基于物理圖式學習進階理論的超重和失重教學實踐研究

展林弟 鄭朝陽 劉青華

摘 要：以“物理圖式”和“學習進階”為理論依據，進行設計物理概念圖式的學習進階，基于學科核心概念構建新的物理概念.以“超重與失重”概念為例對物理核心概念教學過程進行實踐研究，將學生對“加速度”概念和“牛頓第二定律”結合起來，促進學生組織、建構、拓展對學科核心概念的提煉和升華，形成“運動和相互作用觀”，從而促進學生物理學科核心素養的養成和發展.

關鍵詞：物理圖式;進階理論;超重;失重

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0035-04

基金項目：北京市教育科學“十三五”規劃課題“基于物理圖式和學習進階理論的高中物理概念和規律教學實踐研究”（項目編號：CDDB16156）.

作者簡介： 展林弟（1992-），女，北京人，博士，研究方向：光物理;

鄭朝陽（1963-），男，湖北宜都人，博士，中學高級教師，研究方向：物理教育;

劉青華（1972-），女，河北邯鄲人，碩士，中學高級教師，中學特級教師，研究方向：高中物理教學實踐.

1 物理圖式

2019年11月出版的《中國高考評價體系》中規定了高考評價的載體——情境，運用文字、數據、圖表等形式的各種素材，圍繞一定主題加以設置[1]，再現學科理論產生的場景或者是呈現現實中的問題情境，讓學生在真實的背景下運用必備知識和關鍵能力解決實際問題，以此達到考查內容和考查要求[2].運用物理圖式學習進階理論的教學設計有利于學生基于物理情境加深對概念的理解，提高知識遷移能力，逐步培養學生分析問題和解決問題的能力[3].

現代認知心理學認為，圖式是圍繞某一個主題將知識表征和儲存方式組織起來，表現形式是一些觀念和關系的集合，從而形成的一種系統的、有組織的知識結構和框架，從而提高相關信息的記憶、理解和推理分析[4].引導學習者在認知過程中，通過對當前認識進行抽象概括、歸納整理構建出一個一般的科學圖式，并進行記憶存儲.當學習者再次對當前存儲的知識進行解釋分析時，圖式就會被激活，快速形成對應的推理和分析，有利于學習者觸類旁通地學習知識，很好地進行知識的遷移創新[3].對于高中物理的學習，學生在觀察生活中的物理現象、實驗室實驗、課堂學習的過程中，通過動手和動腦的實踐活動逐步形成了包含物理表象圖式、概念圖式、規律圖式、實驗圖式和問題圖式在內的各種物理圖式.每一種物理圖式在不斷豐富和完善的過程中實際上是學習者頭腦中的物理圖式在不斷進階的過程.其中物理問題圖式最為復雜，學習者在解決問題的過程中，通過其他物理圖式、問題情境等，對不同類型的問題解決的物理圖式進行完善，從而實現問題圖式的不斷進階.

高中物理教學設計要在學生原有認知和進階終點之間設置合理的進階，讓學生順利跨越新的臺階[5].教師幫助學生將頭腦中已有的問題圖式與不同問題類型情境等具體細節知識相聯系，建立起一個從具體問題圖式到高度抽象問題圖式的完整的、系統的問題圖式體系，從而提高學生解決問題的實際能力，培養學生的物理學科核心素養.

2 基于物理圖式學習進階理論的教學分析

2.1 學習進階圖式

2.1.1 學習進階的初始圖式

在學習“超重與失重”前，學生已有的認知前概念如下：

（1）學習了勻變速直線運動的物理規律，理解了加速度、速度等核心概念.

（2）學習了重力、彈力等相互作用力的基本物理概念，以及牛頓運動定律的基本內容，對牛頓運動定律解決動力學問題的基本思路有一定的掌握.

（3）具有超重與失重的直覺體驗，對超重與失重這兩個新的物理概念缺少科學的認識，對視重和重力概念的本質區別理解不到位.

（4）對超重與失重產生的動力學本質缺少認識，沒有建立起加速度與超重、失重的聯系.

