指向?qū)W科大概念的高中物理U型教學(xué)策略*
——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學(xué) 江蘇 蘇州 215411)

2018年1月教育部頒布了20個學(xué)科的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，并在前言中明確指出“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實”[3].學(xué)科大概念是課程內(nèi)容的主要組織形式[4]，是在事實基礎(chǔ)上抽象出來的聚合概念，對它的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷一個曲折的過程，“ U型”學(xué)習(xí)過程正好能幫助學(xué)生理解其本質(zhì).

1 什么是U型過程和學(xué)科大概念

1.1 U型過程的內(nèi)涵

杜威認(rèn)為知識不能直接進(jìn)行傳授，知識的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程，即還原與下沉、體驗與探究、反思與上浮的過程，這一過程恰似“U型”.學(xué)生首先要將書本知識還原與稀釋，還原的過程即知識的“下沉”過程.U型的底部是學(xué)生對對知識進(jìn)行體驗、對話與探究的過程.第3個環(huán)節(jié)是反思性思維的過程，經(jīng)過元認(rèn)知過程將符號知識進(jìn)行升華，實現(xiàn)公共知識的個人意義達(dá)成[5,6].

1.2 學(xué)科大概念的內(nèi)涵

學(xué)科大概念是在一個學(xué)科領(lǐng)域中最精華、最有價值的內(nèi)容，是在事實基礎(chǔ)上抽象出來的深層次的、有意義的、結(jié)構(gòu)化的和可遷移的聚合概念，在學(xué)科中發(fā)揮著概念“文件夾”和“透鏡”的作用，通常表現(xiàn)為一個有用的理論、主題、問題和原則等，學(xué)科大概念需要學(xué)生經(jīng)歷反復(fù)地探究與思考才能揭示其意義[1].

2 為什么U型過程能促進(jìn)學(xué)科大概念的理解

揭示學(xué)科大概念的過程需要以現(xiàn)象和事實等大情境為基礎(chǔ)進(jìn)行濃縮知識的稀釋，即還原與下沉的過程；需要以大問題為引領(lǐng)縱向聯(lián)結(jié)、橫向整合學(xué)習(xí)內(nèi)容，并以挑戰(zhàn)性任務(wù)為評估依據(jù)促進(jìn)不斷整合，實現(xiàn)物理概念的“生長”和“變大”，表現(xiàn)為理解概括，即體驗與探究的過程[7,8]，在獲得學(xué)科大概念的基礎(chǔ)上去解決陌生情境中的實際問題，表現(xiàn)為遷移應(yīng)用，即反思與上浮的過程，具體的層級結(jié)構(gòu)如圖1所示[3].

圖1 學(xué)科大概念的層級結(jié)構(gòu)

基于對U型學(xué)習(xí)過程和學(xué)科大概念內(nèi)涵的理解，教學(xué)中基于大情境，促進(jìn)還原與下沉，激活學(xué)科大概念；基于大問題，促進(jìn)體驗與探究，建構(gòu)學(xué)科大概念；基于大反思，促進(jìn)反思與上浮，遷移學(xué)科大概念，如圖2所示.

圖2 學(xué)科大概念的教學(xué)過程

3 指向?qū)W科大概念的高中物理U型教學(xué)策略

“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)蘊含著“機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與守恒”這一學(xué)科大概念，下面基于U型過程對機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與守恒的理解過程進(jìn)行探討.

3.1 基于大情境促進(jìn)還原與下沉激活學(xué)科大概念

大情境是指在簡化、剪輯與凝練學(xué)生的生活體驗基礎(chǔ)上，設(shè)置適合學(xué)生學(xué)習(xí)、具有較大程度的綜合性、與大量物理知識相關(guān)的問題情境，如圖3所示，從不同的角度分析會發(fā)現(xiàn)與不同的知識發(fā)生關(guān)聯(lián).通過設(shè)置大情境，促進(jìn)對物理知識還原與下沉，讓學(xué)生回到知識的發(fā)生處，激活學(xué)科大概念.

圖3 基于大情境的分析

教學(xué)片斷1：在“機(jī)械能守恒定律”的引入階段，新教材是利用伽利略的斜面實驗進(jìn)行說明，但斜面實驗畢竟是一個理想實驗，不能直觀顯示出“等高”.筆者應(yīng)用如圖4所示的模擬蕩秋千情境，一個結(jié)實的繩子一端連接一質(zhì)量較大的鐵球，另一端固定在天花板上.一學(xué)生緊靠墻角站立，將鐵球拉到緊靠鼻尖處，接下來放手，其他學(xué)生觀察鐵球的運動情況.

圖4 擺球?qū)嶒?/p>

實驗觀察到,鐵球來回擺動，回來時基本剛好能接觸到該學(xué)生鼻尖，真是有驚無險.

鐵球的位置既不變高，也不變低，說明這個過程中有某個物理量是不變的，即守恒.接下來從前面剛學(xué)過的重力勢能和動能變化角度進(jìn)行分析，有效激活學(xué)科大概念，并且從不同角度分析這個情境會鏈接到不同的知識點，它就是一個很好的“大情境”.

角度1：分析該過程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化，動能和重力勢能在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變，得到機(jī)械能守恒定律.

