，知识和规律虽重复多次却面临收效甚微的窘境。学生学习本就是一个整体，是集学生认知、教师视野、教学内容、教学策略、教学活动及教学环境等部分构成教学实践的整体。教师进行教学设计，引导学生形成知识体系，理清知识间的内在关联，让物理回归生活实践，须具备整体性物理思维。整体性物理思维是指执教者从知识的序列化与系统性的特点出发，以学科素养为“视角”，剖析物理图景整体或部分的难点知识——俗称教学“死角”。本文以“超重和失重”教学设计为例，让精心设计的实验与环节致力于整体性物理思维的培育，从整体性“视角”窥教学之“死角”，提升学生学科素养。

1  课程标准——构建教学“主轴”

高中物理课程必修一强调在物理情境中培育运动与相互作用等观念的学科核心素养。运动定律与相互作用是力学的轴线，它串起这部分的所有物理知识与规律。无论匀速直线运动或匀变速直线运动，还是抛体运动或匀速圆周运动等几种高中物理运动典型的实质都沿这条轴线进行延伸，科学探究活动也是沿这条轴线展开的具体实践。每个知识的达成与运用均不是孤立的，是由前“因”得到后“果”，基于整体的前“因”后“果”，便可举一反三，活学活用。

“超重和失重”在普通高中物理课程标准中的要求是：“通过实验，认识超重和失重现象。”要求学生能通过乘坐电梯等一系列实验或具体的课堂活动来了解和体验超重和失重。牛顿第二定律完美诠释了物体的加速度跟其所受合外力和质量各自的关系，是牛顿运动定律体系中的核心定律。“超重和失重”是在学完牛顿运动定律整体后第一次知识的迁移和典型的应用，也是迁移性思维和延伸性思维的重要载体。依据课程标准，构建教学“主轴”。首先，通过运动学和动力学两种观点对产生超重和失重原因进行分析，使学生逐渐养成分析问题的整体性思维。其次，巧用学生日常生活实例与信息技术，激起学习兴趣，培育学生迁移性思维。最后，让学生了解现代航天技术中的超重和失重现象，激发学生科学责任与民族自豪感。

2  整体思维——铺设教学“干路”

超重与失重的教与学，必须聚焦物理变速运动规律的整体性和系统性，凸显学生主体地位，通过大单元思想教学设计，把科学探究贯穿到学习过程并强调核心素养的培育。为达成以上教学设想，尝试基于整体性物理思维，预设三维教学目标，把脉校情生情，设计打通相互作用与运动定律知识体系“任督二脉”，铺设好教学“干路”，设计了教学流程如图1所示。

3  问题情境——拓展教学“支路”

切入情境——学生实验活动1：把重锤挂上细线，然后迅速上提又迅速停下。观察现象并设问：原先能够承受重锤重力的细线断了，怎么会断呢？

学生活动实验2：把重物压在电子秤上测重力，让重物压在秤上和秤一起“下蹲和起立”。观察现象并设问：下蹲和起立过程中电子秤显示数值不断变化。数值怎么会在不断变化呢？难道重力发生改变了？

整体性视角：创设物理实验任务驱动情境，紧扣本节学习主题，将学习物理内容置于真实情境中，有效实施导学。学生在课堂上亲自体验两个竖直方向上变速运动的实验活动，发现研究对象在“提”和“压”过程中的“示数”改变了，不等于物体的原先重力，出现超过或小于物体重力的实验现象。学生便自然而然理解了超重和失重现象的定义。情境中的变速运动及“视重”改变为从运动学特征和动力学特征分析超重和失重现象铺好了教学“支路”。

解决教学“死角”：在“提”和“压”的物理情境都会出现超过或小于原先重力现象，使得学生清晰把观察到的示数定义为“视重”，明白了竖直方向上若在做变速运动，“视重”会发生变化，对超重和失重现象的定义一目了然。

