基于物理觀念建構的5E教學模式研究
——以新教材“超重與失重”為例

張 雪 張 靜

(長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所,湖北 荊州 434023)

2017年版《普通高中物理課程標準》將物理觀念作為物理學科核心素養之首,并明確提出物理觀念包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等．物理觀念是公認的、正確的對物質世界的根本看法和認識,對于學生的學習與行為具有方向性的指導意義,更能夠影響學生終身的學習與發展．[1]而據相關統計分析表明,物理觀念相關研究論文不足核心素養研究論文的8%,物理觀念的教學研究目前仍是物理教育研究領域的一大缺口．[2]

1 基于物理觀念建構的5E教學模式設計

5E教學模式是一種基于建構主義的探究式教學模式,包含引入(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、拓展(Elaboration)和評價(Evaluation)5個環節,能有效幫助學生在合作探究中循序漸進地建構物理觀念．為實現物理觀念教學的貫徹與落實,本文設計了基于物理觀念建構的5E教學模式(如圖1):首先創設情境,幫助學生建立基本概念,打好“地基”;接著,開展小組合作探究,引導學生進行歸納推理,找出內在的關聯和物理本質,深刻理解和掌握相關物理概念和規律;在此基礎上,聯系自然生活,鼓勵學生解釋物理現象,讓學生有機會能夠闡述對物理世界的認知,初步建立物理觀念;[3]再實施拓展活動,讓學生在真實復雜的生活環境中解決實際問題,將所學所悟合理地遷移到新的情境中,鞏固物理觀念;最后,教師重現普遍的錯誤認知,引導學生進行反思評價,養成敢于質疑、勤于反思的習慣,促進物理觀念的發展.

圖1 基于物理觀念建構的5E教學模式

2 基于物理觀念建構的5E教學模式實踐

依據新課標編寫的《普通高中物理教科書》(2019年版)(簡稱為“新教材”)在必修第1冊中將舊教材第4章“牛頓運動定律”改編為“運動和力的關系”,并將“超重與失重”獨立為最后一節內容．新教材更加聚焦運動與力的關系這一觀念(簡稱運動與力觀念),與課標中“注重在機械運動情境下培養學生的運動與相互作用觀念”相吻合．本節基于上述5E教學模式開發了“超重與失重”的教學設計,以期促進學生運動與力觀念的建構.

2.1 情境引入——建立基本概念

圖2 模擬電梯裝置及結構

情境創設:教師運用模擬電梯(如圖2)進行實驗演示,砝碼立在稱重傳感器上猶如人站于電梯中,顯示屏的示數表示砝碼的“體重”．教師依次進行如下操作,學生觀察以下各情況中顯示屏的示數情況:(1) 將1 N的砝碼輕輕放在傳感器上并固定,保證裝置處于靜止狀態;(2) 在與傳感器連線右邊掛上較重的物體,使砝碼加速上升;(3) 在與傳感器連線右邊掛上較輕的物體,使砝碼加速下降;(4) 在與傳感器連線右邊掛上與左邊約等重物體,使砝碼向上、向下勻速運動;(5) 將傳感器上方的連線剪斷,使砝碼自由下落.

概念講解:根據觀察結果,引導學生得出結論“在不同運動狀態下測量砝碼重量時,測量值并非固定不變”．之后,教師引入重量的引力性定義和操作性定義,并提出當物體在豎直方向的運動狀態發生改變時,重量的引力性定義“重量即重力,也就是由于地球的吸引而使物體受到的力”不再適用,需要用到重量的操作性定義“重量是在標準稱重過程中的稱重結果,也就是其他物體對其支撐時所施加的力”．[4]在此基礎上,再講解超重與失重的概念,超重即物體重量測量值(也稱為視重)大于物體重力、失重即物體重量測量值小于物體重力.

設計意圖:不同狀態下,砝碼重量測量結果的不一致,會形成強烈的認知沖突,引導學生將觀察和思考聯系起來,認識超重與失重現象．“重量”是物理學的基本概念之一,它的操作性定義具有認識論和概念上的雙重優勢,會避免學生產生“超重就是重力增加,失重就是重力減少”的錯誤認知,適用于更廣泛的物理情境,從引力相互作用到電磁相互作用的轉變幫助能學生正確建立超重與失重的概念．[5]

2.2 開展探究——深刻理解和掌握概念規律

教師提問:發生超重與失重現象與什么因素有關?

學生猜想:速度,加速度……

合作探究:學生分小組展開合作學習,利用傳感器和計算機進行定量探究,一位學生站在力傳感器上完成下蹲和站起兩個過程,其他學生記錄計算機采集的圖像(如圖3),并根據數據結果填寫實驗記錄表格(如圖4),包括下蹲與站起各階段中傳感器示數與重力的大小關系,人體的超重或失重狀態、運動狀態、速度方向以及加速度方向.

圖3 下蹲，站起兩個過程

圖4 實驗記錄表格

分析歸納:教師引導學生先分析兩種超重狀態,學生可以發現當物體超重時,速度方向有上有下,而加速度方向卻是始終向上的;同樣地,當物體失重時,只有加速度方向始終向下．隨后,讓學生自主歸納出“超重、失重與加速度方向有關,而與速度方向無關”的結論.

