從被組織到自組織：“超重和失重”教學設計

【摘 要】文章以物理概念與規(guī)律教學的步驟為基礎，結合教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論對“超重和失重”進行教學設計。教師先引導學生借助科學方法完成對超重的推導，再讓學生之間相互討論，詮釋超重的本質(zhì)。最后，讓學生應用科學方法自主探究失重現(xiàn)象及其本質(zhì)，從而促進學生認知從被組織向自組織轉(zhuǎn)變。這不僅彰顯了教學過程中不同階段教師的主導作用與學生的主體地位，而且為促進學生的認知發(fā)展提供了有益啟示。

【關鍵詞】教學設計；物理概念與規(guī)律；自組織轉(zhuǎn)變理論；物理關鍵能力

長期以來，“超重和失重”的教學設計大多重點關注教學邏輯，對教學過程中不同階段教師與學生作用的認識還有待提升。20世紀80年代，王策三先生提出了“教師主導、學生主體”的教學思想，指出在教學關系中，教師應發(fā)揮主導作用，對教學內(nèi)容、教學目標等予以整體把控，學生則應起到主體作用，這是教學活動的根本出發(fā)點和落腳點。［1］

基于上述教學思想，我們將教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論和物理概念與規(guī)律教學的步驟相結合，展開“超重和失重”的教學設計，剖析教師與學生在教學過程中不同階段的獨特作用，以期對物理教育教學促進學生的認知發(fā)展提供有益啟示。

一、“超重和失重”教學設計的思路

物理概念與規(guī)律的教學要求包括：創(chuàng)設建立物理概念與規(guī)律的情境，運用科學方法得到物理概念與規(guī)律，詮釋物理概念與規(guī)律的本質(zhì)，借助科學方法應用物理概念與規(guī)律，運用物理概念與規(guī)律解釋物理現(xiàn)象。［2］筆者以人教版高中物理教材必修第一冊“超重和失重”新課教學為例，在教學設計過程中應用自組織轉(zhuǎn)變理論，闡述物理概念與規(guī)律不同階段教學過程中師生的主客體關系，教學流程如圖1所示。

根據(jù)協(xié)同理論，教學過程是學生、教師、教材和環(huán)境相互協(xié)同的過程，是學生在教師引導下完成對教學內(nèi)容掌握的同時，認知系統(tǒng)從被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程。傳統(tǒng)教學理論認為，教學過程包括“博學之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之”。博學，要求教師要講授。即教師在教學被組織階段起決定性作用，因此，教師需要進行必要的講授。審問與明辨，要求師生要互動。即教師與學生之間的協(xié)同與交互作用，使系統(tǒng)完成從無序到有序的轉(zhuǎn)變。慎思與篤行，要求學生自己建構與應用知識。即學生在教學自組織階段起決定性作用，知識最終必須由學生自己來建構。傳統(tǒng)教學理論與協(xié)同理論的對應關系可以表示如下（見表1）。［3］

根據(jù)“超重和失重”教學的特點，可將教學過程分為教師講授超重知識的被組織階段，教師和學生協(xié)同與交互的臨界區(qū)域階段，以及學生自主探究失重知識的自組織階段。這樣的教學設計，能夠很好地實現(xiàn)教師的角色從傳統(tǒng)課堂“講深講透”的傳授者，向“畫龍點睛”的引導者轉(zhuǎn)變，學生從知識的被動接受者向主動探究者轉(zhuǎn)變，從而彰顯出以教學過程自組織轉(zhuǎn)變理論為依據(jù)設計教學的與眾不同。

二、“超重和失重”的教學設計

1.創(chuàng)設問題情境

創(chuàng)設問題情境是物理概念與規(guī)律教學設計的第一步。在課堂中，教師可以充分利用學生已有生活經(jīng)驗，通過模擬再現(xiàn)生活情境，引導學生在情境中體悟現(xiàn)象、自主建構、發(fā)現(xiàn)規(guī)律和尋求意義。［4］該過程屬于被組織階段，主要體現(xiàn)教師的主導作用［5］。課前教師布置任務，讓學生在電梯中稱體重，并記錄電梯從一樓至十樓再從十樓下至一樓的過程中體重計示數(shù)的變化。此時，教師應發(fā)揮主導作用并提出問題：“在電梯運行中，你的體重是否真的變化？”這一問題將刺激學生原有的認知狀態(tài)，打破“超重和失重是物體實際重力的增減”的錯誤認識。在這一過程中，教師可以幫助學生建立“真重”和“視重”的概念，真重即真實的重力，視重即體重計的示數(shù)，在這里也就是人對體重計的壓力。接下來探究的則是視重大于或小于真重的物理本質(zhì)。

