基于物理圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的超重和失重教學(xué)實(shí)踐研究

展林弟 鄭朝陽 劉青華

摘 要：以“物理圖式”和“學(xué)習(xí)進(jìn)階”為理論依據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)物理概念圖式的學(xué)習(xí)進(jìn)階，基于學(xué)科核心概念構(gòu)建新的物理概念.以“超重與失重”概念為例對物理核心概念教學(xué)過程進(jìn)行實(shí)踐研究，將學(xué)生對“加速度”概念和“牛頓第二定律”結(jié)合起來，促進(jìn)學(xué)生組織、建構(gòu)、拓展對學(xué)科核心概念的提煉和升華，形成“運(yùn)動和相互作用觀”，從而促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.

關(guān)鍵詞：物理圖式;進(jìn)階理論;超重;失重

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0035-04

基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于物理圖式和學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的高中物理概念和規(guī)律教學(xué)實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：CDDB16156）.

作者簡介： 展林弟（1992-），女，北京人，博士，研究方向：光物理;

鄭朝陽（1963-），男，湖北宜都人，博士，中學(xué)高級教師，研究方向：物理教育;

劉青華（1972-），女，河北邯鄲人，碩士，中學(xué)高級教師，中學(xué)特級教師，研究方向：高中物理教學(xué)實(shí)踐.

1 物理圖式

2019年11月出版的《中國高考評價(jià)體系》中規(guī)定了高考評價(jià)的載體——情境，運(yùn)用文字、數(shù)據(jù)、圖表等形式的各種素材，圍繞一定主題加以設(shè)置[1]，再現(xiàn)學(xué)科理論產(chǎn)生的場景或者是呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的問題情境，讓學(xué)生在真實(shí)的背景下運(yùn)用必備知識和關(guān)鍵能力解決實(shí)際問題，以此達(dá)到考查內(nèi)容和考查要求[2].運(yùn)用物理圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的教學(xué)設(shè)計(jì)有利于學(xué)生基于物理情境加深對概念的理解，提高知識遷移能力，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力[3].

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，圖式是圍繞某一個(gè)主題將知識表征和儲存方式組織起來，表現(xiàn)形式是一些觀念和關(guān)系的集合，從而形成的一種系統(tǒng)的、有組織的知識結(jié)構(gòu)和框架，從而提高相關(guān)信息的記憶、理解和推理分析[4].引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在認(rèn)知過程中，通過對當(dāng)前認(rèn)識進(jìn)行抽象概括、歸納整理構(gòu)建出一個(gè)一般的科學(xué)圖式，并進(jìn)行記憶存儲.當(dāng)學(xué)習(xí)者再次對當(dāng)前存儲的知識進(jìn)行解釋分析時(shí)，圖式就會被激活，快速形成對應(yīng)的推理和分析，有利于學(xué)習(xí)者觸類旁通地學(xué)習(xí)知識，很好地進(jìn)行知識的遷移創(chuàng)新[3].對于高中物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生在觀察生活中的物理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、課堂學(xué)習(xí)的過程中，通過動手和動腦的實(shí)踐活動逐步形成了包含物理表象圖式、概念圖式、規(guī)律圖式、實(shí)驗(yàn)圖式和問題圖式在內(nèi)的各種物理圖式.每一種物理圖式在不斷豐富和完善的過程中實(shí)際上是學(xué)習(xí)者頭腦中的物理圖式在不斷進(jìn)階的過程.其中物理問題圖式最為復(fù)雜，學(xué)習(xí)者在解決問題的過程中，通過其他物理圖式、問題情境等，對不同類型的問題解決的物理圖式進(jìn)行完善，從而實(shí)現(xiàn)問題圖式的不斷進(jìn)階.

高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)要在學(xué)生原有認(rèn)知和進(jìn)階終點(diǎn)之間設(shè)置合理的進(jìn)階，讓學(xué)生順利跨越新的臺階[5].教師幫助學(xué)生將頭腦中已有的問題圖式與不同問題類型情境等具體細(xì)節(jié)知識相聯(lián)系，建立起一個(gè)從具體問題圖式到高度抽象問題圖式的完整的、系統(tǒng)的問題圖式體系，從而提高學(xué)生解決問題的實(shí)際能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2 基于物理圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的教學(xué)分析

2.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階圖式

2.1.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階的初始圖式

在學(xué)習(xí)“超重與失重”前，學(xué)生已有的認(rèn)知前概念如下：

（1）學(xué)習(xí)了勻變速直線運(yùn)動的物理規(guī)律，理解了加速度、速度等核心概念.

（2）學(xué)習(xí)了重力、彈力等相互作用力的基本物理概念，以及牛頓運(yùn)動定律的基本內(nèi)容，對牛頓運(yùn)動定律解決動力學(xué)問題的基本思路有一定的掌握.

（3）具有超重與失重的直覺體驗(yàn)，對超重與失重這兩個(gè)新的物理概念缺少科學(xué)的認(rèn)識，對視重和重力概念的本質(zhì)區(qū)別理解不到位.