课堂活动——问题探究：向上运动定会出现超重现象，向下运动定会出现失重现象吗？

学生实验活动3：把钩码挂在弹簧秤上，移动弹簧秤，仔细观察弹簧秤的示数怎样变化，并描述观察到的实验现象。

请学生代表描述观察到实验现象及观察过程中存在的困惑。教师再利用苹果手机视频拍摄中“慢动作”功能录制好视频，利用希沃白板内置播放器可边播放视频边截图，截图后的图片会一起呈现在希沃白板同一张放映页面里，引导学生分阶段观察实验过程弹簧测力计示数的变化，具体如下：（1）弹簧测力计和钩码一起静止时的示数；（2）弹簧测力计和钩码一起向上运动过程中的示数；（3）弹簧测力计和钩码一起向下运动过程中的示数。

通过对运动过程观察分析可得到：向上运动过程中会出现超重现象，也会出现失重现象；向下运动过程中同样既会出现超重，也会出现失重现象，可见速度的方向决定不了超重和失重现象。

教师引导学生思考究竟是什么物理量决定超重还是失重现象的出现呢？提醒学生向下运动过程中速度大小从零先变大后变小至零；向上运动过程中速度大小也从零变大后又变小至零，建议把向上运动或向下运动过程各自分成两个时段。

教师制作的flash动画，用动画形式呈现并可随时切换播放，同时让学生记录数据在已设计好表格中。向下运动过程或向上运动过程中运动情况是如何变化呢？在不同的运动情况中对应超重和失重现象存在着怎样的共同特征呢？

学生分析归纳得出：把向上运动过程划分成加速上升及减速上升两个时段；同样把下降过程划分成加速下降及减速下降两个时段。通过表格数据整理分析得到加速度方向为向上（即加速上升、减速下降）出现超重现象；加速度方向为向下（即加速下降、减速上升）出现失重现象。

整体性视角：学生经历了实验探究，也基于实验与观察获取了物理数据信息，通过物理数据信息处理和交流归纳总结得到规律，弄清了超重和失重现象本质之处在于变速运动。让学生从速度、加速度等运动学特征量上学会认识和厘清超重和失重物理图景的本质规律。

解决教学“死角”：从运动学特征理解了速度方向决定不了出现超重现象或失重现象，而是由加速度的方向决定的。

课堂活动——理论分析：为什么会出现超重和失重现象？教师引导学生运用牛顿运动定律对出现超重和失重现象中的物体进行受力分析。

首先教师要让学生厘清在出现超重和失重现象中的物体实际重力是否发生变化呢？师生通过重力的定义式G=mg，了解到低速宏观世界中的同一个地点质量m和重力加速度g均没有发生变化，明确了物体实际重力并没有出现任何变化。

其次师生要共同分析哪个力产生的效果是“视重”：弹簧秤挂着重锤一起上下运动时，“视重”是重锤对弹簧的拉力产生的；重物和电子秤一起上下运动时，“视重”是重物对电子秤的压力产生的。高中阶段，师生往往对研究对象进行受力分析，即研究对象是受力物体，而产生“视重”那个力，研究对象却变成了施力物体，为了让学生厘清这对象误区，就要充分使用牛顿第三定律。比如物体处于加速上升时段，用受力分析和牛顿第二定律列出F-mg=ma，F>mg，再用牛顿第三定律得到反作用力F′> mg，即“视重”大于物体的实际重力；物体处于减速上升时段，同理得到反作用力F′

整体性视角：应用求解矢量和等数学方法进行受力理论分析。从动力学特征分析超重和失重的原因，规范学生应用牛顿运动定律分析、解决问题的方法与途径。至此学生从情境导入实验现象出发，由浅入深，循序渐进，经历了一次整体性物理思维的培育。

