窥探初中力概念的教学逻辑

刘艳辉 石 尧

(1. 北京市顺义区教育研究和教师研修中心，北京 101300; 2. 北京中学，北京 100028)

1 问题的提出

“力”的概念是我国现行初中物理课程“运动与相互作用”一级主题下的重要内容,在初中物理知识框架中占据主导地位,是后续学习重力、摩擦力、平衡力的基础．对“力”概念的深刻理解,无疑有助于学生相互作用观和运动观等物理观念的形成．然而“力”因其自身的高度抽象性与初中生自身的思维水平之间形成了明显的“剪刀差”．一旦教学处理失当,极易阻碍学生科学概念的形成．

2 力概念教学设计的初探

2.1 学情诊断与目标确定

首先,我们采用“问卷”的形式(题目如表1所示),对授课班学生进行调查取证,通过学生正误判断与理由陈述,了解学生关于“力”概念的已有认识,进而确定本节课的教学目标及教学流程．

表1 力概念调查问卷

由答题情况来看(见表2与图1),多数学生都能判断正确,但却难以给出准确的解释理由,只是通过“挤压”、“击打”等带有“提示性”的施力动词来判断力的存在．换言之,学生只是凭借直觉、经验予以判断,并没有对力的概念形成科学的认识．由此可见,倘若在教学中直接从推、拉、提、压、吸引等词语中就概括出力的概念,而隐晦期间学生的具身体验,必然拉大了学生的思维跨度,使其难以完成对力概念的生成．

表2 正答率统计

著名物理学家费因曼曾言:“如果非要给出力的精确定义,那么你永远也得不到”．[1]因此“力”概念教学的任务绝非是让学生准确背出力的定义,而是让学生形成对“力”概念的正确认知,并用自己的话表述“力”的概念．故而我们将本节课的教学目标定位于学生对“力”概念的生成,即辅助学生得出“力是物体对物体的作用”．为达成这一目标,我们沿袭“由感受到感性,再到理性”的教学思路,将相应教学分成了3个阶段．第1阶段是通过力的作用效果“看见力”;第2阶段是使学生体验到力作用的相互性,并能够准确判断施力物体和受力物体;第3阶段是帮助学生在前两个阶段的基础上,生成力的科学概念,并用科学的语言予以表达．

2.2 教学流程设计(如图2所示)

(1) 引入问题情境,激发学生思考.

以问题情境为教学的切入点,既可激发学生的学习兴趣,亦能丰富学生的感性认识．这里我们设计了包括“速度大小变化、运动方向改变及物体形状改变”等情境,进而为学生随后的归类做好铺垫．

由于视频资源具有可视化、形象化、持续化等优势,于是我们采用播放视频抑或GIF动图的形式,为学生呈现如下情景:女排比赛、蹦床比赛(如图3，图4所示),并依次提问:发球时,排球为什么能从中国队员手中飞出到达对方场地?两位中国队员拦网时,排球为什么能改变运动方向落回对方场地?运动员落回蹦床时,蹦床为什么能发生明显形变?对此,学生一般都会得出正确结论,即排球、蹦床都受到了力的作用．此时教师应进一步发问,你们是怎样“看见”力的,即判断的依据是什么?进而激发学生思考,为接下来的教学做好准备．

图3

图4

(2) 层层递进教学,具身体验活动.

第1层，借助作用效果,反映力的存在.

这一层有两个任务,在任务1中,我们将课堂还给学生,让学生利用提供的器材,如气球、橡皮泥、磁铁、小球等,设计并展示“看见”力的实验操作,籍此体验用转换法寻找“看见”力的证据．例如，用手拉动静止在桌面上的小车,小车从静止到运动,从而“看见”手对车的力;小车在桌面上运动一段距离后停下来,从而“反映”桌面对小车的阻力;用手捏气球,气球形状改变,从而“显示出”手对气球有力的作用;两磁铁分别放在两小车上,两小车相互靠近,从而“显化”磁铁间的吸引力……此外,教师还可以适时予以补充，例如借助磁铁改变小球的运动方向、利用“转换法”放大微小形变等．

在任务2中,我们让学生对“看到”的力(即力的作用效果)进行归类,籍此促进学生对现象本质的梳理．这里学生大都会分为4类——从静到动、从动到静、开始转弯以及发生形变．此时教师应进一步带领学生概括出上述情境的物理本质,将非规范用语科学化，即物体从静到动、从动到静、由快到慢、由慢到快都是速度大小发生变化,而物体“拐弯”则是速度方向发生变化,这些统称为“物体运动状态的改变”;而物体自身形状的改变,则简称为“发生形变”．今后当“看到”这两类情况,即出现这两类作用效果时,我们便可判断该物体受到了力的作用．这样将力这一抽象概念形象化、可视化,帮助学生从物体自身形状变化、运动状态变化等现象感知力的存在．

第2层，感受力的作用,明确力的特点.

