基于“二力平衡”教學(xué)實(shí)踐的思辨與優(yōu)化

楊濤 江蘇省徐州市西苑中學(xué)

作為國(guó)家層面“規(guī)范課程實(shí)施、引領(lǐng)教學(xué)方向”的綱領(lǐng)性文件，《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》和《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》于2022年4月正式發(fā)布，開啟了“以人為本，素養(yǎng)導(dǎo)向”的基礎(chǔ)教育課程改革。自此，研學(xué)2022 年版課標(biāo)新理念、新變化、新要求，以及探索如何在教育教學(xué)實(shí)踐中落實(shí)，成為廣大教育工作者最為關(guān)心的事。筆者借市優(yōu)質(zhì)課展評(píng)活動(dòng)的契機(jī)，以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》“落實(shí)課程育人價(jià)值，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)”［1-2］的基本理念為指引，采取“巧用生活素材”“融入科技發(fā)展”“自制教學(xué)用具”“回歸生命自然”等策略，在“優(yōu)化課題導(dǎo)入”“促進(jìn)觀念形成”“落實(shí)科學(xué)探究”“實(shí)現(xiàn)主題升華”等教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)“二力平衡”的常態(tài)課教學(xué)進(jìn)行辯證思考，進(jìn)而有針對(duì)性地改進(jìn)，以充分發(fā)揮實(shí)踐活動(dòng)的育人功能，切實(shí)提升學(xué)生的物理課程核心素養(yǎng)。

一、巧用生活素材優(yōu)化課題導(dǎo)入

（一）常見導(dǎo)入

結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、梳理相關(guān)文獻(xiàn)與視頻資料發(fā)現(xiàn)，因各地區(qū)的教材版本不同、各版本教材對(duì)知識(shí)的組織順序、呈現(xiàn)方式有差別，“二力平衡”課題的常見導(dǎo)入方式主要包括以下三種：1.復(fù)習(xí)式導(dǎo)入；2.活動(dòng)式導(dǎo)入；3.圖片或視頻呈現(xiàn)式導(dǎo)入。其中，復(fù)習(xí)式導(dǎo)入，以學(xué)生回顧“牛頓第一定律”的內(nèi)容最為普遍；活動(dòng)式導(dǎo)入的常見做法主要有立雞蛋、立長(zhǎng)桿、立易拉罐、立平衡鳥等；而圖片或視頻呈現(xiàn)式導(dǎo)入，主要是以教材圖片展示或者觀看類似人體懸空魔術(shù)表演為主。

復(fù)習(xí)式導(dǎo)入注重知識(shí)的聯(lián)結(jié)，關(guān)注學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，能夠有效縮短學(xué)生與新知的距離，讓學(xué)生以自然而然的狀態(tài)進(jìn)入新知的學(xué)習(xí)，也有助于教師探明學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)，但這種方式很難瞬間激活學(xué)生的認(rèn)知情緒，可能會(huì)讓課堂流于平淡?；顒?dòng)式導(dǎo)入注重學(xué)生的體驗(yàn)與學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，能夠快速吸引學(xué)生的有意注意，建構(gòu)認(rèn)知沖突、形成認(rèn)知需求，但前提是活動(dòng)設(shè)計(jì)與課題的契合度要高，要適切學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，更重要的是問題設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的思維邏輯，能夠引領(lǐng)學(xué)生思維進(jìn)階。圖片或視頻呈現(xiàn)式導(dǎo)入，能夠給學(xué)生以強(qiáng)烈的感官?zèng)_擊，在較短時(shí)間內(nèi)，豐富學(xué)生的間接經(jīng)驗(yàn)，但學(xué)生沒有親身體驗(yàn)，真實(shí)感的缺失將導(dǎo)致學(xué)生的心理認(rèn)同感不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)同頻共振。由此可見，不同方式的課題導(dǎo)入各有利弊，無所謂絕對(duì)的優(yōu)劣，如何選擇應(yīng)視具體課題而定、視學(xué)情目標(biāo)而定、視教學(xué)資源而定、視實(shí)際效果而定。

