基于思維型課堂基本原理的習題教學實踐與思考
——以屈膝下蹲過程中運動與相互作用關系為例

鐘志鵬

(無錫市玉祁高級中學 江蘇 無錫 214183)

曹 俊

(無錫市玉祁初級中學 江蘇 無錫 214183)

1 思維型課堂的內涵和習題教學

1.1 思維型課堂內涵概述

林崇德、胡衛平教授提出思維型課堂教學理論，以聚焦思維結構的智力理論為基礎，著眼于課堂教學中的思維活動，意在提高課堂的教學質量.

思維型課堂教學理論包括認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移4方面的基本原理.通過認知沖突，誘發思維結構的動態性，提供積極思維和主動學習的動力.自主建構包括認知建構和社會建構，認知建構強調學習積極主動建構的過程；社會建構強調在師生互動、生生互動的過程中，情感互動是基礎，行為互動是表現，思維互動是核心.自我監控能力是教師教學能力和學生學習能力的核心，尤其是教學反思環節，教師都要引導學生對學習對象、學習過程、思維方式進行總結、反思和評價，形成認知策略，發展認知結構，提高自我監控能力.應用遷移是指將已掌握建立概念、規律、形成知識、分析問題、解決問題的方法，應用到新的問題情境和解決新問題的過程中．

1.2 思維型課堂和習題教學的關系

思維型課堂是培育物理學科核心素養的有效途徑，習題教學是培育物理學科核心素養的重要載體.新課標要求要從培養物理學科核心素養的視角審視習題教學的目的，應通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到有效提升.習題教學的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學生的問題解決能力.而思維型課堂恰是以提升思維品質和實際問題解決能力為核心的課堂教學樣式，強調教會學生如何去思考，而不僅僅是教會思考的內容，促進學生學會學習，培養學生的問題解決能力、創造性思維和批判性思維能力.思維型課堂的內涵為習題教學發揮在培育學科核心素養中的作用指明了方向.

2 基于思維型課堂基本原理的習題教學策略

以屈膝下蹲作為問題情境，本節課的教學設計如下.

2.1 基于學生的習題教學目標敘寫

教學目標的確定和敘寫要更多地站在“學生本位”來闡述學生怎么學，以及經歷學習所發生的變化.本節習題課的目標可以這樣定位和敘寫．

(1)形成物理觀念

能深入理解力和運動的關系，以此為出發點來分析共點力平衡問題和超重、失重問題．

(2)培養科學思維

針對實際問題，能合理地選擇研究對象(整體或隔離)，建立模型，進行物理分析．掌握解決力和運動一類問題的一般步驟：確定對象，受力分析，確定狀態，列出方程(平衡方程或牛頓第二定律方程)并求解，對結果的合理性進行分析．

(3)培養科學探究意識

就人下蹲和起身的過程，能制定探究方案，設計實驗記錄表格，記錄關鍵數據，能分析數據，把力和運動的加速度a聯系起來，形成結論，定義超重、失重．結合探究活動的實踐，能理解彈力隨時間變化圖像．

(4)樹立科學態度與責任

敢于發表自己的意見，善于與人交流與合作；在交流過程中能從已有的經驗或數據出發來論證．通過實際問題的解決，獲取成功的體驗，激發學習物理的內在動機，形成理論與實際相聯系的意識．

2.2 突出思維核心的習題教學流程

以教學目標為指引，本節課的具體流程如表1所示 .

表1 以“屈膝下蹲”為情境的習題教學流程設計

2.3 設置認知沖突激發思維動機

選取屈膝下蹲作為典型例題情境來展開，在情境創設中激發認知沖突，誘發學生學習的心理動因.

