基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理概念教學(xué)策略

董友軍 侯柏羽

摘 ? ?要：學(xué)習(xí)進(jìn)階融合了最近發(fā)展區(qū)理論、螺旋式課程設(shè)計(jì)理論等.物理概念是中學(xué)物理重要的知識(shí)內(nèi)容，用學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)物理概念教學(xué)，有利于學(xué)生理解概念、應(yīng)用概念，同時(shí)還可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;物理概念;教學(xué)策略;核心素養(yǎng)

物理概念是物理狀態(tài)或物理過程的簡(jiǎn)潔提煉和本質(zhì)反映.在物理概念教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析自然現(xiàn)象，解決現(xiàn)實(shí)問題，從而提升學(xué)生的思維能力.學(xué)習(xí)進(jìn)階是指學(xué)生認(rèn)識(shí)某一學(xué)習(xí)主題不斷豐富和逐步深入的過程[1].學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識(shí)不是一蹴而就的，而是經(jīng)歷多個(gè)中間水平，這些中間水平稱為階.階是學(xué)生認(rèn)知過程中的腳踏點(diǎn)，是由知識(shí)和學(xué)生共同確定.本文以粵教版物理選修3–3“液體的表面張力”為例，探索基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理概念教學(xué)策略.

一、教學(xué)案例

（一）進(jìn)階起點(diǎn)、終點(diǎn)預(yù)設(shè)

教學(xué)起點(diǎn)就是新知識(shí)在原有知識(shí)基礎(chǔ)上的生長(zhǎng)點(diǎn)，包括邏輯起點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)起點(diǎn).邏輯起點(diǎn)是指按照教材學(xué)習(xí)的進(jìn)度，應(yīng)該具有的知識(shí)基礎(chǔ);現(xiàn)實(shí)起點(diǎn)是指學(xué)生進(jìn)行新內(nèi)容的學(xué)習(xí)所需的知識(shí)準(zhǔn)備和經(jīng)驗(yàn)積累[2].奧蘇貝爾認(rèn)為，“影響學(xué)習(xí)的最重要原因是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生原有的知識(shí)狀況進(jìn)行教學(xué)” [3].這充分說明了教學(xué)起點(diǎn)是影響學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的重要因素.

教學(xué)終點(diǎn)是指教學(xué)目標(biāo)，即通過教學(xué)過程預(yù)測(cè)教學(xué)會(huì)使學(xué)生達(dá)到什么目標(biāo).《禮記·中庸》說，“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”.一旦設(shè)定了教學(xué)終點(diǎn)，就確立了教學(xué)方向，保證了我們的教學(xué)過程行駛在正確的軌道上.

1.進(jìn)階起點(diǎn)

物理概念進(jìn)階起點(diǎn)可以根據(jù)學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的認(rèn)知能力來確立.在學(xué)習(xí)本節(jié)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了：分子間同時(shí)存在引力和斥力，當(dāng)兩個(gè)分子間的距離等于r0時(shí)為0;當(dāng)兩個(gè)分子間的距離小于r0時(shí)為斥力;當(dāng)兩個(gè)分子間的距離大于r0時(shí)為引力.認(rèn)知心理學(xué)指出，高二學(xué)生不但具有較強(qiáng)的抽象思維，而且具有嚴(yán)密的邏輯推理.以上就是學(xué)習(xí)本節(jié)的進(jìn)階起點(diǎn).

2.進(jìn)階終點(diǎn)

物理概念的進(jìn)階終點(diǎn)是根據(jù)構(gòu)建物理知識(shí)結(jié)構(gòu)、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)來確立.筆者確定本節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)——發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其具體表現(xiàn)為：讓學(xué)生觀察表面張力現(xiàn)象，并總結(jié)出液體的表面具有收縮趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念與科學(xué)思維;讓學(xué)生從液體微觀角度去分析液體的表面具有收縮趨勢(shì)的原因，揭示表面張力內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念與科學(xué)探究;讓學(xué)生深度探索，構(gòu)建表面張力關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究;讓物理回歸生活，感悟表面張力應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)態(tài)度.

（二）進(jìn)階水平劃分

筆者在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)物理概念的要素劃分中間水平，不僅可以消除學(xué)生迷思概念，也可以增強(qiáng)學(xué)生理解概念，還可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力，從而發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

水平1——?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，觀察表面張力現(xiàn)象

情境是指一定時(shí)間內(nèi)各種情況結(jié)合的境況.中學(xué)物理教學(xué)中的情境主要包括實(shí)驗(yàn)、視頻、圖片等.情境認(rèn)知理論認(rèn)為，設(shè)計(jì)要以學(xué)生為主體，內(nèi)容要與生活實(shí)踐聯(lián)系，最好在真實(shí)的情境中組織教學(xué).筆者準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材，每個(gè)小組兩個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察液體的表面張力現(xiàn)象.

