从被组织到自组织：“超重和失重”教学设计

【摘 要】文章以物理概念与规律教学的步骤为基础，结合教学过程的自组织转变理论对“超重和失重”进行教学设计。教师先引导学生借助科学方法完成对超重的推导，再让学生之间相互讨论，诠释超重的本质。最后，让学生应用科学方法自主探究失重现象及其本质，从而促进学生认知从被组织向自组织转变。这不仅彰显了教学过程中不同阶段教师的主导作用与学生的主体地位，而且为促进学生的认知发展提供了有益启示。

【关键词】教学设计；物理概念与规律；自组织转变理论；物理关键能力

长期以来，“超重和失重”的教学设计大多重点关注教学逻辑，对教学过程中不同阶段教师与学生作用的认识还有待提升。20世纪80年代，王策三先生提出了“教师主导、学生主体”的教学思想，指出在教学关系中，教师应发挥主导作用，对教学内容、教学目标等予以整体把控，学生则应起到主体作用，这是教学活动的根本出发点和落脚点。［1］

基于上述教学思想，我们将教学过程的自组织转变理论和物理概念与规律教学的步骤相结合，展开“超重和失重”的教学设计，剖析教师与学生在教学过程中不同阶段的独特作用，以期对物理教育教学促进学生的认知发展提供有益启示。

一、“超重和失重”教学设计的思路

物理概念与规律的教学要求包括：创设建立物理概念与规律的情境，运用科学方法得到物理概念与规律，诠释物理概念与规律的本质，借助科学方法应用物理概念与规律，运用物理概念与规律解释物理现象。［2］笔者以人教版高中物理教材必修第一册“超重和失重”新课教学为例，在教学设计过程中应用自组织转变理论，阐述物理概念与规律不同阶段教学过程中师生的主客体关系，教学流程如图1所示。

根据协同理论，教学过程是学生、教师、教材和环境相互协同的过程，是学生在教师引导下完成对教学内容掌握的同时，认知系统从被组织向自组织转变的过程。传统教学理论认为，教学过程包括“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”。博学，要求教师要讲授。即教师在教学被组织阶段起决定性作用，因此，教师需要进行必要的讲授。审问与明辨，要求师生要互动。即教师与学生之间的协同与交互作用，使系统完成从无序到有序的转变。慎思与笃行，要求学生自己建构与应用知识。即学生在教学自组织阶段起决定性作用，知识最终必须由学生自己来建构。传统教学理论与协同理论的对应关系可以表示如下（见表1）。［3］

根据“超重和失重”教学的特点，可将教学过程分为教师讲授超重知识的被组织阶段，教师和学生协同与交互的临界区域阶段，以及学生自主探究失重知识的自组织阶段。这样的教学设计，能够很好地实现教师的角色从传统课堂“讲深讲透”的传授者，向“画龙点睛”的引导者转变，学生从知识的被动接受者向主动探究者转变，从而彰显出以教学过程自组织转变理论为依据设计教学的与众不同。

二、“超重和失重”的教学设计

1.创设问题情境

创设问题情境是物理概念与规律教学设计的第一步。在课堂中，教师可以充分利用学生已有生活经验，通过模拟再现生活情境，引导学生在情境中体悟现象、自主建构、发现规律和寻求意义。［4］该过程属于被组织阶段，主要体现教师的主导作用［5］。课前教师布置任务，让学生在电梯中称体重，并记录电梯从一楼至十楼再从十楼下至一楼的过程中体重计示数的变化。此时，教师应发挥主导作用并提出问题：“在电梯运行中，你的体重是否真的变化？”这一问题将刺激学生原有的认知状态，打破“超重和失重是物体实际重力的增减”的错误认识。在这一过程中，教师可以帮助学生建立“真重”和“视重”的概念，真重即真实的重力，视重即体重计的示数，在这里也就是人对体重计的压力。接下来探究的则是视重大于或小于真重的物理本质。

2.借助科学方法建立超重知识

在教学的第二阶段，教师需要引导学生运用科学方法探究超重知识。具体来说，就是运用隔离体法，选取电梯上升启动阶段的人作为研究对象，建立加速向上运动的物理模型。设人的质量为m，人的加速度为a，运用受力分析法，画出人的受力分析图，如图2所示。其中，人受到体重计的支持力为F支，人对体重计的压力为F压。运用牛顿第二定律得出F支-mg=ma关系式，简化得到F支=mg+ma。再运用牛顿第三定律求出人对体重计的压力F压=-F支，即视重的大小。也就是F压与F支大小相等，方向相反，得到F支大于mg，最终得出超重的结论。

