基于學(xué)生立場的物理教學(xué)實踐與思考
——以“萬有引力理論的成就”為例

劉 玲

(江蘇省太倉高級中學(xué)，江蘇 太倉 215411)

1 引言

從赫爾巴特的“教師中心”到杜威的“兒童中心”、羅杰斯的“學(xué)生中心”，再到近年來一輪又一輪的課程改革，表明教育的立場應(yīng)該是學(xué)生的立場。學(xué)生已有的經(jīng)歷、體驗和當(dāng)下的發(fā)展?fàn)顟B(tài)是學(xué)生發(fā)展的寶貴資源，也是促成其全面發(fā)展的基礎(chǔ)。而實際課堂教學(xué)中，很多教師由于有比較深厚的專業(yè)知識和豐富的教學(xué)經(jīng)驗，傾向關(guān)注“教什么”，注重知識的輸入，想方設(shè)法去豐富“教”的內(nèi)涵，而學(xué)生的真正學(xué)習(xí)狀況無法顧及，容易脫離學(xué)生的學(xué)情和“最近發(fā)展區(qū)”。課上，教師對知識點層層推進，講得行云流水，看似完美，殊不知學(xué)生時常聽得云里霧里。究其根源，還在于教師和學(xué)生看待物理問題的立場不同，教師自認為簡單的知識，而對學(xué)生來說由于前概念的影響，往往困難重重。筆者認為教師需要改變在以往備課、上課、評估過程中“教師立場始終處于主導(dǎo)地位”的現(xiàn)象，需要“稚化”自己的思維，從學(xué)生視角思考問題，轉(zhuǎn)變成以“學(xué)生立場處于主導(dǎo)地位”的現(xiàn)象。即教師應(yīng)該盡可能地從學(xué)生的立場出發(fā)，理解他們物理學(xué)習(xí)中的困惑，再進行教學(xué)設(shè)計和教學(xué)評估，才能順利攻克教學(xué)難點，實現(xiàn)有效教學(xué)。

本文以人教版《物理》必修2中第六章“萬有引力與航天”第4節(jié)“萬有引力理論的成就”為例，展示筆者對“基于學(xué)生立場”的物理教學(xué)實踐思考。

2 注重具身體驗化抽象為具體

物理學(xué)習(xí)，如果單純地套用公式，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情很快就會消退，可能會知識沒學(xué)扎實，連對物理學(xué)習(xí)的興趣也會一并抹殺。例如：在計算天體的質(zhì)量時，如果教師直截了當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生利用所學(xué)的萬有引力知識，或是讓學(xué)生死記所謂整理好的方法去求解天體質(zhì)量，這看似高效——在課堂有限的時間內(nèi)解決了問題，實則空洞——學(xué)生認為本章節(jié)的知識只要套公式就能解決了。教學(xué)應(yīng)該先從學(xué)生能看到、摸到和體驗到的事例出發(fā)，增強學(xué)生的具身體驗，化抽象為具體。

教學(xué)片段：阿基米德曾說過，給我一個支點，我就能撬起整個地球。阿基米德是否能利用杠桿原理，稱量出地球的質(zhì)量呢？顯然，我們找不到這樣的支點，也找不到能夠撬起地球的杠桿。那我們?nèi)绾畏Q量地球以及其他天體的質(zhì)量呢？

創(chuàng)設(shè)情境:假如你成為了一名宇航員，駕駛宇宙飛船航行在宇宙深處，突然，前方一美麗的天體出現(xiàn)在你的面前。你先關(guān)閉了宇宙的發(fā)動機，然后飛船剛好繞美麗天體做了完美的圓周運動，繞行一周后，飛船就平穩(wěn)的降落在了星球上。

分組討論：你有什么辦法可以測得這—神秘天體的質(zhì)量?