（4）對超重與失重產(chǎn)生的動力學(xué)本質(zhì)缺少認(rèn)識，沒有建立起加速度與超重、失重的聯(lián)系.

2.1.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo)圖式

（1）對比視重與重力的關(guān)系，建立超重與失重概念圖式.

（2） 應(yīng)用牛頓第二定律，構(gòu)建超重和失重概念與加速度概念的關(guān)系圖.

（3）關(guān)注生活和科技，了解超重和失重現(xiàn)象在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，解釋生活中的超重和失重現(xiàn)象，喚醒相關(guān)圖式，強(qiáng)化對超重和失重概念本質(zhì)的理解.

3 基于物理圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)流程

3.2 教學(xué)過程

3.2.1 重力測量

趣味實(shí)驗(yàn)：質(zhì)量會變的蘋果.

用電子秤在地面上稱一個(gè)蘋果的質(zhì)量為200g.將電子秤搬到電梯中，在電梯上升過程中，神奇的事情發(fā)生了，蘋果的質(zhì)量隨著電梯的運(yùn)動發(fā)生了變化，時(shí)而變大時(shí)而變小.

問題1：根據(jù)對課本的預(yù)習(xí)，有哪些方法可以測量物體重力？依據(jù)的原理是什么？測量時(shí)實(shí)驗(yàn)條件是什么？

情境1：學(xué)生演示走上體重計(jì)過程中，觀察體重計(jì)示數(shù)的變化情況.

問題2：在整個(gè)過程中我們觀察到了什么現(xiàn)象？體重計(jì)的示數(shù)一定等于人的重力大小嗎？為什么？

問題3：體重計(jì)示數(shù)為什么會發(fā)生變化？人在體重計(jì)上下蹲和站起過程中示數(shù)是如何變化的？

設(shè)計(jì)意圖：為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，在“超重與失重”這節(jié)課采用了“質(zhì)量會變的蘋果”的趣味實(shí)驗(yàn)，在課前錄制好稱量蘋果的視頻，讓學(xué)生觀察，視頻會立即引發(fā)學(xué)生對“稱重”頗有興趣的思考.在問題1中大部分學(xué)生能夠根據(jù)原有認(rèn)知回答出：（1）根據(jù)重力的定義G=mg測量物體的重力（原理是牛頓第二定律F=ma）;（2）利用力的平衡條件測量重力（原理是二力平衡）.進(jìn)一步設(shè)問，利用平衡條件測量重力時(shí)，學(xué)生基于日常生活經(jīng)驗(yàn)知道需要測量時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)才能受力平衡.在情境1中學(xué)生觀察到走上體重計(jì)的過程中體重計(jì)示數(shù)發(fā)生了變化，引起認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望.在問題3中提出問題，明確了研究目的，引入課題.學(xué)生嘗試解釋，原有知識不能解釋，需要引入新的物理概念，激發(fā)新的物理圖式.

3.2.2 超重與失重

問題探究1：觀察人在體重計(jì)上下蹲過程中，體重計(jì)示數(shù)的變化情況.請學(xué)生嘗試畫出體重計(jì)示數(shù)FN隨時(shí)間變化的圖像和v-t圖像.

（1）分析建模.

研究對象：以人的重心為研究對象——簡化為質(zhì)點(diǎn).

質(zhì)點(diǎn)受力：重力和彈力.

運(yùn)動過程：包括三個(gè)階段（先向下加速運(yùn)動、再向下減速運(yùn)動、最后靜止）.

物理規(guī)律：牛頓第二定律、牛頓第三定律.

（2）對于向下加速的過程：取向下為正方向（取合外力或者加速度方向?yàn)檎较颍?，如圖2.

對于質(zhì)點(diǎn)：mg-FN=ma;根據(jù)牛頓第三定律：人受到的支持力與人對體重計(jì)底板的壓力大小相等，方向相反，即FN= F′N.由F′N=m（g-a）< mg，即體重計(jì)視重（F′N）小于人所受的重力，發(fā)生失重現(xiàn)象.

失重概念：視重小于重力的現(xiàn)象，即物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象，叫作失重現(xiàn)象.

（3）對于向下減速的過程：取向上為正方向，加速度方向向上，如圖3.

FN-mg=ma ，可得：F′N=m（g+a）> mg.

體重計(jì)的示數(shù)（視重）大于人受到的重力.這就是超重.

超重概念：視重大于重力的現(xiàn)象，即物體對支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，叫作超重.

（4）當(dāng)人相對于體重計(jì)靜止不動時(shí)，有FN=mg.

（5）手機(jī)傳感器測量下蹲過程的加速度，如圖4.第一階段：加速度ag，豎直向上.

問題探究2：模仿以上下蹲過程，分析討論起立過程中，體重計(jì)示數(shù)F′N變化的情況，并畫出體重計(jì)示數(shù)隨時(shí)間變化的圖像以及v-t圖像.

（1）向上加速過程：取豎直向上為正方向，加速度方向向上，如圖5.

F′N=m（g+a）> mg ，視重大于人受到的重力，屬于超重.

