基于“隨手取材”物理實驗的課堂教學設(shè)計
——評“力的作用是相互的”教學設(shè)計與實施

(南京師范大學物理科學與技術(shù)學院，江蘇 南京 210023)

1 教材分析

蘇科版初中物理教材把“力的作用是相互的”放在第八章的第四節(jié)，而不是第一節(jié)，主要考慮了初中學生的認知特點，力求體現(xiàn)“學科、認知建構(gòu)與心理發(fā)展的統(tǒng)一”的理念.力的概念看似簡單，實際上是相當抽象的.學生在對力的認識上的非科學的前概念較為普遍，也很頑固.教材采取了從具體到抽象、分散難點的策略.第一節(jié)首先從經(jīng)驗出發(fā)，讓學生初識力的概念，再討論彈力(奠定了對力的大小和測量的認識基礎(chǔ))；第二、三節(jié)分別討論重力(介紹了力的三要素和圖示法)和摩擦力.這三節(jié)中的彈力、重力、摩擦力主要是從受力對象發(fā)生的效果來討論的.第四節(jié)再討論施力體與受力體間作用的關(guān)系問題.

學生根據(jù)生活經(jīng)驗，如施力者把受力者打倒，釘錘把釘子釘進板內(nèi)等，潛意識地認為只有受力者才受力，而施力者是不會受力的，或者受到較小的力，有的力是相互的、有的力不是相互的.對于這種非科學的前概念，最好的策略是讓其暴露出來，用實驗來使學生產(chǎn)生認知沖突.另外，讓學生經(jīng)歷建構(gòu)的過程，會使他們發(fā)現(xiàn)問題，尋找足夠的證據(jù)，有更深入的思考，從而提高創(chuàng)新意識、得到科學方法的訓練.

這節(jié)教材的另一個重要特點就是相互作用原理在生活、生產(chǎn)、科研中有廣泛的應(yīng)用，是進行STS和創(chuàng)新教育的重要資源.

2 對申潔老師課堂教學的評價

申潔老師上的這節(jié)課，使學生感到愉悅、興奮、驚訝，印象深刻.這節(jié)課的重要特點是“做中學”，13個小型實驗貫穿其中，且多是隨手取材的非常規(guī)實驗(如表1).

隨手取材的非常規(guī)物理實驗有這樣的特點：(1)材料易得，實施便利；(2)貼近生活，親切感強；(3)程式多變，新奇有趣；(4)物具它用，體現(xiàn)自創(chuàng)；(5)結(jié)構(gòu)簡單，體驗性強.

正因為隨手取材的非常規(guī)實驗資源具有以上的特點，所以，我們倡導利用這類資源進行教學，從一定意義上講，這類資源具有不可替代的作用.由于“力的作用是相互的”這節(jié)課，內(nèi)容不復雜，總體是定性的，不需要涉及全程性探究要素的探究活動，而在這種類型的課堂中，運用一些小型的隨手取材的實驗，有利于激發(fā)認知沖突，構(gòu)建科學概念.實際效果證明，申潔老師的這種選擇是正確的.從現(xiàn)實和學生的長遠發(fā)展來看，讓學生喜愛物理學，進而熱愛科學，這是完全必要的.

表1

申潔老師在選擇和設(shè)計這些實驗時，經(jīng)過了精心的思考，例如：

(1)根據(jù)不同的主題和教學目的，選擇不同的實驗和教學方式.如在第一主題中，要激發(fā)學生的認知沖突，轉(zhuǎn)變錯誤的前概念，她選擇了“手壓筆尖”、“甲推乙”、“磁鐵吸鐵塊”的實驗.為了使學生認識力的作用是相互的是自然界普遍存在的規(guī)律，她選擇的實驗覆蓋彈力、摩擦力、磁力、靜電力等，從而使歸納法的應(yīng)用更合理.在第二主題中，她把實驗設(shè)計權(quán)交給學生，讓學生自己選擇器材，進行實驗，并解釋觀察到的現(xiàn)象，概括力的相互作用的特點.在第三主題中，選擇的實驗圍繞著力的作用相互性的實際應(yīng)用，讓學生感受“力的作用是相互的”在實際中的應(yīng)用，參與動手制作過程，體會技術(shù)創(chuàng)新的魅力.

(2)精心設(shè)計演示實驗，加強學生的觀察和思考.如磁鐵對鐵塊的作用，先按住磁鐵不動，吸引鐵塊運動；再按住鐵塊不動，吸引磁鐵運動；讓磁鐵和鐵塊同時釋放，一起運動.她所做的“長氣球的反沖”實驗，效果非常好，為了讓學生感受看不見的空氣的運動，她用紙屑來顯示.再如，讓四位同學上臺做推滑車的實驗，其中兩位同學做好保護工作.

(3)讓學生動手、動腦和動口，這是“做中學”的關(guān)鍵.13個實驗中有8個是讓學生自主或參與的，讓學生站在滑車上推前面的學生，讓學生控制飛機模型等，學生的積極性很高.學生的活動還延伸到課外，她鼓勵學生制作動力小車或動力小船，有利于發(fā)揮學生的個性特長.