師：用燒熱的針刺破塑料吸管右側(cè)的肥皂液薄膜（如圖1），觀察到什么現(xiàn)象？

生：塑料吸管沿鐵絲框向左運(yùn)動(dòng).

師：這說明什么？

生：說明塑料吸管左側(cè)的肥皂液薄膜對(duì)塑料吸管有向左的引力.

師：若用燒熱的針刺破塑料吸管左側(cè)的肥皂液薄膜，觀察到什么現(xiàn)象？

生：塑料吸管沿鐵絲框向右運(yùn)動(dòng).

師：這說明什么？

生：說明塑料吸管右側(cè)的肥皂液薄膜對(duì)塑料吸管有向右的引力.

師：塑料吸管既可以受到向左的引力而向左運(yùn)動(dòng)，也可以受到向右的引力而向右運(yùn)動(dòng)，說明肥皂液薄膜具有什么性質(zhì)？

生：說明肥皂液薄膜具有收縮趨勢(shì)性質(zhì).

師：在生活中，有沒有什么東西也像肥皂液薄膜一樣具有收縮趨勢(shì)？

生：繃緊的橡膠薄膜具有收縮趨勢(shì)，如吹入了空氣而鼓起來的氣球.

師：除了肥皂液薄膜具有收縮趨勢(shì)，其實(shí)所有液體的表面都具有收縮趨勢(shì).

水平2——微觀分析，揭示表面張力內(nèi)涵

微觀是指涉及分子、原子等物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu).很多宏觀物理現(xiàn)象，都是由物體的微觀結(jié)構(gòu)決定.通過以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)觀察到液體的表面具有收縮趨勢(shì).為了探究這種現(xiàn)象的原因，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微觀分析，揭示液體的表面張力內(nèi)涵.

師：愛因斯坦說，“提出問題比解決問題更重要”.通過以上實(shí)驗(yàn)過程，你們能提出什么問題？

生：為什么液體的表面具有收縮趨勢(shì)呢？

師：好問題！這需要從液體表面的微觀結(jié)構(gòu)去分析.其實(shí)液體的表面不是一個(gè)幾何平面，而是一個(gè)厚度為分子有效作用距離（數(shù)量級(jí)為10-10m）的薄層，叫作表面層（如圖2甲）.從圖可以看出，表面層分子比液體內(nèi)部分子稀疏還是密集？

生：稀疏.

師：已知在液體內(nèi)部分子間距離r略小于r0，請(qǐng)問液體內(nèi)部分子間的作用力表現(xiàn)為什么力？

生：斥力.

師：表面層分子比液體內(nèi)部分子稀疏，分子間距離r略大于r0，請(qǐng)問表面層分子間的作用力表現(xiàn)為什么力？

生：引力.

師：設(shè)想在液體表面層任取一個(gè)水平的小表面層（如圖2乙），在這個(gè)小表面層上任畫一條分界線MN，把液體小表面層分為1、2兩部分，請(qǐng)問分界線MN兩側(cè)液體表面層之間存在什么力？

生：1部分液體對(duì)2部分液體有引力F12，2部分液體對(duì)1部分液體有引力F21.

師：若這分界線MN越長(zhǎng)，分界線MN兩側(cè)的分子數(shù)就會(huì)越多，引力F12、F21將如何變化？

生：因?yàn)榉肿訑?shù)越多，產(chǎn)生的引力個(gè)數(shù)也越多，由于分界線MN同側(cè)的引力方向都相同，引力大小就是所有引力之和，因此引力F12、F21隨分界線越長(zhǎng)而變大.

師：這兩個(gè)力F12、F21是什么關(guān)系？

生：是作用力與反作用力，即大小相等、方向相反、作用在同一條直線上.

師：這兩個(gè)力的方向具體如何？

生：F12、F21總是垂直分界線MN且與液面相切.

師：由于是任取一個(gè)小表面和任畫一條分界線，所以這種引力在液體表面層的各個(gè)地方和各個(gè)方向都存在，使整個(gè)液體表面層如同被拉伸的橡膠膜而產(chǎn)生繃緊的效果.在物理學(xué)中，把液體表面層所有分子引力在宏觀上表現(xiàn)的合力叫作液體的表面張力.請(qǐng)總結(jié)液體的表面張力的大小、方向、作用點(diǎn)如何？

生：經(jīng)過以上分析，總結(jié)出液體的表面張力大小隨邊界線增長(zhǎng)而增大;液體的表面張力方向總是與表面層上任意一條分界線垂直且與液面相切;液體的表面張力的作用點(diǎn)在液體的表面層上，即表面張力F12作用在2部分表面層，表面張力F21作用在1部分表面層.

