基于提升物理觀念的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以初中物理“運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性”一節(jié)的教學(xué)為例

楊樹(shù)崤 劉炳昇

(1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003； 2. 南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210024)

在新修訂的物理課程標(biāo)準(zhǔn)中,將“物理觀念”作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一,表明了提升學(xué)生物理觀念具有重要意義.它應(yīng)當(dāng)成為我們物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想．但是由于我們?nèi)狈ι衔坏乃伎?往往對(duì)此不夠重視．以一次初中物理青年教師基本功大賽為例,它以“運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性”(蘇科版教材8上第5章第4節(jié))為題進(jìn)行課堂教學(xué)比賽,選手們教學(xué)過(guò)程流暢、師生活動(dòng)充分、創(chuàng)新亮點(diǎn)精彩紛呈,體現(xiàn)出他們教學(xué)設(shè)計(jì)具有扎實(shí)的基本功．然而選手在課堂教學(xué)中的疏漏,暴露出他們?cè)诮虒W(xué)設(shè)計(jì)中存在著忽視轉(zhuǎn)變學(xué)生運(yùn)動(dòng)觀的傾向．筆者認(rèn)為,基于物理觀念的教學(xué)設(shè)計(jì)必須注意以下4個(gè)環(huán)節(jié)．

1 要從“物理觀念”的高度俯視教材的邏輯結(jié)構(gòu)

圖1 本章結(jié)構(gòu)

對(duì)自然界運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的認(rèn)識(shí),自古以來(lái)就是人們探究的重要課題．哥白尼之前,人們把地球看成是絕對(duì)靜止的,一切天體都在繞地球運(yùn)動(dòng);哥白尼提出了“日心說(shuō)”,伽利略開(kāi)始提出了運(yùn)動(dòng)和靜止的相對(duì)性,牛頓由此建立了慣性參照系和牛頓運(yùn)動(dòng)定律．經(jīng)典力學(xué)建立以后,人們對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的探索一直延續(xù),愛(ài)因斯坦拋棄了靜止以太的觀念,創(chuàng)建相對(duì)論,撼動(dòng)了牛頓的機(jī)械論的自然觀．可見(jiàn),運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的主題對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的意義．

從這個(gè)角度看蘇科版教材第5章“物體的運(yùn)動(dòng)”的邏輯結(jié)構(gòu)(圖1),正是考慮到“運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性”這一主題在學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)觀過(guò)程中的重要性以及學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)有較大難度,編者才會(huì)把它作為本章的最后一節(jié)．

仔細(xì)閱讀教材可知本節(jié)結(jié)構(gòu)由3部分內(nèi)容組成(圖2)．(1) 通過(guò)實(shí)例概括出機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定義,進(jìn)而引出“一切物體都在不停地運(yùn)動(dòng)著”,即“運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性”;(2) 通過(guò)小華與小明的爭(zhēng)論等實(shí)例,認(rèn)識(shí)引入?yún)⒄瘴锏谋匾?了解判別物體運(yùn)動(dòng)與靜止的原則和步驟;(3) 通過(guò)判斷小華與小明(或相關(guān)古詩(shī)詞)關(guān)于運(yùn)動(dòng)與靜止正確性的爭(zhēng)論,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性及其本質(zhì)——選取不同參照物,對(duì)同一物體運(yùn)動(dòng)情況的描述可能不同．聯(lián)系我國(guó)現(xiàn)代科技中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的實(shí)例,對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義教育．本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)是了解運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性,而教學(xué)難點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性．

圖2 本節(jié)結(jié)構(gòu)

