依據學生認知發展規律設計教學

劉娜 鄧靖武

摘 要：以“超重與失重”一課的設計過程為例，介紹了以學生認知發展為中心的教學設計模式.圍繞學生的認知規律設計具有層級遞進關系的教學環節，圍繞學生的天性創設趣味盎然的游戲情境，用情境的引線悄然串起學生對超失重規律由淺入深、螺旋上升的認知過程.

關鍵詞：以學生為中心;情境教學;超重與失重;教學設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）03-0039-03

作者簡介：劉娜（1984-），女，山東蓬萊人，博士，中學高級教師，研究方向：高中物理教育教學研究;

鄧靖武（1977-），男，湖北應城人，博士，副教授，研究方向：物理教育教學研究和教師培訓研究.

在新課改的背景下，高中物理課堂內容更為廣闊、更為豐富，授課形式也更多元，充分激發了課堂的活力和生命力，成為培養學生興趣和邏輯思維能力的最強催化劑.同時，這也對教師們提出了更高的要求，面對課堂選擇度和自由度的擴大，怎樣設計教學才能打造出符合學生認知規律的物理高效課堂[1]、切實培養學生的物理學科核心素養？本文以“超重與失重”為例展開論述.

1 從學生的認知出發選擇內容

一節課中最重要的是內容，教學首先要從學生的視角出發，篩選最適合的教學內容.比如“超重與失重”的核心內容是超失重的現象及其產生原因，可是超失重的現象有很多，能夠解釋其原因的實驗也不少，教師在有限的課時內應該如何選擇？需要從學生的視角出發，根據學生的實際學情從學生的思維起點出發，因為學是教的出發點.美國教育心理學家奧蘇貝爾說：“如果我不得不把全部教育心理學還原為一條原理的話，我將會說，影響學習的唯一重要的因素是學習者已經知道了什么.”

學生已有的知識和經驗是教學活動的起點，從這一起點出發，思考學生要學什么，見到某一現象或聽到某一問題的思維活動是什么.充分了解學生內心所想，就可以創造出最適合學生的教學內容.

超失重教學，學生的認識通常要經歷三個階段，首先是對概念本身的理解，知道超和失的“重”是什么;其次通過具體的運動過程理解超失重的條件，最后能夠在不同情境中靈活地判斷和應用超失重規律.值得一提的是教材中所提供的教學內容非常有借鑒價值，在超失重這節課中教材提供的素材依次有：在電梯啟動和制動階段稱體重、在體重秤上做蹲起動作，人教版新教材又加入了空間站里的“水球”，都是非常適合學生認知的.筆者在對學生進行學情分析之后，又在這些素材的基礎上補充了一個問題.

學生的認知思維發展通常是螺旋上升的[2]，課堂按照學生思維發展特點設計成層層深入、螺旋遞進的教學環節，有助于更好地培養學生的思維品質.隨著學生認知層次的豐富和深入，教學環節也要相應地拓展情境范圍，隨著面臨的情境越來越廣泛、越來越復雜，學生對知識的理解也就越來越深入[3].

2 從學生的思維出發設計教學

同樣的內容通過不同的教學方式演繹成就了千姿百態的課堂.其中最適合學生的教學方式才是最好的，這就要求教師要從學生的天性、認知和邏輯起點出發設計最佳的教學情境，設計引人入勝的問題鏈，設計最高明的設問方式.按照蘇聯心理學家維果斯基的“最近發展區理論”，情境教學一端連接了學生現有的認知和能力水平，另一端連接著學生可能的發展水平，情境就像一根引線串接起教學的出發點和落腳點，連接起學生思維的起點和發展點.

興趣是最好的老師，為了充分調動學生的學習興趣和熱情，“超重與失重”這節課采用了“是真的嗎”的游戲情境模式.課堂伊始，教師給同學們一張比較瘦的人物照，問學生“她的體重200斤，是真的嗎？”學生們哈哈大笑，接著問“有沒有可能稱出200斤？”這立刻會引發出學生對“稱重”饒有興致的思考.把這一思考延伸下去，讓學生認識到“秤”上顯示的示數是彈力，真正的稱重需要在平衡條件下進行，這是學生對超失重規律的第一層認知.

如果物體處于非平衡狀態會怎么樣呢？引入第二個情境：在電梯中稱重.為了增強情境的真實性，提前讓學生在電梯中錄制好稱重視頻，如圖1所示，圖1（b）是實驗器材PASCO力學平臺.在電梯上升和下降過程中的支持力隨時間的變化關系如圖2所示.圍繞這一情境設計三個問題：

（1）圖像中不同的平臺分別對應著電梯的什么運動？

（2）總結出超失重的條件.