水平3——深度探索，建構(gòu)表面張力關(guān)聯(lián)

關(guān)聯(lián)是指物理新概念與其他概念的相關(guān)與聯(lián)系.了解不同概念之間的關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生理解知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，從而加深對(duì)所學(xué)概念的認(rèn)識(shí)和理解，也有助于掌握學(xué)科的知識(shí)結(jié)構(gòu).筆者通過實(shí)例分析，暴露學(xué)生的迷思概念，引導(dǎo)學(xué)生深度探究，從而建構(gòu)表面張力關(guān)聯(lián).

（學(xué)生觀察老師演示實(shí)驗(yàn)——5分硬幣漂浮在水面上并保持靜止）

師：對(duì)靜止的5分硬幣做受力分析.

生：硬幣受到重力和浮力.

師：請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察，硬幣有浸在水中嗎？

生：硬幣沒有浸在水中，是漂浮在水面上.

師：硬幣沒有浸在水中，會(huì)產(chǎn)生浮力嗎？

生：根據(jù)初中學(xué)習(xí)的阿基米德原理，浮力的大小等于物體排開的液體所受的重力.現(xiàn)在硬幣沒有浸在水中，即沒有排開液體，因此硬幣沒有受到浮力.

師：硬幣不受到浮力，為何硬幣會(huì)靜止在水面上？

生：哦，我知道了，硬幣應(yīng)該是受到重力和水的表面張力（如圖3）.

師：液體的表面張力作用點(diǎn)在哪里？

生：在液體的表面層.

師：既然液體的表面張力在液體的表面層，也就是說，水的表面張力還是在水中，不可能作用在5分硬幣上，因此5分硬幣沒有受到水的表面張力.

生：5分硬幣既沒有浮力，也沒有表面張力，難道又產(chǎn)生了新的力？

師：質(zhì)疑得好！確實(shí)產(chǎn)生了新的力.請(qǐng)大家再仔細(xì)觀察和思考！

生：水的表面發(fā)生了形變，向下凹下去，由于表面張力的作用，凹下去的水面處于繃緊狀態(tài)，類似于橡膠薄膜發(fā)生了彈性形變，對(duì)硬幣產(chǎn)生了向上的彈力，正是這個(gè)彈力與硬幣的重力平衡（如圖4），才使硬幣靜止在水面上.

師：請(qǐng)比較表面張力與浮力，并完成表格（表1）.

水平4——回歸生活，感悟表面張力應(yīng)用

在物理教學(xué)中聯(lián)系生活實(shí)際，不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，引導(dǎo)學(xué)生勤于觀察和積極思考，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，也有利于激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，同時(shí)使學(xué)生真切體會(huì)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間的相互聯(lián)系.筆者通過兩個(gè)生活實(shí)例，讓學(xué)生感悟表面張力的應(yīng)用.

實(shí)例一：解釋太空中水珠為何呈球形.

（學(xué)生觀看神舟十號(hào)航天員王麗平太空授課視頻）

師：為何神州十號(hào)中的水珠呈球形？（圖5）

生：因?yàn)樵谏裰菔?hào)中是處于完全失重狀態(tài).

師：王麗平也處于完全失重狀態(tài)，為何沒有呈球形？

生：因?yàn)橥觖惼绞枪腆w而不是液體.

師：為何液體在完全失重狀態(tài)就會(huì)呈球形？

生：我推測(cè)可能是因?yàn)橐后w表面有表面張力吧.

師：推測(cè)正確！能具體解釋嗎？

生：由于表面張力作用，使液體表面具有收縮趨勢(shì).

師：液體表面會(huì)收縮到什么程度？

生：應(yīng)該是使液體的表面收縮到表面積最小吧.

師：體積相同的情況下，什么樣的狀態(tài)表面積最小？

生：在數(shù)學(xué)中已經(jīng)學(xué)過，體積相同的情況下，球形的面積最小.

師：這就解釋了完全失重狀態(tài)下水珠呈球形的原因.

實(shí)例二：猜測(cè)刺破薄膜的棉線圈將呈什么形狀.

（教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)，若把棉線圈內(nèi)肥皂液薄膜刺破，請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)棉線圈將呈什么形狀）

生：估計(jì)也是圓形吧.

師：為什么猜測(cè)為圓形？

生：估計(jì)表面張力作用，使液體表面收縮到面積最小.

師：液體表面收縮到面積最小為何就是圓形？

生：因?yàn)橹荛L(zhǎng)相同的情況下，圓形的面積最大.由于鐵絲的周長(zhǎng)一定且所圍的面積固定，要使液體表面最小，就要使棉線圈的面積最大.從數(shù)學(xué)可知，當(dāng)棉線長(zhǎng)度一定時(shí)，圓形面積最大，所以棉線圈一定為圓形.