從“物理觀念”的高度俯瞰本節(jié)的邏輯結(jié)構(gòu),就不難看出,本節(jié)中“判別物體運(yùn)動(dòng)與靜止的原則和步驟”,只是“運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性”和“運(yùn)動(dòng)相對(duì)性”觀念形成的鋪墊,而認(rèn)識(shí)“運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性”和“運(yùn)動(dòng)相對(duì)性”才是終極目標(biāo)．然而本次大賽筆者所聽(tīng)的6節(jié)課中,大部分選手的注意力集中在運(yùn)動(dòng)與靜止判斷原則和步驟的概括與反復(fù)訓(xùn)練上,出現(xiàn)了邏輯結(jié)構(gòu)的缺失,難以完成運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性和運(yùn)動(dòng)相對(duì)性教學(xué)要求．

2 圍繞“物理觀念”形成設(shè)計(jì)教學(xué)中的思維沖突

探究過(guò)程的展開(kāi)、物理觀念的形成,科學(xué)思維的積淀,都離不開(kāi)思維的沖突．這里所說(shuō)的思維沖突,有前概念中的錯(cuò)誤與新概念的沖突;有新概念形成中表象與本質(zhì)的沖突,探究過(guò)程中已知與未知的沖突,還有推理過(guò)程中正確與錯(cuò)誤的沖突等．有了思維沖突,學(xué)生會(huì)有發(fā)現(xiàn)沖突的驚訝:“啊?怎么會(huì)這樣?”,也才會(huì)有了解真相后的驚喜“噢!原來(lái)是這樣!”教學(xué)的進(jìn)程才能跌宕起伏,學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤才能受到批判,所學(xué)的知識(shí)才能得到鞏固,思維也才能得到訓(xùn)練．

設(shè)計(jì)思維沖突的關(guān)鍵,是要找到物理觀念形成時(shí)矛盾的焦點(diǎn)．本節(jié)的第1次思維沖突發(fā)生在本節(jié)教學(xué)的開(kāi)始(第1部分),是關(guān)于運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性的,即“一切物體都在不停的運(yùn)動(dòng)著”．由于錯(cuò)誤的前概念,有些學(xué)生習(xí)慣于把地球作為參照物,因此就會(huì)產(chǎn)生思維沖突:明明我們周?chē)徐o止的物體,為什么還說(shuō)一切物體都在運(yùn)動(dòng)呢?

遺憾的是這次大賽所聽(tīng)的6節(jié)課中,只有一位選手注意到了運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性的教學(xué)．他在啟發(fā)學(xué)生舉出大量實(shí)例說(shuō)明身邊物體是運(yùn)動(dòng)還是靜止后,設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)片段:

教師:在學(xué)習(xí)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定義后,大家有沒(méi)有什么問(wèn)題?靜止的物體真的不動(dòng)嗎?

學(xué)生:不是,地球在公轉(zhuǎn),它們隨地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)．

教師:那太陽(yáng)是靜止的嗎?

學(xué)生:也不是,太陽(yáng)在繞銀河系轉(zhuǎn)動(dòng)．

教師:其實(shí),銀河系也不是靜止的,它也在宇宙中運(yùn)動(dòng),結(jié)論應(yīng)該是

(注: 銀河系屬于本星系團(tuán),據(jù)觀察和研究,銀河系正在朝著本星系團(tuán)的引力中心運(yùn)動(dòng),又不停地與仙女座星系靠近．而本星系團(tuán)大致上圍繞室女座星系團(tuán)運(yùn)動(dòng)．而整個(gè)室女座超級(jí)星系團(tuán)都在朝著拉尼亞凱亞超級(jí)星系團(tuán)的中央的巨引力源Great Attractor運(yùn)動(dòng)……)

學(xué)生:一切物體都在運(yùn)動(dòng)．

教師:是的,不僅宏觀物體一直在運(yùn)動(dòng),我們?cè)诘?章學(xué)過(guò)“分子處在永不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)中”,課本圖5-34(a)顯示的其他微觀粒子運(yùn)動(dòng)的徑跡．即“無(wú)論是微觀粒子還是宇宙中的天體,都在不停地運(yùn)動(dòng)著”．

圖3 運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性

本節(jié)的第2次思維沖突發(fā)生在第2部分末尾,學(xué)生在已了解了判別運(yùn)動(dòng)與靜止的原則和步驟之后,再討論圖5-35中小華與小明對(duì)所乘坐列車(chē)是否開(kāi)動(dòng)的問(wèn)題(圖3).