學(xué)生交流展示：

方法一：測出宇宙飛船繞行一周的時間和軌道半徑，根據(jù)萬有引力提供向心力，

即

從而得出星球(中心天體)的質(zhì)量

進一步對這種方法進行拓展，根據(jù)環(huán)繞星體受到中心天體對其的萬有引力全部提供其繞行的向心力

即如果能夠知道軌道半徑r和繞行速度v或角速度w或周期T或向心加速度an，就可求得中心天體的質(zhì)量。

方法二：根據(jù)宇航員降落在星球表面上后，重力近似等于萬有引力，可得到地球質(zhì)量。

師：如何測得星球表面的重力加速度g呢？

學(xué)生討論回答，教師展示借助小球的自由落體運動，通過現(xiàn)代技術(shù)“傳感器”完成重力加速度的測量。

師：用不同的環(huán)繞行星計算出來的太陽的質(zhì)量是否能夠保證一致？

學(xué)生討論并說出理由。

學(xué)生總結(jié)，求解中心天體質(zhì)量的兩種方法：代換法和環(huán)繞法。

教學(xué)意圖：讓學(xué)生重新建構(gòu)知識，重演重要物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，這對學(xué)生深刻理解物理規(guī)律、領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中所用巧妙的方法，都是很有幫助的。通過這樣的設(shè)計，一方面引入了環(huán)繞法求天體質(zhì)量的思路和該方法的條件，另一方面又區(qū)別了環(huán)繞法和代換法的不同。教師要關(guān)注問題思辨性，努力創(chuàng)設(shè)問題情境，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生積極參與課堂討論，讓學(xué)生體驗開普勒第三定律的意義。

3 基于前概念建構(gòu)新知識

奧蘇貝爾認為學(xué)生的前概念到新知識的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。在學(xué)習(xí)新知識的過程中，學(xué)生會自動遷移前概念到新知識的學(xué)習(xí)中。如果前概念與新知識的學(xué)習(xí)矛盾，可能會導(dǎo)致原有認知結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和重新組織。因此，教師在引入新知識時，要基于學(xué)生立場，熟知學(xué)生的前概念，防止新舊知識融合的過程中產(chǎn)生矛盾。

教學(xué)片段：在探究重力和萬有引力的區(qū)別與聯(lián)系的教學(xué)中，學(xué)生往往會把重力當(dāng)成萬有引力，認為重力就是萬有引力。它們之間到底是什么樣的關(guān)系呢？學(xué)生會存在著很多的疑問，比如：“重力就是萬有引力嗎？”“為什么忽略地球自轉(zhuǎn)時，地面上物體的重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力？”教師如果只是簡單地講解受力分析，告知結(jié)論，學(xué)生會很難理解。

針對這一疑惑，教師不妨把視角下移，先給出情境，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，利用情景中的已知量，來嘗試求解幾個物理量。

情境：班里的某位同學(xué)站在赤道上跟隨地球一起自轉(zhuǎn)，已知：

人的質(zhì)量

m=50kg,

地球的質(zhì)量

M=5.97×1024kg，

地球半徑

R=6.37×106m，

赤道上的重力加速度取

學(xué)生根據(jù)已有知識通過計算可得

發(fā)現(xiàn)重力和萬有引力并不完全相等。

為什么會有這樣微小的差異呢？這差異我們能不能簡單地認為是由誤差引起的呢？這時教師可以多留一點時間，讓學(xué)生進行討論并提出問題。學(xué)生通過交流后會發(fā)現(xiàn)：該同學(xué)是站在赤道上跟隨地球一起自轉(zhuǎn)，即他在赤道做圓周運動，根據(jù)向心力公式計算可得，發(fā)現(xiàn)萬有引力、重力、向心這三個力的大小在數(shù)值上存在著聯(lián)系。

師追問：這關(guān)系說明了什么呢？引導(dǎo)學(xué)生分析向心力的來源。

學(xué)生根據(jù)已有力的合成與分解的知識分析物體受力情況，如圖1，可得出萬有引力和地面對它的支持力的合力提供了它跟隨地球一起做圓周運動的向心力，物體所受重力大小等于地面對它的支持力。

