促進學生梯度性建立物理觀念的教學策略初探
——以牛頓第三定律教學為例

唐保東

(南京雨花臺中學 江蘇 南京 210012)

隨著研究和宣傳的不斷深入，廣大一線物理教師對物理學科核心素養教學理論已經有較深的認識，并且在一線教學中嘗試踐行這一理論，但是與“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”不同，“物理觀念”顯得有些曲高和寡，較難理解.深入思考物理觀念的概念及意義，發現它是物理學科核心素養的基石，可以真正提高學生的科學素質，實現物理課程的價值.2017版課程標準中對物理觀念的水平劃分為5個層級，教師在教學中如何設計教學策略從而循循善誘，層層遞進，幫助學生梯度建立物理觀念呢？

本文以牛頓第三定律教學為例，對這一問題進行探究.

1 本節內容涉及到哪些物理觀念

物理觀念的構成包括自然觀、物質觀、時空觀、運動觀、相互作用觀、能量觀和物理價值觀等，仔細研讀課本，牛頓第三定律涉及到3個方面，分別是力的作用是相互的即相互作用觀，沒有施力物體或受力物體就不存在力,即物質觀以及能量守恒思想,即能量觀，其中相互作用觀是重點.雖然在高中物理的力學、熱學、電磁學中都會涉及到相互作用觀的培養，但是本節知識是最直觀、最明確提出力的作用是相互的，是幫助學生建立和明確相互作用觀的重要契機，以后的各種情境都是強化和應用這一觀念.

2 如何設計教學策略 幫助學生梯度建立物理觀念

2.1 設置問題 暴露學生的前觀念 了解學生物理觀念水平層次

在課間休息以及展示課題之前，在PPT上一直展示一副圖片：宇航員麥克坎德雷斯太空自由行走的照片，照片中宇航員漂浮在太空中，并且在圖片下方設置一個問題“想一想，宇航員可以像在地面上一樣走回空間站嗎 ？”

學生：我覺得好像不可以，腳下沒有路，是飄在空中的.

教師追問：為什么沒有路就不可以走呢？

學生：因為是飄著的.

教師追問：那宇航員手腳并用，像游泳一樣游回空間站呢？

學生陷入爭論，大部分學生仍然堅持認為不可以，一部分學生動搖認為好像可以.

教師點評：其實還是不可以的，我們在地球上游泳前進，因為周圍有水，但是，現在宇航員周圍沒有任何物體跟他接觸，無論他手腳怎么用力都是寸步難行的.

個別學生做恍然大悟狀，但是更多的學生表情仍然將信將疑狀.這時教師追問：真的是這樣嗎？我們來欣賞一段視頻，教師播放神十女航天員太空授課前一小段內容，視頻中航天員在空間站中移動非常困難，必須扶著側壁才能移動，王亞平剛出場時是“橫著”漂浮狀態，在另外兩位航天員的幫助下才順利地讓自己的身體“豎”起來，站到空間站地板上.受此啟發，學生發現航天員必須接觸到物體才能獲得力移動自己，也就是力的作用是相互的，在學生為發現這一物理知識而興奮的同時教師再次追問：宇宙飛船周圍是真空，為什么可以自由飛行？

學生回答：因為有燃料啊！

教師反問：有燃料就可以了，周圍沒有物體跟它接觸啊，哪來的動力.

學生再次陷入沉默……

人教版初中物理僅僅只提到力的作用是相互的，根本不提相互作用力這一概念，學生更不知道牛頓第三定律的相關結論.但是,初中教學中教師為了幫助學生理解力的作用是相互的，做了大量的實驗，常見的“鼓掌”“推桌子”“敲雞蛋”等實驗學生都體驗過，學生已經具備淺顯的相互作用觀，高中物理教師再重復這些實驗顯然不能調動學生積極性.針對以上情況，為了暴露學生已有的相互作用觀水平層次，筆者設計了相反的物理情境---周圍沒有物體無法獲得相互作用力使航天員移動，不出我所料，大部分學生能夠根據生活經驗和已有的相互作用觀猜想結論，卻不能系統性地解釋這一問題，經過教師問題引領，逐漸喚醒和明確他們潛意識中“力的作用是相互的”這一知識性結論，看似已經具備了一定的相互作用觀，但再換一種情境時不少學生開始困惑和動搖了，這說明學生雖然把這個結論背得很熟，但實際上他們頭腦中相互作用觀層次非常低，連新課標的一級水準都沒有達到，更不要說把相互作用觀內化到學生的世界觀中去.

2.2 體驗探究 讓學生從舊觀念中生長出新觀念并加以整合

活動1:

教師演示實驗：遙控汽車在教室地面上可以前進，但是用繩子吊起懸空后無論車輪怎么轉都不能前進；

活動2:

學生體驗實驗：請學生動動手放飛教師事先準備好的竹蜻蜓.