（二）全新嘗試

以蘇科版物理教材為例［3］，“二力平衡”教學(xué)的首要目標(biāo)是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)物體的平衡狀態(tài)、形成平衡觀念。但是基于對(duì)常見導(dǎo)入活動(dòng)的觀摩與深入思考后發(fā)現(xiàn)，其中存在三個(gè)典型問題：1.課題引入不夠直接，學(xué)生感受到的不是“平衡”與“不平衡”，而是“倒與不倒”，而且思維缺乏延續(xù)性，為了引入而引入，出現(xiàn)的典型導(dǎo)語是“學(xué)完本節(jié)內(nèi)容，我們將能夠明白，所以下面我們就一起來......”；2.導(dǎo)入活動(dòng)只能激發(fā)興趣，無法有效引發(fā)學(xué)生的思維沖突，很難讓學(xué)生自然生成疑問，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)以及繼續(xù)探究的愿望；3.課題導(dǎo)入都是讓學(xué)生以旁觀者的身份，感受或維持第三方的平衡，沒有讓學(xué)生以自己為對(duì)象，在平衡與失衡中獲得最深刻的體驗(yàn)。

鑒于以上分析，依據(jù)具身認(rèn)知理論，筆者以“學(xué)生本人”為體驗(yàn)主體，精選生活素材，密切知識(shí)與自我的意義關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了如表1所示的三種活動(dòng)式導(dǎo)入，均取得了滿意的教學(xué)效果：課堂瞬間被點(diǎn)燃，學(xué)生極感興趣，參與熱情很高；更重要的是，在具身體驗(yàn)平衡與非平衡的過程中，腦海中的“平衡”一詞被自然喚醒，思維生成對(duì)于“平衡”的疑問—什么是平衡？怎樣保持平衡？平衡在什么情況下會(huì)被打破？只有學(xué)生心生疑問，認(rèn)知心理出現(xiàn)不平衡時(shí)，教師有針對(duì)性的引導(dǎo)才能夠順理成章、行之有效，學(xué)生的思維才能連貫深入、拾級(jí)而上。但正如上文所述，課題導(dǎo)入情境的創(chuàng)設(shè)要視實(shí)際情況而定，在契合主題的前提下，還應(yīng)該綜合考慮安全性、趣味性、實(shí)操性、競(jìng)爭(zhēng)性、學(xué)生的參與度以及與教材內(nèi)容的關(guān)聯(lián)度等因素，因此筆者最終在優(yōu)質(zhì)課展評(píng)活動(dòng)中選擇了如表1所示的方案二。

表1 課題導(dǎo)入活動(dòng)方案設(shè)計(jì)

二、融入科技發(fā)展促近觀念形成

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

目前除了教科版，其他版本教材呈現(xiàn)的課題導(dǎo)圖，均為物體受兩個(gè)力或者四個(gè)力的情況。因此，不少教師受教材影響，另外也是圖省事，擔(dān)心力太多了，學(xué)生分析起來困難，會(huì)耽誤教學(xué)時(shí)間，于是課堂上只呈現(xiàn)受到兩個(gè)力的物體。當(dāng)然，這種處理方式有凸顯“二力平衡”主題的作用，但是卻無益于學(xué)生以完整的視角形成平衡觀念。

畢竟真實(shí)世界中的物體，受力情況可能非常復(fù)雜，僅從數(shù)量上來說，無論是兩個(gè)力還是四個(gè)力，都是偶數(shù)個(gè)，這樣難免會(huì)在無意中給學(xué)生造成誤導(dǎo)：物體在偶數(shù)個(gè)力的作用下才能平衡，因?yàn)榕紨?shù)個(gè)力，作用效果才能相互抵消。這樣便形成了錯(cuò)誤的觀念，對(duì)以后進(jìn)入高中，研究“共點(diǎn)力平衡”問題將產(chǎn)生負(fù)遷移，也違背了2022 年版課標(biāo)中“加強(qiáng)學(xué)段銜接［1］”的具體要求。另外，在實(shí)際教學(xué)中，很多教師往往直接告訴學(xué)生物體的平衡狀態(tài)，且只舉例平衡狀態(tài)的物體，卻不提“非平衡狀態(tài)”的事例，這如何能讓學(xué)生深入理解平衡狀態(tài)。并在思維對(duì)比中，形成正確的物理觀念。

（二）應(yīng)然變革

基于上述思考，在課題導(dǎo)入活動(dòng)結(jié)束以后、學(xué)生產(chǎn)生了“什么是平衡？”的疑問之際，筆者以水平桌面上“保持靜止”的茶杯為例，通過問題引導(dǎo)，讓學(xué)生先自主提煉出“速度（大小和方向）不變?運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變?平衡狀態(tài)”這一邏輯，再用多媒體展示如圖1所示的一組圖片，既有二力作用下的平衡，也有三力甚至四力作用下的平衡，為學(xué)生后續(xù)認(rèn)識(shí)平衡力做鋪墊。讓學(xué)生應(yīng)用上述邏輯，對(duì)圖片中所涉及的物體進(jìn)行判斷，再嘗試對(duì)這些物體進(jìn)行分類，認(rèn)識(shí)物體的靜態(tài)平衡與動(dòng)態(tài)平衡。

