BOPPPS模式下的高中物理規(guī)律課堂教學(xué)設(shè)計*
——以“牛頓第三定律”為例

謝婉君 江 瑤 汪鴻飛 姚關(guān)心

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

1 引言

BOPPPS教學(xué)模式源起于加拿大，由于其可操作性強、教學(xué)效果顯著，逐步應(yīng)用于國內(nèi)大中小學(xué)課堂[1].該教學(xué)模式把課堂分為導(dǎo)言(Bridge-in)、目標(Objectives)、前測(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(Participatory-learning)、后測(Post-assessment)、總結(jié)(Summary)6個環(huán)節(jié)(簡稱“BOPPPS”)，每個環(huán)節(jié)的任務(wù)可視化，教師根據(jù)學(xué)生的反饋進行調(diào)整，將實際教學(xué)的不可控因素控制在一定可調(diào)的范圍內(nèi).近來，研究表明BOPPPS教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)、激發(fā)學(xué)習(xí)動機、提高學(xué)習(xí)效率，是一套創(chuàng)新和高效率的課堂教學(xué)模式[2～4].

根據(jù)新一輪物理課程改革的要求，教師應(yīng)關(guān)注先進的教育思想和理念，以促進學(xué)生高效學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)為目的，探索實現(xiàn)物理規(guī)律有效教學(xué)的路徑.基于BOPPPS教學(xué)模式優(yōu)越性，本文以“牛頓第三定律”一節(jié)為例，將BOPPPS教學(xué)模式與物理規(guī)律教學(xué)融合進行教學(xué)設(shè)計，希望探索出物理規(guī)律教學(xué)的有效途徑.

2 BOPPPS模式與物理規(guī)律教學(xué)的融合

BOPPPS教學(xué)模式與物理規(guī)律教學(xué)有效融合進行教學(xué)設(shè)計是物理規(guī)律教學(xué)的新嘗試,下面以我們設(shè)計的圖1加以闡述.

物理規(guī)律的教學(xué)過程一般包括猜想、探究、討論、運用等4個過程[5].如圖1所示，我們對BOPPPS教學(xué)模式的目標環(huán)節(jié)順序作了相對的調(diào)整，并拓展了物理規(guī)律學(xué)習(xí)進程，使整個物理規(guī)律教學(xué)框架更加流暢和完整，借助BOPPPS模式的6個環(huán)節(jié)有效地幫助學(xué)生完成物理規(guī)律的建構(gòu).

圖1 教學(xué)框架圖

導(dǎo)言環(huán)節(jié)通過創(chuàng)設(shè)情境打開學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生提出與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的物理猜想；前測環(huán)節(jié)通過提問了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，為后續(xù)的核心環(huán)節(jié)參與式學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；參與式學(xué)習(xí)要求教師注重以學(xué)生為主體，強調(diào)學(xué)生主動參與到教師設(shè)計的探究活動中；前測與參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)共同助力學(xué)生完成對物理規(guī)律的探究與討論；學(xué)習(xí)物理規(guī)律的目的是要運用規(guī)律解決問題，后測環(huán)節(jié)對學(xué)生在本節(jié)物理規(guī)律課的學(xué)習(xí)效果進行檢驗，教師可以設(shè)計貼近生活實際的典型易錯題目幫助學(xué)生運用規(guī)律以加深對規(guī)律的理解；總結(jié)環(huán)節(jié)幫助學(xué)生形成系統(tǒng)、清晰的知識結(jié)構(gòu)，完成對規(guī)律的建構(gòu)，教師可借助思維導(dǎo)圖的形式幫助學(xué)生總結(jié)規(guī)律；將目標環(huán)節(jié)放到最后是考慮到物理規(guī)律教學(xué)多以探究為主，若學(xué)生提前知曉物理規(guī)律內(nèi)容，容易限制思維，失去探究興趣，不利于規(guī)律的建構(gòu).同時，在課堂教學(xué)結(jié)束時向?qū)W生展示教學(xué)目標也有利于學(xué)生的自我評價，給教師教學(xué)提供了反饋意見，幫助教師有針對性地進行下節(jié)課的教學(xué)設(shè)計.