在后续教学中,为帮助学生意识到力的相互作用具有普遍性,做好“力”概念生成的必要铺垫,笔者又设计了3个侧重点不同的体验情境．情境1是体验物体发生形变时,物体间存在相互作用力,情境2是体验物体运动状态变化时,物体间存在相互作用力,情境3则是体验不接触物体间的相互作用力．同时,笔者还设置了相应的问题串,以辅助学生思维链形成,深化对力作用相互性的认识．

体验情境1:手拉弹簧拉力健身器，如图5.

图5

问题:弹簧形变,说明受到了力的作用,施力物体是谁?手有什么感受?施力物体又是谁?

结论:弹簧是受力物体,也是施力物体;手是施力物体,也是受力物体．

体验情境2:推动小车前进，如图6.

图6

问题:小车由静止开始运动，施力物体是谁？手有什么感觉？施力物体又是谁？

结论:小车和手既可以是受力物体，也可以是施力物体，主要在于研究对象的选取.

体验情境3:两强磁铁相互吸引，如图7.

图7

问题:左手磁铁对右手磁铁有吸引力，右手能感觉到，那么右手磁铁对左手磁铁是否有吸引力呢？

结论:左手磁铁对右手磁铁的力与右手磁铁对左手磁铁的力是一对相互作用力，力的作用是相互的.

由此，学生可以发现力涉及两个物体,并且受力物体与施力物体在一定条件下(研究对象的选取)可以相互转换．在此,教师还可以进一步与“相对运动”的有关知识进行适当类比(如表3所示)．即与“判断物体的静止与运动,在于参照物的选取”有异曲同工之妙．

表3

第3层，借助语言工具,完成概念生成.

前苏联心理学家维果茨基曾言:语言文字是心理的“工具”．只有用自己的语言对大脑中生成的概念予以准确描述,才能促进概念的理解与深化．通过前两个环节的体验感受,学生已经发掘出“潜藏”于生活实例与自身经验中“力”的科学概念．接下来,学生只需综合前两个环节的感悟,用科学的语言将头脑中关于力的碎片化概念加以整合与凝练,即可完成对力科学概念的自我生成．需要强调的是,学生由于自身认知水平所限,在构建及表述力的概念时,往往会处于一种想说又难以表达的矛盾心理之中,具体表现为停顿、结巴、用词不规范等．这时教师应适时帮助学生厘清思路,以举反例等方式诱导学生规范自己的表述,正所谓孔子的“不悱不发”,这同时也是教师教学智慧的集中体现．此外,在本阶段的教学处理中,教师还应尽量多地给学生留出一些思考的时间,并结合小组讨论等形式,促进学生对力概念的生成．

(3) 应用所学知识,解决实际问题.

在教学的最后环节,为使学生习得的知识真正“活”起来,我们以一道原始物理问题收官．鸡蛋掉到地上,地面对鸡蛋有力的作用,那么鸡蛋对地面有力的作用吗?如果有,怎样“看见”鸡蛋对地面的作用?面对这种开放性极强的物理问题,学生的思维很快就会发生非线性的相互作用,萌发各种新奇的想法．如在地面上放置海绵,使鸡蛋落到海绵上,通过海绵形变“看见”鸡蛋对海绵有力的作用;在沙坑上方释放鸡蛋,借助沙子被鸡蛋砸出的坑反映鸡蛋对沙子有力的作用;将小桌立在沙坑中,在桌腿上标记埋没位置,使鸡蛋砸中小桌(鸡蛋可能会碎),小桌将向下运动陷入沙坑,再次在桌腿上标记出沙子埋没的位置．通过比较两次的标记位置,便可证明鸡蛋对小桌有力的作用．

3 启示与思考

教学逻辑是指教学过程中诸要素呈现的先后次序．教学逻辑在物理教学中扮演着至关重要的角色,一个概念或规律从哪里来,到哪里去,中间又经历怎样的过程,都应有所依照．澳大利亚著名心理学家,认知负荷理论创始人斯威勒先生曾指出,知识本身的难易程度决定着学生学习的内在认知负荷,是无法改变的,而教师对知识的呈现方式则决定着外在认知负荷,受控于教师本身．[2]由此可见,教师对物理知识呈现的逻辑是至关重要的．只有教学活动的逻辑与学生概念形成的规律车轨共文,才能有效降低阻碍学生学习的认知负荷,促进有效教学的发生．有鉴于此,在力概念的教学中,我们在充分考察学生前概念的基础上,以“遵循知识形成过程”为教学设计的逻辑动因,将本节知识进一步细化分层,努力为学生搭建起力概念生成的“踏脚点”,引导学生依次经历“看见力”、感受力、表述力,以及应用力解决现实问题等一系列过程,最终促进学生对力概念生成的拾级而上．