在此基礎(chǔ)上，向?qū)W生呈現(xiàn)一組能夠體現(xiàn)“中國(guó)速度”的高清美圖，如圖2 所示，讓學(xué)生直接思考并解釋，這些物體是否處于平衡狀態(tài)？促使學(xué)生更好地理解并形成“因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，所以物體平衡；由于物體平衡，因此運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變”的觀念。讓學(xué)生在感受美、欣賞美的同時(shí)，于潛移默化中，滲透STSE理念，落實(shí)愛國(guó)思政教育，弘揚(yáng)家國(guó)情懷，增強(qiáng)民族自豪感。

圖2 非平衡狀態(tài)的物體

三、自制教學(xué)用具落實(shí)科學(xué)探究

（一）常規(guī)方案

對(duì)比現(xiàn)行義務(wù)教育各個(gè)版本物理教材中“探究二力平衡的條件”的實(shí)驗(yàn)，其中4 個(gè)版本設(shè)定的研究對(duì)象是“輕質(zhì)卡片（硬紙板）”，如圖3、4所示；另外3個(gè)版本以“小車”為研究對(duì)象，如圖5所示。雖然研究對(duì)象有所區(qū)別，但本質(zhì)上“實(shí)驗(yàn)研究思想與實(shí)驗(yàn)操作邏輯”是高度一致的，均暗含“突出主要因素，忽略次要因素，建立理想模型”的思想，都屬于“逐次破壞平衡條件，觀察物體瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而且操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，很容易得出想要的結(jié)論。正因?yàn)槿绱耍瑢?duì)于本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的處理，反而更具挑戰(zhàn)性。因?yàn)楸鹊贸鼋Y(jié)論更重要的是：怎樣幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)所暗含的研究思想，提升學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

圖3 蘇科版教材方案

圖4 北師大版教材方案

圖5 滬粵版教材方案

另外，從教學(xué)實(shí)踐層面分析，針對(duì)如圖3所示的方案，教師常用兩個(gè)鐵架臺(tái)搭建支架，并在支架上懸掛“全封閉式”滑輪，以此進(jìn)行教師演示或者學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中，主要存在三個(gè)問題：1.由于兩個(gè)鐵架臺(tái)之間要拉開一定距離，因此當(dāng)鉤碼較重時(shí)，兩側(cè)滑輪會(huì)傾斜，鐵架臺(tái)也容易翻倒；2.在驗(yàn)證兩個(gè)力需不需要滿足方向相反的條件時(shí)，得將一側(cè)掛有鉤碼的細(xì)線繞過滑輪移至另一側(cè)，此時(shí)“全封閉式”的滑輪對(duì)于這一操作很不友好；3.器材數(shù)量多，加上鉤碼，攜帶、整理很不方便。而圖4所示的方案，紙板運(yùn)動(dòng)時(shí)容易與長(zhǎng)木板之間產(chǎn)生摩擦，且不方便實(shí)施旋轉(zhuǎn)紙板的操作。最為重要的是，所有版本的教材方案，都是基于“保持靜止”這一靜態(tài)平衡的，然而物體的平衡狀態(tài)還有“勻速直線運(yùn)動(dòng)”，但是這種情況卻被忽略了。

（二）自制教具

綜合以上考慮，并充分借鑒各版本教材實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)勢(shì)，決定讓學(xué)生先經(jīng)歷“滑塊→小車→輕質(zhì)卡片”等方案的逐步優(yōu)化過程，體會(huì)蘇科教材方案的設(shè)計(jì)意圖、顯化實(shí)驗(yàn)研究思想。再以“實(shí)心鋁條、方形老虎夾、半開放式滑輪、固定螺絲”等廉價(jià)易得的材料，研制了如圖6 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，其具備結(jié)構(gòu)緊湊、精巧便攜、拆裝簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性極好等優(yōu)點(diǎn)。只要擰緊螺絲，將其固定在桌邊，非常適合學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