2.1.2 學習進階的目標圖式

（1）對比視重與重力的關系，建立超重與失重概念圖式.

（2） 應用牛頓第二定律，構建超重和失重概念與加速度概念的關系圖.

（3）關注生活和科技，了解超重和失重現象在各個領域中的應用，解釋生活中的超重和失重現象，喚醒相關圖式，強化對超重和失重概念本質的理解.

3 基于物理圖式學習進階理論的教學設計

3.1 教學流程

3.2 教學過程

3.2.1 重力測量

趣味實驗：質量會變的蘋果.

用電子秤在地面上稱一個蘋果的質量為200g.將電子秤搬到電梯中，在電梯上升過程中，神奇的事情發生了，蘋果的質量隨著電梯的運動發生了變化，時而變大時而變小.

問題1：根據對課本的預習，有哪些方法可以測量物體重力？依據的原理是什么？測量時實驗條件是什么？

情境1：學生演示走上體重計過程中，觀察體重計示數的變化情況.

問題2：在整個過程中我們觀察到了什么現象？體重計的示數一定等于人的重力大小嗎？為什么？

問題3：體重計示數為什么會發生變化？人在體重計上下蹲和站起過程中示數是如何變化的？

設計意圖：為了充分調動學生的學習興趣和熱情，在“超重與失重”這節課采用了“質量會變的蘋果”的趣味實驗，在課前錄制好稱量蘋果的視頻，讓學生觀察，視頻會立即引發學生對“稱重”頗有興趣的思考.在問題1中大部分學生能夠根據原有認知回答出：（1）根據重力的定義G=mg測量物體的重力（原理是牛頓第二定律F=ma）;（2）利用力的平衡條件測量重力（原理是二力平衡）.進一步設問，利用平衡條件測量重力時，學生基于日常生活經驗知道需要測量時保持靜止狀態才能受力平衡.在情境1中學生觀察到走上體重計的過程中體重計示數發生了變化，引起認知沖突，激發學生的探究欲望.在問題3中提出問題，明確了研究目的，引入課題.學生嘗試解釋，原有知識不能解釋，需要引入新的物理概念，激發新的物理圖式.

3.2.2 超重與失重

問題探究1：觀察人在體重計上下蹲過程中，體重計示數的變化情況.請學生嘗試畫出體重計示數FN隨時間變化的圖像和v-t圖像.

（1）分析建模.

研究對象：以人的重心為研究對象——簡化為質點.

質點受力：重力和彈力.

運動過程：包括三個階段（先向下加速運動、再向下減速運動、最后靜止）.

物理規律：牛頓第二定律、牛頓第三定律.

（2）對于向下加速的過程：取向下為正方向（取合外力或者加速度方向為正方向），如圖2.

對于質點：mg-FN=ma;根據牛頓第三定律：人受到的支持力與人對體重計底板的壓力大小相等，方向相反，即FN= F′N.由F′N=m（g-a）< mg，即體重計視重（F′N）小于人所受的重力，發生失重現象.

失重概念：視重小于重力的現象，即物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受重力的現象，叫作失重現象.

（3）對于向下減速的過程：取向上為正方向，加速度方向向上，如圖3.

FN-mg=ma ，可得：F′N=m（g+a）> mg.

體重計的示數（視重）大于人受到的重力.這就是超重.

超重概念：視重大于重力的現象，即物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）大于物體所受重力的現象，叫作超重.

（4）當人相對于體重計靜止不動時，有FN=mg.

（5）手機傳感器測量下蹲過程的加速度，如圖4.第一階段：加速度ag，豎直向上.

問題探究2：模仿以上下蹲過程，分析討論起立過程中，體重計示數F′N變化的情況，并畫出體重計示數隨時間變化的圖像以及v-t圖像.

（1）向上加速過程：取豎直向上為正方向，加速度方向向上，如圖5.

F′N=m（g+a）> mg ，視重大于人受到的重力，屬于超重.

（2）向上減速過程：取豎直向上為正方向，加速度方向向下，如圖6.

F′N=m（g-a）< mg ，視重小于人受到的重力，屬于失重.