【例1】如圖1所示，人屈膝下蹲時，膝關節彎曲的角度為θ，設此時大小腿部的肌肉群對膝關節的作用力F的方向水平向后，且大腿骨和小腿骨對膝關節的作用力大致相等，那么腳掌所受地面豎直向上的彈力約為( )

圖1 例1題圖

學生解答：

解法1：采用力的分解的方法．如圖2(a)所示，設大腿骨和小腿骨的作用力分別為F1和F2．由力的平行四邊形定則F1=F2，先按效果分解F易知

再對F2進行正交分解，如圖2(b)所示有

解得

則腳掌所受地面豎直向上的彈力N=F2y,D選項正確．

圖2 例1解法1分析圖

解法2:如圖3(a)所示，采用共點力平衡的方法．問題導向以腳為研究對象，進行受力分析，分解力F2，如圖3(b)所示，列平衡方程．水平方向，F2x=f；豎直方向

沒有相符的答案.

教師引導：顯然結果比選項D多一個重力G，這是什么原因？該如何理解和處理此處的重力G呢？G是人的重力嗎？

圖3 例1的解法2分析圖

學生活動：以人整體為研究對象，屈膝靜止時，上題中F為內力不作考慮，腳底所受的支持力N=G人，顯然與結論不相符合，而只有隔離出人的腳這一部分作為研究對象，才會考慮小腿對腳部的作用力F2的作用．因此G只能理解為是隔離出來的腳的重力，可以考慮把腳底隔離出貼地的“薄薄的一層”作為研究對象，忽略其重力．

如此則有

忽略G，得到

選擇選項D．

2.4 側重自主建構引發思維動力

2.4.1 在類比遷移中將體驗內化為能力

在認知沖突的解決中，體驗了選取研究對象、建構物理模型、進行受力分析的思維過程.體驗要進一步內化為解決問題的能力，還需要在問題解決中加以鍛煉提高.

【例2】如圖4所示，由兩根短桿組成的一個自鎖定起重吊鉤，將它放入被吊的空罐內，使其張開一定的夾角壓緊在罐壁上，當鋼繩勻速向上提起時，兩桿對罐壁越壓越緊，若摩擦力足夠大，就能將重物提升起來，罐越重，短桿提供的壓力越大，稱為“自鎖定裝置”．若罐質量為m，短桿與豎直方向夾角θ=60°，求吊起該重物時，短桿對罐壁的壓力(短桿質量不計)．

圖4 例2題圖

學生活動：首要問題是研究對象的選擇.

整體受力分析如圖4所示，F=G，短桿對罐壁的壓力為內力，整體平衡方程中不出現．

至此只有隔離半邊吊鉤，受力分析如圖5(b)所示，F1cosθ=f，F1sinθ=N，其中

教師引導：題干特別說明，短桿質量不計，對我們選取隔離半邊吊鉤有何幫助？與例題1中隔離出腳底貼地的“薄薄的一層”作為研究對象，忽略其重力思想是否一致？

2.4.2 在課堂生成中完成知識自主建構

例1中將人視為處于一個屈膝的靜止狀態，視為平衡狀態求解．屈膝下蹲也可能正處在屈膝向下運動過程，而非靜止狀態．此時地面對人的支持力又是多少呢？

【例3】如圖6所示是某同學站在力板傳感器上做下蹲、起立的動作時，記錄的壓力F隨時間t變化的圖線．由圖線可知該同學( )

A．體重約為650 N

B．做了兩次下蹲——起立的動作

C．做了一次下蹲——起立的動作，且下蹲后約2 s起立

D．下蹲過程中先處于超重狀態后處于失重狀態

圖6 例3題圖

教師引導：從靜止到下蹲起立經歷了怎樣的運動過程？運動狀態的不同對應在受力情況上有何不同？

學生活動：實驗探究方案,請學生站在體重計上親自實驗驗證.理論探究方案，依據牛頓運動定律，進行受力分析和運動分析.在運動分析和人所受支持力變化的對應比較上，逐步深入探究力和運動的關系，進而理解通過加速度方向來判斷超失重的緣由.