圖6 自制教學(xué)具

另外，在研究對(duì)象的選取上，筆者在教學(xué)實(shí)踐中也做了一番細(xì)致的對(duì)比研究：日常教學(xué)，常以撲克牌作為硬紙片，輕質(zhì)條件已經(jīng)能夠滿足，但撲克牌的硬度較低，旋轉(zhuǎn)時(shí)容易變形，尤其是當(dāng)紙牌被學(xué)生的手汗浸濕以后。而且當(dāng)紙牌不再平衡，加速向一側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)不住與滑輪的撞擊。因此，本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象必須既要輕質(zhì)還要強(qiáng)度過硬最好還能不吸水。最終，筆者想到可以使用廢棄的面包卡、商超購物卡、學(xué)習(xí)積分卡等作為研究對(duì)象，滿足實(shí)驗(yàn)需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，提升器材的可重復(fù)使用率。

該自制教學(xué)具的另外一大優(yōu)點(diǎn)是，能與朗威DisLab 數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的“摩擦力實(shí)驗(yàn)器”裝置進(jìn)行模塊化組合，以實(shí)現(xiàn)近似勻速直線運(yùn)動(dòng)下“二力平衡”的模擬演示，如圖7所示。只要將該教學(xué)具用螺絲固定在“摩擦力實(shí)驗(yàn)器”的滑塊上，借助“摩擦力實(shí)驗(yàn)器”上的電動(dòng)裝置，帶著卡片一起做近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)卡片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變。在此過程中，教師在與卡片當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向相反的一側(cè)鉤碼上，吸附一塊磁鐵，學(xué)生將會(huì)發(fā)現(xiàn)卡片立即失去原動(dòng)態(tài)平衡。這一突變，會(huì)給學(xué)生留下極其深刻的印象。

圖7 裝置模塊化組合

最后，在觀念的應(yīng)用環(huán)節(jié)中，先用演示測(cè)力計(jì)，在靜態(tài)平衡下測(cè)量鉤碼的重力大小。再借助“摩擦力演示器”拉著演示測(cè)力計(jì)與鉤碼這一整體，沿著豎直方向做近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，如圖8 所示，讓學(xué)生真實(shí)觀察到兩次實(shí)驗(yàn)測(cè)力計(jì)的示數(shù)是相等的。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生解釋其中的原因，進(jìn)一步思考如果讓測(cè)力計(jì)與鉤碼沿著斜方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)力計(jì)的示數(shù)是否改變？至此，“探究二力平衡的條件”的實(shí)驗(yàn)才算相對(duì)完整，所得結(jié)論才算相對(duì)可靠，學(xué)生形成的物理觀念，才初步具備可遷移的生命力。

圖8 動(dòng)態(tài)平衡測(cè)重力

四、回歸生命自然實(shí)現(xiàn)主題升華

（一）問題意義

中學(xué)物理育人價(jià)值的落實(shí)要在教育教學(xué)中追求科學(xué)與人文的融合、求真與求善的統(tǒng)一［4］，但是在物理常態(tài)課教學(xué)中，很少有對(duì)教學(xué)主題的情感升華與人文關(guān)聯(lián)。即便是在展示課中，教師在進(jìn)行主題升華的教育表達(dá)時(shí)，也常常表現(xiàn)得不夠自然，生硬別扭極難為情。不可否認(rèn)的是，有效的主題升華教育，不僅能夠豐富知識(shí)的情感意義、明確知識(shí)應(yīng)用的價(jià)值取向，還能夠提升學(xué)生看待事物的精神境界，幫助學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，使得個(gè)體生命愈發(fā)和諧統(tǒng)一、日趨豐盈。

（二）實(shí)踐體會(huì)

“就在老師焦頭爛額、精心準(zhǔn)備這節(jié)課的過程中，腦海中突然浮現(xiàn)逛徐州市動(dòng)物園時(shí)，夕陽下丹頂鶴單腳站立的畫面。那一刻，我欣喜地發(fā)現(xiàn)，我能從物理學(xué)的視角感受到自然的平衡之美，也能用物理思維考量世界，并忽然領(lǐng)悟了‘從生活走向物理，從物理走向社會(huì)’的深刻含義”。這是筆者在備課過程中的真切感受，也是本節(jié)課不同尋常的結(jié)束語。在話音落下的剎那，配合著課件上的三行文字——“物理學(xué)，賦予我們感受自然平衡之美的能力，同時(shí)給予我們理解生活的無窮智慧”。教室里突然不約而同地響起雷鳴般的掌聲。那一瞬間的觸動(dòng)，也許給出了實(shí)現(xiàn)教學(xué)主題情感升華教育的最好方法“從心出發(fā)，真誠(chéng)表達(dá)，先感染自己，再熏陶學(xué)生”。