2.借助科學方法建立超重知識

在教學的第二階段，教師需要引導學生運用科學方法探究超重知識。具體來說，就是運用隔離體法，選取電梯上升啟動階段的人作為研究對象，建立加速向上運動的物理模型。設人的質(zhì)量為m，人的加速度為a，運用受力分析法，畫出人的受力分析圖，如圖2所示。其中，人受到體重計的支持力為F支，人對體重計的壓力為F壓。運用牛頓第二定律得出F支-mg=ma關系式，簡化得到F支=mg+ma。再運用牛頓第三定律求出人對體重計的壓力F壓=-F支，即視重的大小。也就是F壓與F支大小相等，方向相反，得到F支大于mg，最終得出超重的結論。

3.討論超重的研究思路與物理本質(zhì)

物理概念與規(guī)律的教學不能僅滿足于得出定義或表達式，還應注意剖析物理概念與規(guī)律的本質(zhì)，厘清物理現(xiàn)象和概念與規(guī)律所蘊含的物理本質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，如此，才能使學生真正理解物理概念與規(guī)律的本質(zhì)。在超重知識教學中，學生需要理解超重的本質(zhì)，以及真重、視重與超重概念所蘊含的物理本質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。此時，教師需要把學生引領到自組織轉(zhuǎn)變的臨界區(qū)域，即討論問題：“超重研究的思路是什么？應用了哪些科學方法？應用了哪些物理知識？同學們能否運用老師研究超重的思路來研究失重規(guī)律？”教師可以引導學生與學生之間展開討論。師生雙方通過協(xié)同合作，闡釋出物體真重為重力mg，當體重計示數(shù)大于人的重力時屬于超重現(xiàn)象，超重就是真重mg加上ma，超重的物理本質(zhì)實則為視重大于真重。至此，當學生的體驗達到一定“閾值”后，就會有一種“豁然開朗”或“突然明白了”的突變感受。

4.學生自主探究失重知識

教學的第四步為借助科學方法應用物理概念與規(guī)律。在這一步驟中，教師往往需要通過講解例題，引導學生學會借助科學方法應用物理概念與規(guī)律。由于超重和失重在知識結構上是并列的，因此，“超重和失重”教學中失重知識的獲得就可以看成是對超重知識的應用。從而實現(xiàn)從教師“教”超重到學生自己“學”失重的轉(zhuǎn)變［6］，于是教學過程進入自組織階段。

根據(jù)教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論，學生在教學自組織階段起決定性作用。因此，這一階段的知識最終必須由學生自己來建構。因此，在失重知識教學中，學生類比超重知識的研究方法，獨立列出方程進行推導，從而得到F支=mg-ma與F壓=-F支的表達式，歸納得出失重的方法：當體重計示數(shù)小于人的重力，即物體的支持力小于重力的現(xiàn)象屬于失重現(xiàn)象，失重在表達式中體現(xiàn)為真重mg減去ma。因此，“超重和失重”的物理本質(zhì)為視重大于或小于真重，如圖3所示。

在教學過程的自組織階段，學生需要遠離思維的平衡態(tài)，不能僅滿足于已有的知識，還要具有懷疑的態(tài)度和批判的精神。教師啟發(fā)學生思考：在失重表達式中，真重減去ma等于真重時，是否有特殊意義？學生發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象中具有支持力為零的特點，從而引出“完全失重”的概念，即當支持力為零，加速度為g時，物體處于完全失重狀態(tài)。完全失重現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)能夠使學生的大腦充分開放，遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)，形成新的有序機構，使學生完成對知識的真正掌握，有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力。

5.運用“超重和失重”知識解釋物理現(xiàn)象

物理概念教學的最后一步是運用物理概念與規(guī)律解釋物理現(xiàn)象。如此，學生才能真正理解物理概念與規(guī)律的內(nèi)容。在教學的最后，教師布置習題，檢驗學生是否掌握“超重和失重”知識。以下列問題為例。

問題 如圖4所示，質(zhì)量為m的物體A靜止在勁度系數(shù)為k的豎直輕彈簧上方。質(zhì)量為M的物體B用細線懸掛起來，物體A、B緊挨在一起，但物體A、B間無壓力。某時刻將細線剪斷，則細線剪斷瞬間物體B對物體A的壓力是多少？（g取10m/s2）

解答此題需要運用圖像法與受力分析法，畫出示意圖，如圖4所示。剪斷細線前物體A、B間無壓力，物體A靜止處于平衡狀態(tài)，由胡克定律、平衡條件得kx1=mg，解得x1=[mgk]。細線剪斷瞬間，繩子拉力為零，對物體A、B應用整體法，由牛頓第二定律得（mA+mB）g-kx1=（mA+mB）a，求出加速度a=g-[kx1（mA+mB）]。再對物體B運用隔離體法，由牛頓第二定律得mBg-FN=mBa，得FN=[mBkx1（mA+mB）]。

學生能夠借助受力分析法、圖像法、隔離體法、整體法等科學方法正確解決這一實際物理問題，才能算是真正理解并掌握了“超重和失重”知識。

三、研究啟示

“超重和失重”的教學設計充分彰顯了教學過程中不同階段教師的主導作用與學生的主體地位，尤其是在教學設計背后蘊含的對于學生認知發(fā)展的促進作用，顯現(xiàn)出獨辟蹊徑的教學設計理念，給物理教學設計帶來了很多啟示。