3 教學(xué)設(shè)計案例

下面以人民教育出版社高中物理必修第一冊(2019年版)第三章第3節(jié)“牛頓第三定律”教學(xué)設(shè)計為例，說明BOPPPS教學(xué)模式在實際教學(xué)中的應(yīng)用.

3.1 教學(xué)設(shè)計說明

“牛頓第三定律”是建構(gòu)“運動與相互作用”物理觀念的重要內(nèi)容，在整個高中階段，作用力與反作用力的規(guī)律是學(xué)生解決力學(xué)問題的基礎(chǔ).第三章中，“牛頓第三定律”為后續(xù)“力的合成與分解”“共點力的平衡”奠定知識基礎(chǔ)，起到承上啟下的作用.學(xué)生在初中階段已經(jīng)定性認識到力的作用是相互的，但對相互作用力的關(guān)系沒有形成科學(xué)的解釋.因此,在本節(jié)課中，教師要幫助學(xué)生形成作用力與反作用力的科學(xué)觀念，主要采用科學(xué)探究的形式，用問題情境帶領(lǐng)學(xué)生掌握牛頓第三定律，完成《普通高中物理學(xué)科課程標準(2017年版2020年修訂)》對本節(jié)內(nèi)容提出的學(xué)習(xí)要求.

3.2 BOPPPS規(guī)律課堂教學(xué)實施

(1)導(dǎo)言(Bridge-in)

物理知識具有抽象性、復(fù)雜性、情境性等特點，學(xué)生對事物的認知過程需要由感性上升到理性再回歸感性.根據(jù)物理知識特點和學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律，教師在進行物理規(guī)律教學(xué)時要設(shè)置恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫硯椭鷮W(xué)生喚醒或積累感性認識.導(dǎo)言環(huán)節(jié)采用簡單的演示實驗設(shè)置問題情境，讓學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上對相互作用力進行思考，提出科學(xué)猜想.

情境1：如圖2所示，有一粗糙斜面軌道，小球M從斜面頂端由靜止沿著軌道滾落，記錄靜止位置；將另一小球N放在斜面底端保持靜止，再使小球M以相同條件滾落，兩個小球發(fā)生碰撞，記錄兩小球的靜止位置.請同學(xué)們思考為什么小球的運動狀態(tài)發(fā)生了變化.

圖2 小球碰撞實驗示意圖

學(xué)生：比較兩次實驗條件,M受到N給它的力，運動狀態(tài)才發(fā)生改變的，N受到M給它的力，由靜止開始運動，運動狀態(tài)也發(fā)生了改變，小球M和N發(fā)生碰撞的瞬間產(chǎn)生了力的相互作用.

教師：當(dāng)物體A對另一個物體B施加了力，同時物體B對物體A也施加了力，物體間這一對力，通常稱為作用力(acting-force)和反作用力(reacting-force).當(dāng)時我們只是定性地認識到物體間力的作用是相互的，卻沒有定量研究作用力與反作用力的關(guān)系.同學(xué)們能從力的三要素出發(fā)結(jié)合實驗現(xiàn)象，對作用力和反作用力之間的大小及方向關(guān)系提出猜想嗎？(教師提示還可以從力是否在一條直線上、力是否具有同時性提出猜想，擴展學(xué)生思維)

將學(xué)生猜想繪制成表格如表1所示.

表1 對作用力與反作用力的猜想

(2)前測(Pre-assessment)

前測環(huán)節(jié)可以幫助教師了解學(xué)生的前概念和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，以便對后續(xù)探究環(huán)節(jié)內(nèi)容進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.教師提出的問題幫助學(xué)生養(yǎng)成思考的習(xí)慣，有利于規(guī)律教學(xué)的推進.