圖5 加速下蹲時受力分析

設計意圖:在探究影響超重、失重條件時,結合新教材中傳感器和計算機等信息技術手段,引導學生經歷現象觀察、到數據處理、再到總結歸納的實驗探究過程,幫助學生從運動觀的角度初步建模,糾正學生可能認為的超重、失重現象與速度有關的表象規律,得出與加速度有關的本質認識.

理論探究:教師運用隔離法和分析法以及牛頓運動學知識,推理人體加速下蹲(如圖5)時的失重規律.

根據牛頓第二定律:G-N=mg-N=ma.

根據牛頓第三定律:N′=-N.(大小相等,方向相反)

在數值上滿足:N′=mg-ma,其中N′是視重，mg是實重，ma是失重部分．教師引導學生得出結論:當物體向下加速時,因為具有向下的合外力,所以失重.

學生任務:根據實驗記錄,學生參照之前的演示推理,從相互作用觀的角度分析其他3種超重和失重現象的本質原因,并總結歸納出物體在不同狀態(包括實重、超重和失重)的受力和運動情況(如圖6).

圖6 不同狀態下物體的受力和運動情況

設計意圖:在理論探究部分,牛頓第二、三定律的運用清楚地揭示了超重、失重與加速度的定量關系．學生經歷自主推理和總結歸納,不僅對物體在不同狀態下的受力和運動情況有清晰的認識,更能深刻理解與掌握運動與力的關系:物體不受力和受平衡力時效果相同,都保持原來的運動狀態不變;受非平衡力時,物體將改變原來的運動狀態．[6]

2.3 概括解釋——初步建立運動與力觀念

教師提問:在之前的模擬電梯實驗中,為什么顯示屏示數不一致呢?

學生解釋:當傳感器上的砝碼靜止或勻速運動時,砝碼處于平衡狀態,顯示屏示數等于重力;當砝碼向上加速運動時,具有向上的合外力,處于超重狀態,所以示數大于物體重力;同樣地,當砝碼向下加速運動時,處于失重狀態,示數小于物體重力.

教師提問:當剪斷傳感器上方的繩子時,為何示數顯示為0呢?

學生解釋:繩子剪斷后,砝碼做自由落體運動,對傳感器的作用力在數值上滿足:N′=mg-ma,此時a=g,故N′=0.

概念延伸:教師講解如果物體在加速下降過程中的加速度為g,此時重量測量值為0,物體對測力計完全沒有作用力,這種現象被叫做完全失重狀態.

設計意圖:能夠解釋自然現象是建構物理觀念的重要價值所在．學生依據運動與力的關系來解釋情境導入中“稱重”示數不一致的原因后,更能體會生產、生活中如乘坐電梯、蹦極,跳傘乃至太空失重等不同感受的產生源由,領會運動與力觀念的統攝性.

2.4 拓展遷移——鞏固運動與力觀念

拓展活動:向學生提供如圖7所示研究工具清單和實驗設置說明,并設置空白區域記錄活動的數據和結果.

圖7

設計意圖:該階段設計了與日常生活相關的失重活動,引導學生探究當塑料杯靜止時,杯中水在受到平衡力(手指堵住小孔)和非平衡力(手指不堵住小孔)時的運動狀態;當塑料杯和杯中水同時處于完全失重狀態時,兩者的相對運動狀態以及受力情況．在這一過程中,學生思考物體在受到不同類型作用力下的運動情況,在更為復雜的情境中運用運動與力觀念解決實際問題,由此鞏固學生的運動與力觀念.

2.5 展開評價——促進運動與力觀念的發展

反思評價:教師介紹物理學史,曾經亞里士多德認為“力是維持物體運動狀態的原因”,將力與速度聯系起來;而牛頓在伽利略和笛卡爾的研究基礎上,得出“力是改變物體運動狀態的原因”,將力與加速度聯系起來．在科學史的背景下,引導學生評價人類對運動與力發展規律的認識.

設計意圖:高中生因有初中學習的基礎,對牛頓第一定律的內容有所認識,不會根據物體是否受力,而錯誤地將“運動”和“靜止”對立起來．但學生的理解難免只停留在表面,教學應引導學生認識亞里士多德和牛頓第一定律在認識上的根本分歧,明白“靜止”只是物體做“勻速直線運動”的特例,速度變與不變才是本質區別．牛頓提出的第二定律更是解決了運動與力之間的定量問題,是第一定律順理成章的延伸．物理學史的回顧帶領學生重走科學家探索之路,感悟大師們勇于質疑的思維方法,促進運動與力觀念的發展.

3 結語

物理觀念的形成是一個非常漫長的過程,不能一蹴而就．5E模式對學生的物理觀念建構有著獨特的作用與價值.通過創設問題情境,提供直觀的事實與經驗以建立科學概念;經過理論與實踐結合的探究過程,使學生深刻理解與掌握相關的物理知識,做好觀念教學的起點．在此基礎上,讓學生進一步解釋物理現象,解決實際問題,并針對普遍的錯誤認知進行評價反思,逐步實現物理觀念建立—鞏固—發展的建構過程.