這樣的教學設(shè)計，對培養(yǎng)學生學習物理的興趣、實踐的意識和習慣，以及手腦并用解決問題的能力是有益的.此外，這節(jié)課在應(yīng)用多媒體創(chuàng)設(shè)情景方面也是值得推崇的，如展示了拳擊、足球賽、劃船、游泳、火箭等的視頻、圖像.

申潔老師的這節(jié)課有不少值得學習的閃光點，但對這些隨手取材的非常規(guī)實驗的組織，整體和深層次的思考顯得不足，我想提下面的建議，以起到錦上添花的作用.

3 教學設(shè)計建議

從表面上看，這節(jié)課的主題是很簡單的：一個物體對另一個物體施加力的作用，另一個物體是否對這個物體有力的作用？只要列舉許多實例，結(jié)論就可以得出.如果按這樣的想法設(shè)計教學過程，學生實現(xiàn)的目標就只限于對知識的一般認識，較深層次的目標就難以達到.為了挖掘教學過程中深層次的教育功能，應(yīng)當關(guān)注激發(fā)學生的興趣和學習動機；讓學生自然流露錯誤的前科學概念，不斷激發(fā)認知沖突；積極參與實驗設(shè)計、收集證據(jù)和反復論證的過程；主動地開拓知識應(yīng)用的領(lǐng)域，領(lǐng)會其創(chuàng)造的思想.針對這節(jié)課的特點，老師選擇了系列“隨手取材”非常規(guī)物理實驗，學生的參與度和積極性提高了，但選擇哪些實驗、如何組織學習過程，仍然需要精心地考慮和設(shè)計，并且根據(jù)學生在課堂中的行為反映，有效實施和調(diào)整教學方案.

(1)創(chuàng)設(shè)情景，讓學生暴露原始想法

通常，老師們在引入課題時，也會關(guān)注“創(chuàng)設(shè)問題情境”，但指導思想上卻是“明確學習目標”，而不是“激發(fā)認知沖突”.例如，申潔老師用生動的視頻展示拳擊運動員把對手擊倒的情境，提出了小明的觀點：“只有對手才受到力的作用”，引起學生短暫的疑惑，但很快就又展示了足球場上場景，提出了小華的觀點.其結(jié)果是學生的觀點都倒向了小華.似乎這節(jié)課的結(jié)論已經(jīng)明確，余下的工作就是收集更多的證據(jù)，做一系列的隨手取材實驗來驗證已經(jīng)確認的觀點.

激發(fā)學生的認知沖突，說起來容易，做起來難.特別是在中國，因為我們的傳統(tǒng)教育比較注重知識，而缺少對知識的懷疑，鼓勵“超前學習”，所以很容易一邊倒.看似學生早已掌握知識，但實際上未經(jīng)自主建構(gòu)，知識的理解也只是字面上的.要真正激起認知沖突，關(guān)鍵要讓學生的原始想法暴露出來.首先教師的意識中要更關(guān)注學生的錯誤認識，不要急于展示正確的觀點(足球的視頻場景和小華的觀點)，在詢問學生是否贊成小明觀點時，要給那些持錯誤想法的學生以說話的機會，并鼓勵他們.還可以請學生舉出更多支持小明觀點的實例，例如，用鐵錘打釘子，釘子被打進木板中去了，當然是釘子受到了力的作用，我們并不知道錘子也受到力的作用.教師創(chuàng)設(shè)的教學氛圍，不只是讓學生說出一個簡單的判斷，還應(yīng)當讓他們說出原始想法，為什么你認為被打的物體沒有對打擊者施力？在這種充分暴露的基礎(chǔ)上，再讓不同意見者闡述自己的觀點.教師同樣不要肯定哪一觀點是正確的，讓學生帶著問題進行探究.

(2)根據(jù)學生原始的想法，與學生一起選擇和設(shè)計實驗，逐漸深化探究過程，實現(xiàn)科學認知的建構(gòu).

認識“力的作用是相互的”的過程，是一個實驗歸納的過程，但在教學中，教師不應(yīng)當把它設(shè)計成一個由大量事實堆砌的簡單歸納過程，應(yīng)當考慮學生心理建構(gòu)和科學方法應(yīng)用的特點.

把學生原始的想法暴露出來，就可為進一步探究奠定基礎(chǔ).首先可以梳理一下幾種不同的觀點：①施力者必然是受力者；②施力者不會成為受力者；③有的情況下，施力者會受到對方力的作用；有的情況下，施力者不會成為受力者.④主動施力者不受到被動受力者的作用.

為什么我們會認為施力者不一定會成為受力者呢？因為我們沒有感覺到施力者受力的效果.我們能否針對這個原因來選擇和設(shè)計一些小實驗，用證據(jù)來說明問題？

①當我們用手壓氣球時，明顯地看到氣球形變；當我們拉橡皮筋時，也明顯地看到橡皮筋伸長了；當物體掛在彈簧測力計下，明顯地看到彈簧伸長了.能否設(shè)計一組實驗，把原本不明顯的現(xiàn)象顯示出來？

提供的器材有：氣球，橡皮筋，彈簧測力計等.