（2）向上減速過程：取豎直向上為正方向，加速度方向向下，如圖6.

F′N=m（g-a）< mg ，視重小于人受到的重力，屬于失重.

（3）當(dāng)人在體重計(jì)上靜止不動時(shí)，有FN=mg.

（4）手機(jī)傳感器測量站起過程中加速度，如圖7.第一階段：加速度a>g，豎直向上;第二階段：加速度a

問題1：豎直向上的運(yùn)動一定是超重嗎？豎直向下的運(yùn)動一定是失重嗎？

設(shè)計(jì)意圖：在問題探究1中，學(xué)生根據(jù)觀察人在體重計(jì)上下蹲時(shí)體重計(jì)的示數(shù)變化，并畫出FN隨時(shí)間的變化圖像和v-t圖像，教師引導(dǎo)學(xué)生利用運(yùn)動學(xué)規(guī)律和牛頓第二定律分析建模，對比視重與重力的關(guān)系，建立超重與失重的概念圖式.在問題探究2中引導(dǎo)學(xué)生自主分析，人在體重計(jì)上的站起過程，強(qiáng)化對超重和失重概念的理解.在問題1中設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到超重與失重和速度方向無關(guān)，并進(jìn)一步引發(fā)思考超重與失重的本質(zhì).

利用智能手機(jī)自帶的加速度傳感器軟件（phyphox），進(jìn)一步驗(yàn)證牛頓第二定律對超重、失重現(xiàn)象蘊(yùn)含的加速度變化規(guī)律進(jìn)行探究，將變化的加速度實(shí)時(shí)動態(tài)地通過圖像形象生動地顯示出來，讓學(xué)生親自實(shí)踐，思考超重、失重現(xiàn)象與加速度的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，理解超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì)，突破教學(xué)難點(diǎn).

3.2.3 超重和失重的本質(zhì)特征

問題1：加速運(yùn)動一定是超重嗎？減速運(yùn)動一定是失重嗎？

問題2：超重時(shí)加速度方向一定向上嗎？失重時(shí)加速度方向一定向下嗎？

設(shè)計(jì)意圖：在問題1和問題2中，逐步設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生分析人在升降機(jī)中下蹲和站起過程中超重與失重和加速度方向的關(guān)系，歸納論證超重與失重的本質(zhì)關(guān)系如下：

（1）失重的本質(zhì)

對于失重現(xiàn)象，在豎直方向上由于支持力小于重力，合外力豎直向下，根據(jù)牛頓第二定律，會產(chǎn)生豎直向下的加速度.自由落體運(yùn)動重力產(chǎn)生向下的重力加速度，支持力為零，發(fā)生完全失重.

（2）超重的本質(zhì)

對于超重現(xiàn)象，在豎直方向上由于支持力大于重力，合外力豎直向上，根據(jù)牛頓第二定律，會產(chǎn)生豎直向上的加速度.

3.2.4 超重與失重的應(yīng)用

應(yīng)用探究1：組織學(xué)生在數(shù)字化多媒體實(shí)驗(yàn)室中，利用傳感器實(shí)時(shí)測量重物被拉起和放下時(shí)的超重和失重現(xiàn)象.

問題1：起重機(jī)吊起重物時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)都不讓物體啟動太快，這是為什么？

設(shè)計(jì)意圖：在情境1中，鼓勵(lì)學(xué)生積極嘗試探究不同情況下的超重和失重現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證所得結(jié)論.在問題1中，考查學(xué)生利用超重與失重的概念分析解釋生產(chǎn)、生活中的超重和失重現(xiàn)象，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對“加速度”概念內(nèi)涵和外延的拓展，是基于牛頓運(yùn)動規(guī)律分析和解釋問題，從而形成“運(yùn)動和相互作用觀”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).

應(yīng)用探究2：觀察電梯中的失重和超重情況，并畫出支持力隨時(shí)間變化的圖像.

演示實(shí)驗(yàn)：利用手機(jī)加速度傳感器測量電梯在上升和下降過程的加速度.

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的超重和失重的情境，讓學(xué)生分析在電梯中的超重和失重現(xiàn)象，并利用手機(jī)加速度傳感器實(shí)時(shí)測量加速度變化圖像，直觀地幫助學(xué)生理解超重和失重與加速度的本質(zhì)聯(lián)系.

4 結(jié)束語

本節(jié)課以超重和失重為例運(yùn)用物理圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行物理概念教學(xué)，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，為學(xué)生的思維發(fā)展搭建了合理的臺階，通過科學(xué)推理和分析論證，建構(gòu)物理模型，通過思維導(dǎo)圖和學(xué)習(xí)進(jìn)階理論反思和總結(jié)，重新建構(gòu)知識體系，對于學(xué)生掌握學(xué)科核心概念，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系，促進(jìn)學(xué)生組織、建構(gòu)、拓展對學(xué)科核心概念的提煉和升華，形成“運(yùn)動和相互作用觀”有較大作用.

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（收稿日期：2021-04-27）