面對學生的質疑，生成新的問題情境，有意識引導學生經歷從問題出發，找到關鍵要素，尋求證據支撐分析論證、得出結論的科學探究過程.通過教師引導、合作學習，形成學習共同體，在科學探究過程中落實情感互動、行為互動和思維互動達成社會建構.

2.5 立足教學反思進行思維監控

教學反思的目標是掌握本節課的知識、方法，反思經驗教訓，形成認知策略，發展認知結構.尤其注意對經驗教訓的總結.

引導學生總結運動與相互作用的關系，立足實際問題從物理學視角形成運動與相互作用關系的基本認識.

引導學生突出模型建構、科學推理和論證等科學思維的總結.在屈膝下蹲的分析中，引導學生對腳底再隔離構建了貼地的“薄薄的一層”的理想模型來說明；在研究體重計上人的下蹲起立過程，將人抽象為初位置在重心處的質點模型，來幫助簡化過程分析．在研究對象選取的環節引導學生從人轉換到腳，到最后重力忽略不計；從起重掛鉤和貨物為整體轉換到掛鉤，到最后考慮掛鉤的一半．在實驗探究環節，引導學生兼顧實驗現象的定性表述和實驗典型數據的定量測量，讓學生依據實驗數據，把力的變化和運動的變化聯系起來，逐步聚焦到加速度a．

引導學生加深對問題解決策略的理解.例1的解決突出腳掌所受地面豎直向上的彈力這一問題出發，在共點力平衡的前提下，選取腳掌為對象用受力平衡的方程求解．而不是直接用力的效果分解的方法求解.堅持問題解決導向，力的分解、平行四邊形定則不過是解決共點力問題的計算手段．新課標特別指出,用共點力的平衡條件分析日常生活中的問題，而不是用力的分解[2]，學生解決問題的實踐選擇和新課標的觀點是高度一致的.

2.6 解決實際問題達到靈活遷移

知識和方法的應用和遷移，對學生加深理解知識，提高思維能力，培養分析問題和解決問題的能力以及創造力，具有重要的作用.本節課應用和遷移環節選取了兩則材料呈現給學生.

材料1：如圖7所示，不管是徒手訓練還是負重訓練，在進行深蹲動作時，常會聽到教練說:“不讓你的膝蓋超過腳尖”，否則膝蓋容易受傷，這是為什么呢？

圖7 材料1圖示

材料2:陳大爺看完電視起身，感覺膝關節扭了一下，膝蓋后邊的筋好像別住了，特別難受．骨科醫生說，陳大爺這種病跟閃腰岔氣是一類，只不過這回閃的是膝關節．這又有何科學道理呢？

教師引導：比較分析以上兩則材料，引導學生先后聚焦兩個問題.

(1)兩則材料都是屈膝狀態，膝蓋受傷是受力過大導致的，這個力和屈膝時膝關節角變小有無關系？

(2)屈膝下蹲和起身是運動過程，屈膝蹲住了是靜止狀態.不同狀態下膝蓋受力情況是否也不一樣呢？

學生活動：

(1)如圖8所示，膝蓋超過腳尖會導致膝關節角β(膝關節角)過大，其補角θ過小.

圖8 下蹲過程分析

以屈膝靜止狀態為例，由例1中的結論：

隔離腳，其所受的支持力

其中F為膝關節受力，整體對人，所受的支持力，N=mg；則

得到

(2)依據上面的結論，結合看完電視起身瞬間對應的超重狀態可知

得到

超重狀態導致膝蓋受力F比靜止狀態更大．老年人的關節老化僵硬，也就更易受傷．所以醫生建議，中老年人下蹲準備起立時，最好借助周圍物體，扶著“撐一把”站起來，以減少膝關節的“壓力”．

當前的習題教學現狀，學生更多的是習得惰性的知識，只是“儲蓄罐”式“擁有”．而物理學科核心素養的習得，有顯著的內在性和主觀性．基于思維型課堂教學理論的基本原理，指導思維型習題教學實踐，是發揮習題教學作用，落實核心素養培育的有效途徑.