3.讨论超重的研究思路与物理本质

物理概念与规律的教学不能仅满足于得出定义或表达式，还应注意剖析物理概念与规律的本质，厘清物理现象和概念与规律所蕴含的物理本质之间的内在联系，如此，才能使学生真正理解物理概念与规律的本质。在超重知识教学中，学生需要理解超重的本质，以及真重、视重与超重概念所蕴含的物理本质之间的内在联系。此时，教师需要把学生引领到自组织转变的临界区域，即讨论问题：“超重研究的思路是什么？应用了哪些科学方法？应用了哪些物理知识？同学们能否运用老师研究超重的思路来研究失重规律？”教师可以引导学生与学生之间展开讨论。师生双方通过协同合作，阐释出物体真重为重力mg，当体重计示数大于人的重力时属于超重现象，超重就是真重mg加上ma，超重的物理本质实则为视重大于真重。至此，当学生的体验达到一定“阈值”后，就会有一种“豁然开朗”或“突然明白了”的突变感受。

4.学生自主探究失重知识

教学的第四步为借助科学方法应用物理概念与规律。在这一步骤中，教师往往需要通过讲解例题，引导学生学会借助科学方法应用物理概念与规律。由于超重和失重在知识结构上是并列的，因此，“超重和失重”教学中失重知识的获得就可以看成是对超重知识的应用。从而实现从教师“教”超重到学生自己“学”失重的转变［6］，于是教学过程进入自组织阶段。

根据教学过程的自组织转变理论，学生在教学自组织阶段起决定性作用。因此，这一阶段的知识最终必须由学生自己来建构。因此，在失重知识教学中，学生类比超重知识的研究方法，独立列出方程进行推导，从而得到F支=mg-ma与F压=-F支的表达式，归纳得出失重的方法：当体重计示数小于人的重力，即物体的支持力小于重力的现象属于失重现象，失重在表达式中体现为真重mg减去ma。因此，“超重和失重”的物理本质为视重大于或小于真重，如图3所示。

在教学过程的自组织阶段，学生需要远离思维的平衡态，不能仅满足于已有的知识，还要具有怀疑的态度和批判的精神。教师启发学生思考：在失重表达式中，真重减去ma等于真重时，是否有特殊意义？学生发现该现象中具有支持力为零的特点，从而引出“完全失重”的概念，即当支持力为零，加速度为g时，物体处于完全失重状态。完全失重现象的发现能够使学生的大脑充分开放，远离平衡态的非线性区，形成新的有序机构，使学生完成对知识的真正掌握，有效培养学生的创造力。

5.运用“超重和失重”知识解释物理现象

物理概念教学的最后一步是运用物理概念与规律解释物理现象。如此，学生才能真正理解物理概念与规律的内容。在教学的最后，教师布置习题，检验学生是否掌握“超重和失重”知识。以下列问题为例。

问题 如图4所示，质量为m的物体A静止在劲度系数为k的竖直轻弹簧上方。质量为M的物体B用细线悬挂起来，物体A、B紧挨在一起，但物体A、B间无压力。某时刻将细线剪断，则细线剪断瞬间物体B对物体A的压力是多少？（g取10m/s2）

解答此题需要运用图像法与受力分析法，画出示意图，如图4所示。剪断细线前物体A、B间无压力，物体A静止处于平衡状态，由胡克定律、平衡条件得kx1=mg，解得x1=[mgk]。细线剪断瞬间，绳子拉力为零，对物体A、B应用整体法，由牛顿第二定律得（mA+mB）g-kx1=（mA+mB）a，求出加速度a=g-[kx1（mA+mB）]。再对物体B运用隔离体法，由牛顿第二定律得mBg-FN=mBa，得FN=[mBkx1（mA+mB）]。

学生能够借助受力分析法、图像法、隔离体法、整体法等科学方法正确解决这一实际物理问题，才能算是真正理解并掌握了“超重和失重”知识。

三、研究启示

“超重和失重”的教学设计充分彰显了教学过程中不同阶段教师的主导作用与学生的主体地位，尤其是在教学设计背后蕴含的对于学生认知发展的促进作用，显现出独辟蹊径的教学设计理念，给物理教学设计带来了很多启示。