1.物理教學設計被組織階段要充分發(fā)揮教師的主導作用

在教學過程的被組織階段，教師通過畫龍點睛式的講授，能夠有效地發(fā)展與培養(yǎng)學生的思維能力。核心素養(yǎng)導向的物理教學，其目的不僅僅在于對物理知識的記憶和再現(xiàn)，更在于對物理知識和方法的應用，并最終促進學生關鍵能力與必備品格的發(fā)展。［7］這就要求教師在創(chuàng)設問題情境與借助科學方法獲得物理概念與規(guī)律步驟中起主導作用，讓學生感受到作為人類認識成果的物理知識固然重要，但探求物理知識過程中所應用的科學方法更重要。比如在超重知識教學階段，教師引導學生通過分析、選用科學方法建立物理模型，進行推理、判斷，將電梯上升啟動加速過程這一問題情境與所學牛頓運動定律之間建立內(nèi)在聯(lián)系，使學生形成借助科學方法獲取物理知識的心理定式，在頭腦中形成認知結構，最終分析和解釋超重物理現(xiàn)象，從而達到促進認知發(fā)展的目的。

2.物理教學設計要重視師生之間的交流與討論

教育活動是師生相互溝通的過程，因此，物理教學過程是動態(tài)發(fā)展的教與學的統(tǒng)一，是相互影響和相互促進的過程。在臨界區(qū)域階段，教師通過建設民主開放的課堂，不僅能夠調(diào)節(jié)師生關系及其相互作用，形成和諧的師生互動狀態(tài)，還能促進學生自主學習。在詮釋物理知識的本質(zhì)中，師生可以以火箭發(fā)射加速上升這一新情境為例，充分討論超重的物理本質(zhì)。比如在火箭將飛船送入太空軌道和飛船返回地球的過程中，航天員需要承受數(shù)倍于自身重量的載荷，這便是超重現(xiàn)象。如果沒有經(jīng)過特殊訓練，航天員容易產(chǎn)生呼吸困難、意志喪失甚至危及生命的情況。在特殊訓練中，離心機訓練是其中的一項。正常情況下，游樂場的過山車產(chǎn)生的超重在2G到3G之間，而離心機能產(chǎn)生的超重載荷高達8G，相當于8倍自身的重量。

在這樣民主開放的課堂中，學生可以運用自己在被組織階段所學的方法和知識解決新的問題，真正發(fā)揮學習的主動性，從而為展開失重知識的學習打下良好的基礎。

3.物理教學設計要突出學生的主體地位

物理教學過程的自組織階段要充分發(fā)揮學生的主體地位。與通常的物理概念與規(guī)律教學不同的是，在“超重和失重”教學中，要求學生獨立推導總結出失重規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題得到完全失重知識的過程，實則為借助科學方法應用物理概念與規(guī)律的過程。該步驟固然需要教師的講授，但最終還是需要學生自己來完成。教師應把探究的主動權讓給學生，使學生真正成為課堂的主角。學生獨立思考：當太空中航天員處于完全失重狀態(tài)時，如果進行一個實驗操作，用天平對飛船里的航天員進行稱重，則天平的示數(shù)為0，那么重力為0嗎？人教版高中物理教材必修第一冊中指出，由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。重力本質(zhì)上是地球?qū)ξ矬w的萬有引力的一個分力，此時只有地球?qū)︼w船的萬有引力提供飛船繞地球做圓周運動的向心力。［8］因此，飛船里的航天員重力的大小為0。如此，才能使學生在思維的交流和碰撞中引起共鳴，讓學習真正發(fā)生，真正實現(xiàn)從“知其然”到“知其所以然”，再到“何由以知其所以然”的跨越，從而培養(yǎng)學生的物理遷移創(chuàng)新能力。

參考文獻：

［1］王策三. 論教師的主導作用和學生的主體地位［J］.北京師范大學學報，1983（6）：70-76.

［2］邢紅軍，張抗抗，胡揚洋，等. 物理概念與規(guī)律的教學要求：反思與重構［J］. 課程·教材·教法，2018（2）：91-96.

［3］邢紅軍. 論教學主客體關系［J］. 首都師范大學學報（社會科學版），2011（1）：48-53.

［4］韋葉平. 核心素養(yǎng)視域下深度學習課堂的重構：以“超重和失重”為例［J］. 物理教師，2023（6）：11-14.

［5］邢紅軍，林崇德. 論教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論［J］. 課程·教材·教法，2006（11）：27-33.

［6］劉欣，陳清梅，邢紅軍. 超重與失重的高端備課［J］.物理教師，2013（12）：30-31.

［7］邢紅軍. 物理學科核心素養(yǎng)：透視、商榷與重構［J］. 教育科學研究，2018（11）：5-14.

［8］邢紅軍，孫慶全. 重力與萬有引力關系的論證［J］.中小學課堂教學研究，2024（6）：42-44.

（責任編輯：羅小熒）