在學生討論設(shè)計后進行實驗：用一個氣球擠壓另一個氣球；用一根橡皮筋拉另一根橡皮筋；用一個彈簧測力計拉另一個彈簧測力計.

②我們上面收集了一些證據(jù)，支持施力者也是受力者的觀點.但有沒有一些反例說明這個觀點不一定正確？例如，拳擊手的例子，我們能否使證據(jù)更明顯和更充分？

提供的器材有：旱冰鞋2雙，氣球等.

討論后讓學生實驗：兩個同學穿著旱冰鞋，一個同學從另一個同學背后推他，會發(fā)生什么現(xiàn)象？試一試，說明什么問題？(為什么不推墻壁？為什么不讓學生面對面地推？)

有的學生提出模擬拳擊，用氣球打擊另一學生，結(jié)果氣球被打破了，說明拳擊手也會受到對方的作用.

③力的作用是相互的，這是力學中普遍的規(guī)律，彈力、摩擦力、重力都遵循這個規(guī)律，靜電力和磁力是否也遵循這個規(guī)律呢？

圖1

觀察實驗：如圖1，把一只球形燈泡放在玻璃杯口上，將一把塑料直尺放在玻璃泡的頂端，使其處于水平狀態(tài)，用另一把經(jīng)摩擦帶靜電的塑料直尺接近塑料直尺的一端，使它繞支點轉(zhuǎn)動，說明帶電的塑料直尺對架在支點上的塑料直尺有靜電的吸引作用.

把帶電的塑料直尺放在玻璃泡上，用不帶電的塑料直尺接近帶電塑料直尺的一端，猜一猜，帶電的塑料直尺是否會轉(zhuǎn)動？試一試，說明什么問題？

同學們熟知，磁鐵能吸引鐵，那么鐵是否能吸引磁鐵呢？能否用實驗來說明磁鐵與鐵塊間的作用也是相互的？……

大量的實驗表明，一個物體對另一個物體有力的作用時，另一個物體也同時對這個物體有力的作用，即力的作用是相互的.不管是主動施力還是被動受力，施力者一定會受到受力者對它的作用.

(3)聯(lián)系生活和科技的實例，讓學生感受力的相互作用原理的應(yīng)用，體驗科學創(chuàng)造的魅力

生活中應(yīng)用的實例是很多的，教師在這部分教學中，不應(yīng)是簡單羅列事實，應(yīng)當從簡單到復雜進行歸類，并恰當?shù)卣f明它的原理，從而使學生更好地了解所學的知識.這部分內(nèi)容既是知識的拓展，又是對學習的評價.為了激發(fā)學生的興趣，直觀地了解應(yīng)用的原理，配合做一些小實驗或演示是很好的.可以這樣引導：

①有一種兒童室外游戲的滑板車，人站在車上，用一只腳向后蹬地，小車就可以向前進了.使小車前進的力是怎樣產(chǎn)生的？施力的物體是什么？(或者用運動員起跑器助跑的實例，可播放視頻.)

②游泳和劃船，前進的力是怎樣產(chǎn)生的？施力的物體是什么？(可播放視頻.)

③演示直升飛機模型，說一說，是什么力使它能懸在空中？這個力是怎樣產(chǎn)生的？看一看，直升飛機的螺旋槳旋轉(zhuǎn)工作時，空氣是怎樣流動的，是否支持你的解釋？

上述實例中，車、船、飛機分別用力作用于地面、水和空氣，根據(jù)相互作用的原理，地面、水和空氣就會對車、船、飛機施加作用，從而使它們前進或懸于空中.

④當人類要實現(xiàn)飛天夢時，遇到了一大難題，周圍沒有陸地、水和空氣，沒有可借助的物體，怎么才能獲得飛出去的力呢？

演示：長氣球的反沖現(xiàn)象，觀察與解釋.

火箭：使人類探索太空的夢想得以實現(xiàn).(可播放視頻.)

小結(jié)：科學家通過探究發(fā)現(xiàn)物理的規(guī)律和原理，發(fā)明家利用物理原理進行技術(shù)設(shè)計，在生活、生產(chǎn)、科研領(lǐng)域應(yīng)用，從而推動人類文明的發(fā)展和社會的進步.

也可以借助教材中的閱讀材料“奇思妙想”，設(shè)置幻想的奇境，并穿插有趣的實驗，與學生共同討論，從而使學生獲得創(chuàng)造的啟示.

最后布置作業(yè)或綜合實踐活動：制作動力小車、動力小船等.

參考文獻：

1.張偉，郭玉英，劉炳昇.非常規(guī)物理實驗：有待深入開發(fā)的重要物理課程資源.物理教師，2005，(9).

2.劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理八年級下冊.南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2013.