圖1 圓周運動示例圖

師問：推廣到任意緯度，這幾個力之間存在什么關(guān)系呢？

學(xué)生通過作圖進行分析，如圖2。

圖2 學(xué)生分析作圖

師追問：為什么有些時候，我們可以忽略向心力呢？

學(xué)生根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤道上物體隨著圓周運動所需的向心力只占萬有引力的千分之三，在任意緯度上就更小了。也就是說萬有引力絕大部分表現(xiàn)為重力，只有極小一部分提供物體跟隨地球做圓周運動的向心力。所以在忽略地球自轉(zhuǎn)時，地面上物體的重力近似等于地球?qū)ξ矬w的引力。

分析到這里，學(xué)生自然就會理解重力只是萬有引力的一部分，還有一部分提供物體跟隨地球自轉(zhuǎn)的向心力，和學(xué)生原認知中重力的定義是相符的。

教學(xué)意圖：創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的問題情景，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，在問題討論過程中引導(dǎo)學(xué)生進行新舊知識的比較，防止新舊知識融合的過程中產(chǎn)生矛盾。找出問題的本質(zhì)，從而主動地運用自己的經(jīng)驗去積極建構(gòu)新知識，并把新知識納入自己原有的認知結(jié)構(gòu)中去。通過先對赤道上的物體進行分析，再去推廣到任意緯度和兩極，重力和萬有引力的關(guān)系就迎刃而解了。

4 回歸生活實際培育家國情懷

物理源于生活、服務(wù)于生活，物理教學(xué)應(yīng)回歸學(xué)生的生活實際背景，激發(fā)學(xué)生的興趣，一旦學(xué)生對物理學(xué)習(xí)中的某個知識點感興趣了，他自然愿意花時間和精力去鉆研，萬有引力與航天很容易和學(xué)生的生活實際相聯(lián)系，尤其容易與我國的航天事業(yè)相聯(lián)系，由此可相應(yīng)培育學(xué)生的家國情懷。

教學(xué)片段：賀歲片《流浪地球》講述了太陽將變成紅巨星，人類驅(qū)動地球逃離太陽系的故事，蘊涵了諸多物理學(xué)原理。對于學(xué)生而言，觀看影片欣賞的也許只是劇情的跌宕起伏和畫面氣勢恢宏，對電影里涉及到的物理知識卻知曉甚少。教師不妨借助這個機會，給學(xué)生普及一下這方面的知識。這樣地球就獲得了木星的軌道速度，再加上原有的速度，速度增加到了二者之和，地球的速度和能量都增加了，卻沒有消耗任何燃料。其實不光在“流浪地球”計劃中使用這個原理使得地球加速。在日常的衛(wèi)星發(fā)射過程中，科學(xué)家們也會利用地球的自轉(zhuǎn)，使得衛(wèi)星在發(fā)射的時候具有地球自轉(zhuǎn)的線速度，從而節(jié)省燃料。影片里涉及高中物理知識的還有很多，教師可以結(jié)合行星運動和我國航天事業(yè)的發(fā)展等一起講解，這樣學(xué)生不但收獲了課本知識，也了解到國內(nèi)外航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，可提升學(xué)生的愛國主義情懷，利于學(xué)生養(yǎng)成將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識。

物理教學(xué)設(shè)計，唯有承認學(xué)生的獨立性和獨特性，站在學(xué)生的立場看待物理問題，多關(guān)注學(xué)生的前概念和具身體驗，回歸學(xué)生生活背景，使他們認識到生活中處處有物理現(xiàn)象，物理與生活息息相關(guān)。主動走進孩子的心靈，尊重并參與學(xué)生的思維創(chuàng)造活動來，與他們站在同一視角去看待周圍的事物，才會理解學(xué)生的思維，與之產(chǎn)生思想與情感的共鳴，學(xué)生才會“親其師，信其道”，并進入物理課堂的最佳境界。