教師:小華說(shuō)列車(chē)已經(jīng)開(kāi)動(dòng)了,小明卻說(shuō)它仍然靜止,同學(xué)們有什么困惑嗎?

學(xué)生甲:小華與小明究竟誰(shuí)說(shuō)得對(duì)?答案難道不是唯一的嗎?

(學(xué)生爭(zhēng)論:無(wú)非小華對(duì)小明錯(cuò)、小明對(duì)小華錯(cuò)、兩個(gè)都對(duì)、兩個(gè)都錯(cuò)4種情況)

教師:小華根據(jù)什么說(shuō)列車(chē)已經(jīng)開(kāi)動(dòng)了?

學(xué)生乙:以對(duì)面車(chē)為參照物,列車(chē)的位置發(fā)生了變化．

教師:小明又根據(jù)什么說(shuō)列車(chē)還沒(méi)有開(kāi)動(dòng)?

學(xué)生丙:以站臺(tái)為參照物,列車(chē)的位置沒(méi)有發(fā)生變化．

教師:小華、小明的判斷有什么錯(cuò)誤嗎?

學(xué)生:找不出什么錯(cuò)誤,應(yīng)該都是正確的．

教師:說(shuō)運(yùn)動(dòng)還是靜止,是觀察者對(duì)被觀察的對(duì)象運(yùn)動(dòng)情況的描述．小華以對(duì)面列車(chē)為參照物,描述說(shuō)列車(chē)開(kāi)動(dòng)了;小明以站臺(tái)為參照物,描述說(shuō)列車(chē)仍然靜止．這兩個(gè)描述都正確,說(shuō)明了什么?

學(xué)生:說(shuō)明觀察者選取不同的參照物,對(duì)被觀察對(duì)象運(yùn)動(dòng)情況的描述不同．

教師:是“一定”不同還是“可能”不同,用哪個(gè)詞合適?

學(xué)生:用“可能”合適,因?yàn)橐部赡苊枋鱿嗤?/p>

教師:很好,運(yùn)動(dòng)和靜止是相對(duì)于一個(gè)選定的參照物而言的,選取不同的參照物,對(duì)被觀察對(duì)象運(yùn)動(dòng)情況的描述可能不同,這就是運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的本質(zhì)．

其實(shí),教學(xué)過(guò)程中就有學(xué)生提出問(wèn)題了:又說(shuō)它運(yùn)動(dòng),又說(shuō)它靜止,這不矛盾嗎?在他們的頭腦中,根深蒂固的是物體要么運(yùn)動(dòng),要么靜止,不可能又運(yùn)動(dòng)又靜止．但實(shí)際情況是,選取不同的參照物,對(duì)被觀察對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況描述可能不同.這恰恰是本節(jié)可要解決的重點(diǎn)．這里重視學(xué)生不同觀點(diǎn)的表述,讓他們講話,是引發(fā)思維沖突的關(guān)鍵．

3 將“物理觀念”形成也列為教學(xué)設(shè)計(jì)中價(jià)值判斷的標(biāo)準(zhǔn)

教學(xué)設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)遇到社會(huì)需求、學(xué)科需求與學(xué)生個(gè)性發(fā)展需求3者之間的矛盾.這就有一個(gè)價(jià)值判斷與選擇的問(wèn)題．當(dāng)前必須將“物理觀念”形成也列為教學(xué)設(shè)計(jì)中價(jià)值判斷的標(biāo)準(zhǔn),努力構(gòu)建3者在對(duì)立中求融合的關(guān)系,才能使課堂教學(xué)取得成功．教學(xué)設(shè)計(jì)中教師的價(jià)值判斷與選擇一般表現(xiàn)在以下3個(gè)方面．