（3）求該電梯上升階段的加速度是多大？

學生在真實情境中提煉出超失重的條件，并學會運用超失重規律解決實際問題，從而在認知上深入一層.

第三個教學環節需要提供一個常見但復雜的情境供學生分析，“在體重秤上做蹲起示數會先減小后增大，請問這是真的嗎？”這一情境中的難點是速度和加速度糾結在一起，需要清晰的分析才能對運動定性分類，這對思維有很好的培養和提升效果.學生有的說“是真的”，也有說不對的，一陣討論之后，大多數學生認為不是真的，但又很難說清楚到底是怎么變化的.此時，老師請學生現場演示并把實驗數據記錄下來，如圖3所示.隨后結合F-t圖像引導學生對“蹲”和“起”的過程做細致的速度和加速度分析，再結合超失重的現象加深對超失重條件的認識.

這一情境比電梯運行的情境復雜，學生對超失重的認知將更加深入.

第四個情境應該拓展到更廣闊的視野，筆者選取的是太空中的完全失重現象，展示出王亞萍老師在太空中授課漂浮的視頻和水球的照片，引導學生分析太空中的受力、運動與完全失重之間的關系.將學生對超失重的認識從直線變速運動拓展到勻速率圓周運動，進一步深化對超失重本質的理解.

建構主義理論認為，學生認知上的沖突，必然促使學生實現知識建構的契機和動力[4].課堂的最后，創設了一個有認識沖突的問題情境，“如圖4（a）所示，水桶中漂浮在水面上的木塊，當水桶向上做勻加速直線運動時，木塊的浸沒體積會增大，請問這是真的嗎？”這是一個全然不同于“稱重”情境的新知識，在思維認知上既提高了層次又拓展了寬度.上課時，學生剛接觸這一問題的瞬間，馬上進入了安靜的思考，部分學生開始思考運算分析.

從直覺上看，浸沒物體的體積會在水桶向上加速時增大，因為當木塊、水和水桶一起靜止時，F浮=mg=ρgV排1;當三者一起向上加速時，F′浮=mg+ma=ρgV排2，所以V排2>V排1，浸沒體積增大.但這一分析沒有考慮到浮力產生的本質，即浮力是液體上下表面的壓力差，屬于彈力，在運動過程中也會出現“超”和“失”的現象.向上加速會引起超重，也就會使壓力發生變化，進而導致浮力發生變化，分析水中的一段水柱，如圖4（b），當水處于靜止狀態時，F浮=N支-N壓=mg=ρgV;當水向上加速運動時，F浮=N支-N壓=m（g+a）=ρ（g+a）V，即運動不平衡的水，其浮力大小隨著加速度的大小和方向而變化.那么，上述問題中當木塊、水和水桶一起向上加速運動時，應有F′浮=mg+ma=ρ（g+a）V′排2，所以V′排2=V排1，浸沒體積應該不變.在完成分析之后利用圖4（a）所示的裝置進行實驗驗證，通過手機錄像和慢放功能可以清晰地看出木塊的浸沒體積在勻加速運動過程中始終保持不變，學生看后非常震撼.

3 總結與反思

“超重與失重”這節課從學生的思維發展特點出發，依次設計了教學環節和認知層級（見表1），從夸張的體重、在電梯升降時稱體重、在靜止的體重秤上做蹲起、太空中的完全失重、變速運動過程中的浮力變化這五個層級遞進的教學環節，以熟悉且有趣的游戲情境“是真的嗎”為引線，引導著學生對超失重規律從直觀經驗到對概念規律的初步認識，到對規律內涵的加深理解，再到規律外延的應用，最后在一個新情境中遷移建構并運用規律預測解釋現象.教學過程流暢嚴密，緊緊地吸引著學生的思維.

參考文獻：

[1]胡世龍.構建符合學生認知規律的物理高效課堂——以蘇科版“重力”教學設計為例[J].中學物理，2018，36（06）：44-46.

[2]郭佳偉.皮亞杰發生認識論研究[D].廊坊：河北大學，2011.

[3]路文柱.物理學科思想方法與能力培養之螺旋式教學[J].湖南中學物理，2012，27（11）：1-3.

[4]侯中柱.基于核心素養下直接經驗激起學生認知沖突的教學策略[J].中學物理，2018，36（02）：2-5+13.

（收稿日期：2020-12-08）