角度2：分析鐵球運動特點，總可以在另一側(cè)上升到原來的高度，并與伽利略的斜面模型類比，有助于得出牛頓第一定律.

角度3：繩子很長，人的尺寸可以忽略不計，繩子相對人的質(zhì)量也可以忽略不計時，建立單擺模型.分析鐵球受力特點，寫出動力學(xué)方程，說明鐵球的來回擺動屬于簡諧運動.

角度4：分析鐵球與另一個模型的碰撞，結(jié)合碰撞前的過程和碰撞后的過程機(jī)械能守恒，得到動量守恒定律.

3.2 基于大問題促進(jìn)體驗與探究建構(gòu)學(xué)科大概念

大問題是聚焦于學(xué)科大概念、處于學(xué)科或課程的核心位置、超越知識本身并能夠促進(jìn)對某一特定主題內(nèi)容的理解、激發(fā)知識間聯(lián)系和遷移的綜合性問題.大問題可以分解為若干具體問題或子問題，通過對一個個具體問題串的體驗與探究，實現(xiàn)大問題的解決，理解探究過程中蘊含的思想方法，建構(gòu)學(xué)科大概念，如圖5所示.

圖5 基于大問題的教學(xué)過程

教學(xué)片斷2：學(xué)生猜想,動能和重力勢能在相互轉(zhuǎn)化過程中,以及彈性勢能和動能相互轉(zhuǎn)化過程中，機(jī)械能的總量可能保持不變.

接下來提出大問題：如何驗證自己的猜想呢？

物理學(xué)科教學(xué)過程中很多規(guī)律和結(jié)論的得出都是基于觀察、實驗和猜想，上面的問題是反復(fù)出現(xiàn)，并指向?qū)W科大概念，所以是大問題.

學(xué)生提出可以通過實驗探究來驗證.對于實驗探究馬上提出以下問題串：設(shè)計什么樣的實驗方案？實驗中要測量什么？用到哪些儀器？如何進(jìn)行測量？

對這些問題的思考與討論，幫助學(xué)生想到基于自由落體運動并借助打點計時器進(jìn)行實驗探究，也就是教材中提供的一個參考方案.但按照這個實驗方案去做，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)阻力不可忽略，實驗誤差較大.

筆者借助DIS平臺對該實驗進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，實驗裝置如圖6所示.

圖6 驗證機(jī)械能守恒實驗裝置

(1)在鐵架臺相距較遠(yuǎn)的地方固定兩個光電門傳感器；

(2)在兩個光電門正上方用一個寬度為2 cm，長為5 cm的鋼片作為擋光片，這樣做的優(yōu)點：不需要維持兩光電門的小孔完全在同一條豎直線上，即使錯開一點也沒關(guān)系，由于它的長度為5 cm，在鋼片下落時足以保證擋光的寬度始終都是2 cm；

(3)鋼片釋放時用一個夾子進(jìn)行控制，這樣一方面可以保證鋼片的初速度為零，另一方面也可以保證鋼片在下落過程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時利于多次重復(fù)試驗.

學(xué)生提出還可以通過理論探究，鼓勵學(xué)生建立物理模型，分析運動過程，運用動能定理進(jìn)行論證推理，得出自己的結(jié)論，教學(xué)過程這里不再贅述.

3.3 基于大反思促進(jìn)上浮與應(yīng)用遷移學(xué)科大概念

在體驗與探究后，引導(dǎo)對學(xué)生對自己學(xué)習(xí)的結(jié)果、關(guān)系、過程和方式進(jìn)行反思與評價，如圖7所示.通過全方位的反思，促進(jìn)學(xué)生理清知識內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，理解知識背后蘊藏的意義和價值，這就是獲得學(xué)科大概念的過程，有了學(xué)科大概念，然后應(yīng)用大概念解決實際問題[9].

圖7 基于大反思的教學(xué)過程

教學(xué)片斷3：讓學(xué)生回顧和反思機(jī)械能守恒定律的理論探究過程.提出問題，如果向上的空氣阻力較大，不可忽略，機(jī)械能還守恒嗎？如果不守恒，是減小還是增大？變化量為多少？如果小球向下運動的同時受到一個向下恒定的拉力，機(jī)械能還守恒嗎？如果不守恒，是減小還是增大？變化量為多少？

對上述問題的分析和研究將得出機(jī)械能守恒的條件：只有重力或彈簧彈力做功.物體運動過程中如果有其他力做負(fù)功，機(jī)械能將減小，做了多少負(fù)功，機(jī)械能將減小多少；如果有其他力做正功，機(jī)械能將增加，做了多少正功，機(jī)械能將增加多少，聯(lián)結(jié)到功能關(guān)系這一學(xué)科大概念.

最后，利用“機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒”這一學(xué)科大概念解決一個實際問題.生活中很多學(xué)生會利用后端帶彈簧的圓珠筆玩一個小游戲：將其后端放在桌子上豎直向下按壓，突然放手后會彈起一定高度.若已知圓珠筆的質(zhì)量，請只利用手頭的刻度尺得出圓珠筆離開桌面時的速度大小以及彈簧的最大彈性勢能.