問題1：相互作用力在物體間是否普遍存在？若不是，請舉反例.

學(xué)生甲：固體間相互擠壓一定有力的相互作用；固體和液體間有浮力和壓力；磁鐵之間沒有相互接觸也能感到力的相互作用；直升機盤旋在空中與空氣相互作用獲得升力，似乎生活中任意兩個物體間都能產(chǎn)生力的相互作用.

學(xué)生乙：我們無時無刻不受到地球施加的重力作用，然而我們對地球卻沒有作用.這是一個反例.

教師：我們對地球同樣有力的作用，只是地球質(zhì)量遠遠大于人的質(zhì)量，我們對地球的作用力產(chǎn)生的效果無法被感知.實際上，相互作用力在物體間普遍存在.

問題2：物體間的作用力和反作用力是否是同一性質(zhì)的力？

學(xué)生丙：固體間相互擠壓產(chǎn)生的力都屬于彈力，磁鐵之間的相互作用力都是電磁力……我能想到的例子，作用力與反作用力性質(zhì)相同.

教師總結(jié)：我們可以基于大量的物理實例進行概括抽象得到結(jié)論，力的相互性是普遍規(guī)律，作用力與反作用力是同種性質(zhì)的力.

(3)參與式學(xué)習(xí)(Participatory-learning)

參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)是整個教學(xué)設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律的關(guān)鍵階段.該環(huán)節(jié)強調(diào)師生之間的深度互動，充分體現(xiàn)了“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念.本環(huán)節(jié)教學(xué)形式可以多樣，便于有效調(diào)動學(xué)生積極性，使其全身心地投入到教師組織的課堂內(nèi)容中.針對規(guī)律教學(xué)的特點，參與式學(xué)習(xí)主要以實驗探究為主、問題情境為引.從學(xué)生的猜想出發(fā)，探究作用力與反作用力的規(guī)律.學(xué)生經(jīng)歷參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，完成對規(guī)律的探究和討論，概括出物理規(guī)律的文字表述和數(shù)學(xué)表述，理解物理規(guī)律的適用條件和范圍.

任務(wù)1：探究作用力與反作用力的關(guān)系.

活動1：教師展示圖3所示的實驗裝置，兩輛完全相同的小車，小車4個輪子上涂上紅墨水，將條形磁鐵綁在小車上，在下面兩種操作情況下，觀察兩次小車的運動軌跡.

1)兩小車同名磁極相對放置，在粗糙的水平面上互相靠近后由靜止釋放；

2)異名磁極相對放置，相隔一定距離后由靜止釋放.

小車相對位置不變，改變小車擺放方向再次實驗，比較實驗現(xiàn)象.

圖3 小車實驗示意圖

教師：為什么要改變小車擺放方向再次進行實驗？

學(xué)生丁：避免實驗偶然性，得出的結(jié)論更有說服力.

學(xué)生戊：改變小車擺放方向再進行實驗，可以讓小車的軌跡近似在一條直線上，這一現(xiàn)象更具有普遍性.

教師：綜合前面兩次實驗，兩輛小車的運動軌跡有什么共同點？

學(xué)生：方向相反，近似在一條直線上，軌跡長度幾乎相等.

教師：經(jīng)過上述實驗，我們得到作用力與反作用力之間滿足什么規(guī)律？初步驗證了你的哪些猜想？

學(xué)生己：作用力與反作用力大小相等、方向相反，作用在一條直線上.

學(xué)生庚：上面的實驗我們只得到了作用力與反作用力大小近似相等，可以讓上述結(jié)論更具有說服力嗎？

活動2：教師向?qū)W生介紹DIS(Digital Infor-mation System，簡稱“DIS”)力傳感器，請兩位同學(xué)在講臺前為大家進行演示實驗，如圖4所示，兩位學(xué)生利用掛鉤將兩個傳感器對拉，進行以下實驗.