3.1 目標(biāo)價(jià)值選擇

有選手在教學(xué)過(guò)程中,自始至終都扣住的“被觀察對(duì)象、參照物、位置是否變化、判斷運(yùn)動(dòng)還是靜止”進(jìn)行教學(xué),恰恰疏忽了運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性和相對(duì)性的教學(xué),這是一個(gè)教學(xué)目標(biāo)選擇問(wèn)題．本節(jié)涉及到的考點(diǎn),無(wú)非是運(yùn)動(dòng)與靜止的判別,這就必須選擇參照物,必須判斷被觀察對(duì)象相對(duì)于參照物的位置是否變化,因此適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行訓(xùn)練是應(yīng)該的．但是,這些知識(shí)是為說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和相對(duì)性服務(wù)的,通過(guò)這些知識(shí)的鋪墊,了解運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性和相對(duì)性,進(jìn)而建立起物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)觀,卻是學(xué)生樹(shù)立物理觀念所必需的．另一方面,通過(guò)了解物體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和相對(duì)性,又為將來(lái)學(xué)習(xí)哲學(xué),進(jìn)一步了解物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和相對(duì)性提供準(zhǔn)備．

把教學(xué)目標(biāo)放在深層素養(yǎng)的培養(yǎng)上還是僅僅關(guān)注選拔與考試,體現(xiàn)了教師的價(jià)值指向．

3.2 案例(活動(dòng))價(jià)值選擇

教材也可以利用有關(guān)的古詩(shī)詞作為案例,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性．例如“游云西行而謂月之東馳”,提出問(wèn)題:云朵和月亮究竟誰(shuí)在運(yùn)動(dòng)?由月亮相對(duì)云朵向東運(yùn)動(dòng),而相對(duì)地球卻在短時(shí)間可視為靜止,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的本質(zhì)——對(duì)同一物體,由于選取參照物不同對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述可能不同．類(lèi)似的例子有很多,教材為什么要選古詩(shī)詞?就是為了說(shuō)明我國(guó)古代對(duì)此也有過(guò)關(guān)注,同時(shí)弘揚(yáng)了我國(guó)的傳統(tǒng)文化,激發(fā)了學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷．

“生活·物理·社會(huì)”中又以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的案例來(lái)說(shuō)明運(yùn)動(dòng)相對(duì)性的具體應(yīng)用,如果能夠適當(dāng)介紹一下我國(guó)科技相關(guān)的背景,例如國(guó)慶70周年閱兵時(shí),我空軍用轟油6空中加油機(jī)為殲10B戰(zhàn)機(jī)空中加油,其難度在于要保持相對(duì)靜止．介紹風(fēng)洞中的戰(zhàn)斗機(jī)模型時(shí),不僅是模型與風(fēng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,還可以說(shuō)說(shuō)我國(guó)研制的殲20,在設(shè)計(jì)完成后將飛機(jī)模型送到風(fēng)洞中吹,可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺陷并及時(shí)修改糾正,以節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用等．這樣既讓學(xué)生鞏固了所學(xué)的知識(shí)、了解了現(xiàn)代科技的應(yīng)用,又讓學(xué)生知道了我國(guó)科技發(fā)展的情況,激發(fā)了自豪感．

在教學(xué)中,教師自行選擇一些趣味性和說(shuō)服力更強(qiáng)的案例和活動(dòng),以激發(fā)學(xué)生探究的興趣.這無(wú)可厚非、應(yīng)該贊賞,但是選擇時(shí)必須斟酌其價(jià)值．例如讓學(xué)生用大量的時(shí)間制作一個(gè)風(fēng)車(chē),或者組織學(xué)生接力比“誰(shuí)運(yùn)的鉤碼多”,這與本節(jié)教學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)究竟有多大?你選擇這些次要問(wèn)題不惜筆墨,看起來(lái)學(xué)生很興奮,場(chǎng)面很熱鬧,但你究竟想得到什么結(jié)果,會(huì)不會(huì)由于耗費(fèi)時(shí)間而影響甚至忽視重點(diǎn)問(wèn)題——運(yùn)動(dòng)絕對(duì)性和相對(duì)性的建構(gòu),這是值得反思的．