師：請(qǐng)同學(xué)們刺破棉線圈肥皂液薄膜，看看與猜測(cè)是否一致.

（學(xué)生刺破棉線圈內(nèi)肥皂液薄膜，棉線圈形狀如圖6呈圓形）

二、教學(xué)策略

策略本意為計(jì)策與謀略，一般指實(shí)現(xiàn)某個(gè)目標(biāo)的方案集合.教學(xué)策略，即為完成教學(xué)目標(biāo)而采取的策略.筆者反思“液體的表面張力”的備課過程與課堂教學(xué)，總結(jié)出基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的四條物理概念教學(xué)策略.

（一）策略一：以“概念要素”劃分進(jìn)階水平

根據(jù)物理概念的發(fā)展過程和思維邏輯，閆金鐸把物理概念排序?yàn)橐罁?jù)、意義、方法、內(nèi)涵、外延、關(guān)聯(lián)、應(yīng)用等七個(gè)要素[4].“依據(jù)”找到了新概念的生活基礎(chǔ)，“意義”體現(xiàn)了引入新概念的必要性，“方法”說明了物理研究的規(guī)范性，“內(nèi)涵”反映了物理學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，“外延”讓學(xué)生明白新概念的適用范圍，“關(guān)聯(lián)”讓學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)，“應(yīng)用”讓物理知識(shí)又回歸生活.七個(gè)要素相互聯(lián)系，相互促進(jìn)，共同深化了學(xué)生對(duì)物理概念的理解，筆者認(rèn)為可以作為物理概念教學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)階中間水平劃分的依據(jù).

（二）策略二：以“三序合一”落實(shí)核心素養(yǎng)

三序是指知識(shí)序、進(jìn)階序、素養(yǎng)序.知識(shí)序?yàn)槲锢韺W(xué)科知識(shí)呈現(xiàn)順序，進(jìn)階序?yàn)閷W(xué)習(xí)進(jìn)階中間水平順序，素養(yǎng)序?yàn)槲锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)順序.三序合一，就是指在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，把物理學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，根據(jù)某種邏輯關(guān)系進(jìn)行排序，讓這種排序既符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的中間水平順序，又能夠在課堂教學(xué)過程中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)（如圖7）.

（三）策略三：以“創(chuàng)設(shè)情境”激發(fā)學(xué)生思維

情境認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)，認(rèn)知離不開實(shí)際，這就要求學(xué)生在參與情境的基礎(chǔ)上完成認(rèn)知過程，學(xué)習(xí)內(nèi)容與活動(dòng)的安排要與社會(huì)的具體實(shí)踐相聯(lián)系，通過實(shí)踐的方式組織教學(xué)，使學(xué)生獲得知識(shí)、增強(qiáng)能力.如筆者在教學(xué)過程中，多次創(chuàng)設(shè)情境：用針刺破塑料吸管兩側(cè)薄膜實(shí)驗(yàn)、用圖片展示液體表面層、演示硬幣漂浮在水面上、播放太空授課視頻、刺破棉線圈薄膜實(shí)驗(yàn)等.通過這些情境，學(xué)生對(duì)其進(jìn)行觀察、思考，不僅使學(xué)生獲得知識(shí)，而且激發(fā)學(xué)生思維.

（四）策略四：以“生活問題”提升應(yīng)用能力

所謂生活問題是指教師編制的問題取材于生活.學(xué)生用所學(xué)的物理知識(shí)，解決生活問題，可以認(rèn)識(shí)到物理對(duì)生活的價(jià)值與作用.如筆者編制兩個(gè)實(shí)例：解釋太空中水珠為何呈球形，猜測(cè)被刺破薄膜的棉線圈將呈什么形狀，有效連接物理知識(shí)、學(xué)生生活，讓學(xué)生在解決物理問題過程中，真正解讀物理問題中蘊(yùn)含的物理知識(shí)與人文價(jià)值.

學(xué)習(xí)進(jìn)階融合了最近發(fā)展區(qū)理論、螺旋式課程設(shè)計(jì)理論等，物理概念是中學(xué)物理重要的知識(shí)內(nèi)容，用學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)物理概念教學(xué)，有利于學(xué)生理解概念、應(yīng)用概念，同時(shí)還可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英，等.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].課程·教材·教法，2016（11）：64–70.

[2]卜玉華. 試論課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的“可能起點(diǎn)”與“現(xiàn)實(shí)起點(diǎn)”[J].課程·教材·教法，2007（4）：22–24.

[3]余文森.論有效教學(xué)的三大理論基礎(chǔ)[J].課程·教材·教法，2012（2）：15–22.

[4]閆金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2019：128-131.