圖4 DIS力傳感器實驗示意圖

1)甲同學(xué)保持傳感器不動，乙同學(xué)用力拉傳感器；

2)兩同學(xué)以任意速度拉動傳感器.

觀察兩次實驗現(xiàn)象，你能得到什么結(jié)論？

學(xué)生：作用力與反作用力大小相等，同時產(chǎn)生和消失，且上述結(jié)論在任意運動狀態(tài)下都成立.

教師：經(jīng)過上述實驗，我們得到作用力與反作用力之間的一些定量關(guān)系，結(jié)合第一個演示實驗?zāi)隳茯炞C哪些猜想？

學(xué)生：經(jīng)過定性和定量的實驗探究，我可以確證,作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用在一條直線上且具有同時性.

任務(wù)2：理解“牛頓第三定律”——討論規(guī)律.

活動1：教師以一系列遞進的物理問題幫助學(xué)生梳理知識脈絡(luò)，整理作用力與反作用力的關(guān)系，得到牛頓第三定律，理解其物理意義及適用范圍和條件.

問題1：同學(xué)們經(jīng)過實驗探究以及生活觀察可以得到作用力與反作用力的作用點有什么特點？

學(xué)生：力的作用點在相互作用的兩個物體上(異物性).

問題2：我們今天探究的作用力與反作用力的關(guān)系就是著名的牛頓第三定律，你能用文字概括定律內(nèi)容嗎？

學(xué)生：兩個物體之間的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.具有異物性、同時性、同性質(zhì)特點.

教師：很好，大家請看書上牛頓第三定律的定義,兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.異物性、同時性、同性質(zhì)屬于力的特性.

問題3：如果定義作用力為F，反作用力為F′，規(guī)定力F的方向為正方向，你能用數(shù)學(xué)符號表示二者的關(guān)系嗎？

學(xué)生：作用力與反作用力大小相等，方向相反，因此F=-F′.

問題4：F+F′=0可以表示作用力和反作用力產(chǎn)生的效果相互抵消嗎？

學(xué)生：作用力和反作用力分別作用在兩個不同的物體上，各自產(chǎn)生的作用效果不同.所以二者的作用效果不能相互抵消.該式子在矢量運算上成立，物理意義不能這么理解.

問題5：你認為牛頓第三定律有適用范圍嗎，為什么“總是”成立？請課下查閱相關(guān)資料.

問題6：你能舉出生活中常見的運用“牛頓第三定律”的例子嗎？

學(xué)生：船槳向后劃水，水向前推槳；噴氣式飛機向后噴出高溫高壓的氣體，空氣向前推動飛機……

問題7：作用力與反作用力和初中學(xué)習(xí)的一對平衡力很相似，它們之間有什么異同？

學(xué)生：相同點是力大小相等、方向相反，作用在一條直線上.不同點是作用力與反作用力具有異物性，一對平衡力作用在一個物體上；作用力與反作用力屬于同種性質(zhì)的力，具有同時性，一對平衡力可以是不同性質(zhì)的力.

(4)后測(Post-assessment)

學(xué)習(xí)知識是為了應(yīng)用知識，后測環(huán)節(jié)主要是檢驗學(xué)生對知識的掌握程度，便于教師了解教學(xué)效果，便于學(xué)生掃除錯誤認知.對于物理規(guī)律教學(xué)，教師應(yīng)選擇貼近生活的物理問題檢驗學(xué)生對規(guī)律的運用，題目設(shè)置要抓住物理規(guī)律本質(zhì)，不應(yīng)過于復(fù)雜.