活動3:

教師演示實驗：教師播放親手制作水火箭過程視頻，并展示實物，之后再播放在操場上親自發射水火箭的視頻.

在每一個活動之后請學生嘗試用力的作用是相互的這一原理解釋實驗現象，并具體找一找情境中存在怎么樣的作用力和反作用力以及各個力的施力物體、受力物體、方向，在具體的問題環境中讓學生發現不管固體、液體、氣體都存在相互作用力，力的作用的確總是相互的.進而強化了相互作用觀在學生頭腦中的認同，并促使了這一概念的發展：宇宙飛船能夠獲得動力也一定是某一物體給它的反作用力→但是周圍是真空沒有其他物體和它接觸→這只能說明此時箭體和噴出的氣體不是一個整體，它們之間發生了相互作用，再體驗彈簧測力計和傳感器探究多種物理情境下相互作用力大小的實驗.經過教師的引領和整合，牛頓第三定律已經可以水到渠成地在學生頭腦中生長出來了，大多數學生頭腦中的相互作用觀得到加深，勉強可以達到一級水準.

2.3 創設情境 制造思維沖突讓學生的物理觀念得到強化和拓寬

活動4:

學生活動：拔河比賽看看誰的拉力更大？請學生主動報名，并從報名的學生中挑選身材、體重相差最大的兩位同學進行比賽，比賽結果基本上不出所料，呈現一邊倒的狀態，明顯是身材更加高大壯碩的學生贏得比賽，就在學生們輕松歡笑以為答案不言自明的時候教師拋出問題：這個實驗真的說明贏的一方拉力更大嗎？甲對乙的拉力與乙對甲的拉力是相互作用力啊，牛頓第三定律告訴我們相互作用力大小是相等的，這豈不是矛盾？學生一怔，教室頃刻安靜下來，學生眉頭緊鎖陷入思考.

教師點撥：所謂輸其實就是被拉動了，這涉及到一個什么重要的力？

學生：人與地面的摩擦力.

教師點撥：大家講得很好，如何改變摩擦力？如何設計實驗呢？

學生：讓剛才贏得比賽的同學穿上溜冰鞋.

學生活動：仍然請剛才兩位學生進行拔河比賽，但是先前取勝的同學穿上溜冰鞋或者站在平板車上，溜冰鞋效果更佳，但是從安全角度考慮要看這位同學是否會溜旱冰，結果比賽呈另一種一邊倒的狀態，與之前情況剛好完全相反.

完全相反的實驗現象給學生巨大的思維沖擊，也讓學生跳出書面上的定義重新審視相互作用力，在教師的點撥后理解這并不矛盾：研究力一定要關注研究對象，相互作用力是作用在兩個物體上的，而與某一個物體是否移動沒有直接關系.

活動5:

PPT展示馬拉車圖片，并設置問題，馬拉著車加速運動，馬拉車的力與車拉馬的力還相等嗎？學生再次陷入爭論，大部分學生贊同不再相等的觀點，否則怎么會加速運動呢？

教師：大家分析的有些道理，但是我們再仔細閱讀一下牛頓第三定律，沒有提到適用條件，而是強調相互作用力總是大小相等的，怎么印證呢？

學生：實驗驗證.

教師：怎么測出相互作用力的大小呢？

學生：剛才用過的力的傳感器.

教師：沒有馬也沒有馬車怎么辦？

學生：可以人拉著玩具小車.

學生演示實驗：教師拿出事先準備好的玩具小車，小車上綁著一個力的傳感器，再拿出另一個力的傳感器，請學生拉小車加速運動，發現兩個傳感器示數總是相等的.

教師：結論是明確了，但是怎么解釋這里的矛盾呢，加速運動為何仍然相等？

學生思考后在教師點撥下，發現仍然是研究對象的問題，與拔河問題本質相同.

通過制造思維沖突，可以讓學生跳出課本，重新思考，加深理解，這是發展和拓寬學生物理觀念的一條“綠色通道”，在教師這樣的教學策略引導下，大部分學生可以將頭腦中相互作用觀提升至二級或者三級水準.

當然，不可能指望通過一節課就使學生某一物理觀念一蹴而就達到最高的層次，要通過多種物理情境的訓練、自身生活經歷的體驗來逐漸感悟.這就要求我們在教學過程中努力優化教學策略，設計不同情境是可以更高效率地促進物理觀念在學生身上的內化，這還需要大量的工作要做，通過堅持不懈的努力，必將取得滿意的結果.

本文僅是本人在這方面的一些粗淺體會，以做拋磚引玉之用.