（3）當人在體重計上靜止不動時，有FN=mg.

（4）手機傳感器測量站起過程中加速度，如圖7.第一階段：加速度a>g，豎直向上;第二階段：加速度a

問題1：豎直向上的運動一定是超重嗎？豎直向下的運動一定是失重嗎？

設計意圖：在問題探究1中，學生根據觀察人在體重計上下蹲時體重計的示數變化，并畫出FN隨時間的變化圖像和v-t圖像，教師引導學生利用運動學規律和牛頓第二定律分析建模，對比視重與重力的關系，建立超重與失重的概念圖式.在問題探究2中引導學生自主分析，人在體重計上的站起過程，強化對超重和失重概念的理解.在問題1中設問引導學生認識到超重與失重和速度方向無關，并進一步引發思考超重與失重的本質.

利用智能手機自帶的加速度傳感器軟件（phyphox），進一步驗證牛頓第二定律對超重、失重現象蘊含的加速度變化規律進行探究，將變化的加速度實時動態地通過圖像形象生動地顯示出來，讓學生親自實踐，思考超重、失重現象與加速度的內部關聯，理解超重和失重現象的本質，突破教學難點.

3.2.3 超重和失重的本質特征

問題1：加速運動一定是超重嗎？減速運動一定是失重嗎？

問題2：超重時加速度方向一定向上嗎？失重時加速度方向一定向下嗎？

設計意圖：在問題1和問題2中，逐步設問引導學生分析人在升降機中下蹲和站起過程中超重與失重和加速度方向的關系，歸納論證超重與失重的本質關系如下：

（1）失重的本質

對于失重現象，在豎直方向上由于支持力小于重力，合外力豎直向下，根據牛頓第二定律，會產生豎直向下的加速度.自由落體運動重力產生向下的重力加速度，支持力為零，發生完全失重.

（2）超重的本質

對于超重現象，在豎直方向上由于支持力大于重力，合外力豎直向上，根據牛頓第二定律，會產生豎直向上的加速度.

3.2.4 超重與失重的應用

應用探究1：組織學生在數字化多媒體實驗室中，利用傳感器實時測量重物被拉起和放下時的超重和失重現象.

問題1：起重機吊起重物時，有經驗的司機都不讓物體啟動太快，這是為什么？

設計意圖：在情境1中，鼓勵學生積極嘗試探究不同情況下的超重和失重現象，進一步驗證所得結論.在問題1中，考查學生利用超重與失重的概念分析解釋生產、生活中的超重和失重現象，進一步加強了學生對“加速度”概念內涵和外延的拓展，是基于牛頓運動規律分析和解釋問題，從而形成“運動和相互作用觀”，有利于培養學生的學科核心素養，實現教學目標.

應用探究2：觀察電梯中的失重和超重情況，并畫出支持力隨時間變化的圖像.

演示實驗：利用手機加速度傳感器測量電梯在上升和下降過程的加速度.

設計意圖：創設貼近學生生活的超重和失重的情境，讓學生分析在電梯中的超重和失重現象，并利用手機加速度傳感器實時測量加速度變化圖像，直觀地幫助學生理解超重和失重與加速度的本質聯系.

4 結束語

本節課以超重和失重為例運用物理圖式學習進階理論進行物理概念教學，符合學生的認知發展規律，為學生的思維發展搭建了合理的臺階，通過科學推理和分析論證，建構物理模型，通過思維導圖和學習進階理論反思和總結，重新建構知識體系，對于學生掌握學科核心概念，形成系統的研究方法和理論體系，促進學生組織、建構、拓展對學科核心概念的提煉和升華，形成“運動和相互作用觀”有較大作用.

參考文獻：

[1]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

[2]教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]滿伶俐.圖式理論在解決高中物理情景創新題中的應用研究[D].上海：上海師范大學，2015.

[4]李梅，楊琴榮.圖式理論在物理教學中的應用[J].中學物理，2013，31（21）：8-10.

[5]卞望來.學習進階視角下高中物理教學設計——以“變壓器”教學為例[J].物理之友，2020，36（09）：16-18+21.

（收稿日期：2021-04-27）