解决教学“死角”：“视重”是由哪个力产生的作用效果。在出现超重或失重现象中，“视重”会变化，但物体的实际重力至始至终没有变化。

课堂活动——回归生活，实践应用。

（1）师生共同配合完成实践应用——喷水消失现象。用圆规尖脚在带有瓶盖透明空塑料瓶底部侧面开个小孔，把塑料瓶装满水并旋紧瓶盖作为实验用具。实验时把装满水塑料瓶的瓶盖旋开，用手指堵住瓶中的小孔，若移开手指，小孔会喷出细水流。让学生思考怎样操作会使得小孔喷出的细水流消失？演示实验中若抓瓶的手松开后让装满水的塑料瓶在空中做自由落体运动（忽略空气作用）时细水流消失了；演示实验中装水瓶子运动很快，过程很短，引导学生思考如何延长实验时间或把快速的实验过程记录下来呢？师生共同分析后会发现把瓶子做自由落体运动变成做竖直上抛运动可延长实验时间，再由前面视频的启发，用苹果手机视频拍摄中“慢动作”功能现场录制视频投屏播放可完整展示小孔喷水消失现象的实验过程；学生就会顺着思考整个瓶子做自由落体运动或做竖直上抛时小孔喷水现象消失的原因。师生共同总结得出无论是自由落体运动，还是竖直上抛运动，或是其他的抛体运动都有个共同特点加速度大小为g，且方向为竖直向下；物体会出现失重现象，从文中的理论分析容易得出被支持物体对支持物体的压力为零（把此定义为完全失重现象）。回想起小孔喷水现象消失，究其原因是塑料瓶子中的水做抛体运动，使得瓶中“上层水”对“下层水”压力为零，出现完全失重现象。趁热把学生引领到我们国家建设的空间站中去，完全失重是航天员必然会遇到的现象，让学生通过视频了解现代航天技术中物理情境，增强学生科学责任态度和民族自豪感。

（2）利用希沃平板电脑或手机安装phyphox软件，绘制希沃平板或手机竖直方向下蹲和起立的a-t图像。

装有名为phyphox的平板电脑或手机可让平板电脑或手机变成移动的实验室，打开这款软件主界面原始传感器中含（g）的加速度选项，进入后选择z轴加速度计，打开录制按钮，可得到当地的重力加速度。当平板电脑或手机竖直方向下蹲和起立时，会出现如图2所示a-t图像。

平板电脑或手机竖直方向下蹲过程经历了速率从零开始做加速度大小先变大后变小的加速运动，后做加速度大小先变大后变小的减速运动直至速率变成零。起立过程也经历了速率从零开始做加速度大小先变大后变小的加速运动，而后做加速度大小先变大后变小的减速运动直至速率变成零。从中进一步细化加速上升、减速上升、加速下降、减速下降过程中加速度大小的变化，也可引导学生课后对a-t图像中上凸和下凹图形的面积关系进行探究。

整体性视角：学生完成了不同维度知识整体的学习，进行迁移性和延伸性的实践非常有必要。而在实践应用过程中学生从中发现新问题，培养了分析问题、解释问题能力和善于沟通交流的行为或思维习惯。

解决教学“死角”：若竖直向下的加速度大小为g时，物体处于完全失重状态，跟重力有关的实验现象消失了，例如处于抛体运动瓶中喷水消失想象，也把学生引向完全失重状态的太空环境，了解了现代航天技术和种下遨游太空的梦想。利用希沃平板电脑或手机安装好phyphox可绘制a-t等物理图像，学生切身感受到信息技术与物理学融合便利成果、体会到物理学就在日常生活中，逐渐养成严谨的科学态度和困难是可以想方设法去战胜的个性品质。

4  教学反思

教与学是不可分割的整体，往往最重要的是在教与学过程中让学生养成科学探究思维习惯及明确科学探究方法途径。让学生在科学探究过程中历经激动和兴奋、惋惜和沮丧等情绪后，就会更能掌握如何进行科学探究方法方式，就会更快养成科学态度与责任，就会更能深刻地体会到需要更多的教学实践来培育自身整体性物理思维。这也鞭策教师得不断完善整体性思维的视角，不断提升专业素养，不断研磨课程标准，才能更精准把握校情学情，整合资源，设计整体单元教学内容，提升学生的学科素养。