1.物理教学设计被组织阶段要充分发挥教师的主导作用

在教学过程的被组织阶段，教师通过画龙点睛式的讲授，能够有效地发展与培养学生的思维能力。核心素养导向的物理教学，其目的不仅仅在于对物理知识的记忆和再现，更在于对物理知识和方法的应用，并最终促进学生关键能力与必备品格的发展。［7］这就要求教师在创设问题情境与借助科学方法获得物理概念与规律步骤中起主导作用，让学生感受到作为人类认识成果的物理知识固然重要，但探求物理知识过程中所应用的科学方法更重要。比如在超重知识教学阶段，教师引导学生通过分析、选用科学方法建立物理模型，进行推理、判断，将电梯上升启动加速过程这一问题情境与所学牛顿运动定律之间建立内在联系，使学生形成借助科学方法获取物理知识的心理定式，在头脑中形成认知结构，最终分析和解释超重物理现象，从而达到促进认知发展的目的。

2.物理教学设计要重视师生之间的交流与讨论

教育活动是师生相互沟通的过程，因此，物理教学过程是动态发展的教与学的统一，是相互影响和相互促进的过程。在临界区域阶段，教师通过建设民主开放的课堂，不仅能够调节师生关系及其相互作用，形成和谐的师生互动状态，还能促进学生自主学习。在诠释物理知识的本质中，师生可以以火箭发射加速上升这一新情境为例，充分讨论超重的物理本质。比如在火箭将飞船送入太空轨道和飞船返回地球的过程中，航天员需要承受数倍于自身重量的载荷，这便是超重现象。如果没有经过特殊训练，航天员容易产生呼吸困难、意志丧失甚至危及生命的情况。在特殊训练中，离心机训练是其中的一项。正常情况下，游乐场的过山车产生的超重在2G到3G之间，而离心机能产生的超重载荷高达8G，相当于8倍自身的重量。

在这样民主开放的课堂中，学生可以运用自己在被组织阶段所学的方法和知识解决新的问题，真正发挥学习的主动性，从而为展开失重知识的学习打下良好的基础。

3.物理教学设计要突出学生的主体地位

物理教学过程的自组织阶段要充分发挥学生的主体地位。与通常的物理概念与规律教学不同的是，在“超重和失重”教学中，要求学生独立推导总结出失重规律，发现问题得到完全失重知识的过程，实则为借助科学方法应用物理概念与规律的过程。该步骤固然需要教师的讲授，但最终还是需要学生自己来完成。教师应把探究的主动权让给学生，使学生真正成为课堂的主角。学生独立思考：当太空中航天员处于完全失重状态时，如果进行一个实验操作，用天平对飞船里的航天员进行称重，则天平的示数为0，那么重力为0吗？人教版高中物理教材必修第一册中指出，由于地球的吸引而使物体受到的力叫作重力。重力本质上是地球对物体的万有引力的一个分力，此时只有地球对飞船的万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力。［8］因此，飞船里的航天员重力的大小为0。如此，才能使学生在思维的交流和碰撞中引起共鸣，让学习真正发生，真正实现从“知其然”到“知其所以然”，再到“何由以知其所以然”的跨越，从而培养学生的物理迁移创新能力。

参考文献：

［1］王策三. 论教师的主导作用和学生的主体地位［J］.北京师范大学学报，1983（6）：70-76.

［2］邢红军，张抗抗，胡扬洋，等. 物理概念与规律的教学要求：反思与重构［J］. 课程·教材·教法，2018（2）：91-96.

［3］邢红军. 论教学主客体关系［J］. 首都师范大学学报（社会科学版），2011（1）：48-53.

［4］韦叶平. 核心素养视域下深度学习课堂的重构：以“超重和失重”为例［J］. 物理教师，2023（6）：11-14.

［5］邢红军，林崇德. 论教学过程的自组织转变理论［J］. 课程·教材·教法，2006（11）：27-33.

［6］刘欣，陈清梅，邢红军. 超重与失重的高端备课［J］.物理教师，2013（12）：30-31.

［7］邢红军. 物理学科核心素养：透视、商榷与重构［J］. 教育科学研究，2018（11）：5-14.

［8］邢红军，孙庆全. 重力与万有引力关系的论证［J］.中小学课堂教学研究，2024（6）：42-44.

（责任编辑：罗小荧）