【題目1】如圖5所示，某同學(xué)在操場上踢足球，結(jié)合牛頓第三定律，判斷下列哪一種說法是正確的( )

圖5 學(xué)生踢足球示意圖

A.腳對球的作用力大于球?qū)δ_的作用力

B.先有腳對球的作用力，后有球?qū)δ_的作用力

C.腳對球的作用力與球?qū)δ_的作用力是一對平衡力

D.腳對球的作用力與球?qū)δ_的作用力是一對作用力和反作用力

【題目2】馬拉車前進，馬對車的拉力大于車對馬的拉力嗎？大人跟小孩掰手腕，很容易就把小孩的手壓在桌面上，大人對小孩施加的力大于小孩對大人施加的力嗎？

【題目3】如圖6所示，兩個粗糙物塊A和B放在粗糙水平面上在力F的作用下保持靜止，對物體B做受力分析.

圖6 物塊放置示意圖

(5)總結(jié)(Summary)

BOPPPS模式中的總結(jié)部分用簡短的時間將課堂上碎片化的知識整合為系統(tǒng)的、有結(jié)構(gòu)的知識，幫助學(xué)生完成物理規(guī)律建構(gòu).該環(huán)節(jié)教師可通過繪制思維導(dǎo)圖的形式幫助學(xué)生梳理知識進行學(xué)習(xí)歸納.

教師根據(jù)本節(jié)課的內(nèi)容帶領(lǐng)學(xué)生共同繪制思維導(dǎo)圖，思維導(dǎo)圖如圖7所示.

圖7 “牛頓第三定律”思維導(dǎo)圖

(6)目標(Objectives)展示

教師在教學(xué)前要明確教學(xué)目標，把握教學(xué)方向.教學(xué)目標的確定要以學(xué)科核心素養(yǎng)為中心，在新課標的規(guī)定下結(jié)合教學(xué)實際制定教學(xué)目標.教學(xué)目標放到最后環(huán)節(jié)向?qū)W生展示是出于物理規(guī)律學(xué)習(xí)特點的考慮，此環(huán)節(jié)幫助學(xué)生自我評價，幫助教師獲得反饋，使教和學(xué)的過程形成閉合反饋回路.其教學(xué)目標如下.

目標1：理解作用力與反作用力的概念，知道“力的相互性”具有普遍性.

目標2：通過實驗探究總結(jié)作用力與反作用力的規(guī)律.

目標3：理解“牛頓第三定律”的規(guī)律內(nèi)容.

目標4：能區(qū)分“作用力和反作用力”和“一對平衡力”.

目標5：能借助牛頓第三定律對物體進行簡單的受力分析.

4 總結(jié)

物理規(guī)律一直是中學(xué)物理學(xué)習(xí)難點和教學(xué)重點，將BOPPPS教學(xué)模式與物理規(guī)律教學(xué)課堂有機結(jié)合，學(xué)生借助密集短時的教學(xué)環(huán)節(jié)使注意力相比傳統(tǒng)教學(xué)更加集中，學(xué)習(xí)效率提高，降低了物理規(guī)律學(xué)習(xí)的難度.教師借助系統(tǒng)完整的教學(xué)流程使課堂的物理規(guī)律教學(xué)符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律，以科學(xué)探究為主要手段，幫助學(xué)生真正掌握物理規(guī)律.同時，教師在融入BOPPPS模式進行教學(xué)設(shè)計時要進行自我審視，靈活調(diào)整各個環(huán)節(jié)，使課堂結(jié)構(gòu)更加趨于合理化.

在BOPPPS模式下的“牛頓第三定律”教學(xué)設(shè)計中，以物理情景作為規(guī)律教學(xué)的起點，科學(xué)探究活動為中心，以問題貫穿教學(xué)活動引領(lǐng)思維發(fā)展，幫助學(xué)生掌握牛頓第三定律的物理意義、使用條件及其背后的物理觀念，幫助學(xué)生學(xué)以致用，在實際問題中進一步加深對規(guī)律的理解，幫助學(xué)生在反思中提升學(xué)科核心素養(yǎng).