3.3 難度價(jià)值選擇

本節(jié)教學(xué)中,有選手選擇了定量描述兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)問(wèn)題．例如速度大小甚至方向滿足什么條件時(shí)兩輛列車(chē)會(huì)同向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)靜止或反向運(yùn)動(dòng)?騎自行車(chē)時(shí)車(chē)速與風(fēng)速滿足什么條件人會(huì)感覺(jué)順風(fēng)、無(wú)風(fēng)或逆風(fēng)?這些問(wèn)題在高一的物理學(xué)習(xí)中都是難點(diǎn),在初中究竟有沒(méi)有必要出現(xiàn),值得商榷．

其實(shí)由于猜測(cè)中考的命題點(diǎn)而將難度很大、綜合程度很高的題目,放在學(xué)生概念形成階段來(lái)處理,表面上看是為了滿足社會(huì)選拔人才的需求,但是由于沒(méi)有遵從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展設(shè)置了人為障礙,反而影響了學(xué)生正確運(yùn)動(dòng)觀的形成．

4 關(guān)注學(xué)生“物理觀念”發(fā)展的階段性,防止畫(huà)蛇添足或節(jié)外生枝

學(xué)生運(yùn)動(dòng)觀的形成是一個(gè)潛移默化、逐步積累的過(guò)程,初中階段對(duì)學(xué)生的要求,就是通過(guò)大量實(shí)例定性了解運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性和運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性．不經(jīng)過(guò)深思熟慮,隨意超越階段性,會(huì)導(dǎo)致畫(huà)蛇添足或節(jié)外生枝,甚至?xí)霈F(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤．

再如在講述“運(yùn)動(dòng)與靜止”的教學(xué)片段,有多位選手選擇了“睜眼”與“閉眼”的活動(dòng)．即讓一位選手睜眼,另一位選手閉眼,同時(shí)教師向前走兩步,再退回原位,問(wèn)學(xué)生:“教師是否運(yùn)動(dòng)了”．睜眼的學(xué)生說(shuō)“動(dòng)了”,閉眼的學(xué)生說(shuō)“沒(méi)動(dòng)”．這個(gè)活動(dòng)的教學(xué)意圖究竟是什么?如果是要強(qiáng)調(diào)“選擇不同的參照物對(duì)同一物體運(yùn)動(dòng)的描述可能不同”,那這兩個(gè)學(xué)生選擇的參照物均為地面(或相對(duì)地面靜止的物體),答案應(yīng)該相同．如果是要強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)定義是針對(duì)“過(guò)程”而言,那睜眼的學(xué)生觀察的是整個(gè)過(guò)程,描述的物理量是路程;而閉眼的學(xué)生觀察的是過(guò)程的始末狀態(tài),描述的物理量是位移．閉眼的學(xué)生不僅沒(méi)有錯(cuò)誤,還能與高中學(xué)習(xí)的位移、速度等矢量概念強(qiáng)調(diào)過(guò)程的始末狀態(tài)銜接．筆者認(rèn)為:位置變化必然是一個(gè)過(guò)程,根本沒(méi)有必要去強(qiáng)調(diào)“過(guò)程”這兩個(gè)字,而且由于對(duì)本活動(dòng)處理不慎,會(huì)為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)造成前概念錯(cuò)誤,建議取消為好．

基于“物理觀念”的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程,是我們?cè)賹W(xué)習(xí)、再思考并且再提高的過(guò)程,注重以上4個(gè)環(huán)節(jié),有利于“物理觀念”的教學(xué)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)、教學(xué)過(guò)程既精彩又有頓挫波折、價(jià)值判斷符合諸方面和諧發(fā)展需求,從而進(jìn)一步提升學(xué)生的核心素養(yǎng),提高物理課堂教學(xué)的質(zhì)量．