基于前概念转变的“超重与失重”教学探讨

李希凡

1 引言

现行上海市第2期课改基础教材中并无超重与失重的独立章节，只在沪科版教材高一第1学期第3章D节“牛顿运动定律应用”中以例题形式出现.但超失重现象在生活中较为常见，学生体验也较多，在具有感性经验的同时也存在一些错误前概念.本节课的设计正是基于这些前概念，针对性地设计了学习活动，帮助学生将正确的感性经验上升为科学知识，同时暴露并纠正部分“力与运动关系”的错误观念.

2 前概念预判

根据文献搜索与学生经验，学生对超失重现象可能持有的前概念主要有3条：（1）物体的重量随运动情况变化而变化；（2）物体是超重还是失重由速度方向决定；（3）物体超失重的程度由速度大小决定.

前概念（1）源于生活中经历的超失重现象（如乘坐电梯和游乐机等），在经典力学范围内是不正确的，但这些感性认识为学生理解超失重提供了基础.（2）和（3）是混淆力与运动关系的结果，虽然学生已经学习过牛顿定律，但生活经验的影响深刻而持久.学生在认识新现象时，有可能再次出现混淆的情况.

针对这3条前概念，本节课通过3个教学活动分别予以突破（以下以“师”与“生”分别表示教师与学生的活动）.

3 教学活动设计

3.1 创设情境，引入概念

生：2名学生分别提1.5L饮用水和抱4L饮用水从椅子上跳下，并交流感受.

师：提出问题“大家是否也感受过类似的物体变轻变重的现象？”

生：举例各种生活现象.

师：提出“超重”与“失重”的概念.

探讨：上述跳下过程中，2位学生分别感受到了物体的重量“变重”和“变轻”的情况.从安全角度考虑，下落高度有限，所以同时感受到加速阶段的失重和减速阶段的超重确实较为困难，但是2位学生的不完全感受仍然激发了全班学生的学习热情.在生活现象认识的基础上，通过回顾重力概念，明确物体重力并未发生变化.为了减少不必要的概念混淆，此处并未提出“视重”概念.

3.2 实验探究1：超失重与加速度方向的关系

师：提出问题“物体在什么情况下发生超重或失重现象？”

生：4人为1组，利用弹簧测力计和钩码演示出超失重现象，提出猜想，并全班交流.

师：借助DIS力传感器和钩码，演示超失重现象，用计算机显示力随时间变化的图线.

生：记录钩码相应的超失重状态、速度方向、运动情况和加速度方向（记录表格如表1所示）.

表1

师：提出问题“从记录表格中可以归纳出什么结论？与大家的猜想是否一致？”

生：归纳结论“物体具有向上加速度时超重，具有向下加速度时失重.”

探讨：这是一个探究过程，实验探究以教师实验展开，学生的任务是完成现象记录和归纳结论.科学探究包含多个过程，但考虑到本环节的教学目标主要不是培养学生的实验能力，而是通过认知冲突的形成与解决突破力与运动关系的错误前概念，故将学生活动重点放在现象观察和结论归纳2个环节上.

学生通过现场感性体验提出了猜想，多数学生认为“超重与失重分别发生在物体上升和下落时”，说明教师的预设是有效的.带着这样的预期，学生对实验结果的关注度将提升，进入准备状态，而当图线显示上升（下落）过程中同时包含超重与失重现象时，认知冲突形成，而接下来的归纳就是冲突解决的过程.

教师引导方面，在记录数据过程中，第1组数据的记录在教师引导下完成，后3组数据由学生独立完成.在归纳结论过程中，以小组内和组间交流为主，教师在得出结论的过程中引导学生如何归纳，即根据猜想，将有相同条件的（超重或失重）的数据圈划出来归为一类，并以最简洁的语言表述（如将4种运动状态转化为加速度方向）.

3.3 实验探究2：超失重与加速度大小的关系

师：列举电梯和跳楼机中的失重现象以及差别，提出问题“物体失重的程度与什么有关？”

生：猜想“与加速度大小有关”.

师：提出问题“如何验证猜想？”

生：理论分析和实验验证.

师：利用图1所示的装置进行演示实验，装置中设有双层轨道，2辆小车各装有1个力传感器，力传感器通过细线与2个相同的钩码相连，小车上装有不同数量的配重片.由同位置同时静止释放2辆小车，计算机记录下2车上力传感器读数随时间的变化图线（如图2所示）.

图1

图2

从图中可以看出，由于钩码重力大小相等，两辆小车释放前，拉力读数相等.释放后，小车与钩码间的拉力均减小，两个钩码均出现失重现象，但拉力减小量不同.根据钩码运动快慢的观察，可归纳结论“加速度大的物体失重程度大”，并将结论推广到超重现象.

生：对物体做受力分析，利用牛顿定律找出超失重程度与加速度大小的定量关系.

探讨：进行超失重教学时，一般在得出超失重产生条件后，会直接让学生通过对物体受力分析并运用牛顿定律得到拉力（支持力）与加速度的关系，通过对结果的分析得出完全失重现象的存在.这样做并无不妥，但容易在学生的认知框架中形成两个相互独立的知识体系，一个属于课堂，一个属于生活，当面对陌生问题时，前者可能被后者取代，正如学生的猜想一般.上述实验通过图像表征形象展示了加速度不同的2个物体（钩码）失重程度的差别，有利于学生在感性认识和理性知识之间架设桥梁.

同时，实验装置变形于探究牛顿第二定律的实验装置，学生并不陌生，对于小车和钩码的运动状态的判断及2个钩码加速度大小的比较都较熟练，并未给现象观察增加不必要的障碍，这也是选择通过这一方式展现图线的理由.此外，还能额外地促使学生对实验中绳的拉力等于钩码重力的说法展开深入的思考.

3.4 现象演示：自由落下物体的完全失重

生：分析超失重程度与加速度大小的定量关系，发现完全失重现象.

师：在力传感器下悬挂钩码使两者自由落体，获得钩码完全失重的力图线.再将力传感器与1.5L饮用水瓶拉环相连，跳起后落下，力随时间的变化图线中有一段显示出完全失重现象（如图3所示）.

图3

探讨：通过理论推导容易得出“自由落体的物体完全失重”的结论，教师用钩码进行简单演示后，并未结束.紧接着还原课开始时学生的体验过程，将其用实验方式呈现，让学生体会到失重现象无处不在，联接生活与物理.在实验操作时，为了使完全失重的图线更明显，选择原地跳起，并应尽量跳得高一些.

4 总结与反思

上述超失重教学设计在4个班级教学过程中，大部分与预设相一致，表明学生拥有的前概念确实具有共性，从课堂学生反映来说，学生在超失重产生条件的观察和归纳过程中投入度较高，当实验结果与猜想不一致时有惊讶的反应；对失重程度与加速度关系的实验结果和完全失重的演示也表示出高度兴趣并发出惊叹，这说明实验的设置对于激发学生的学习兴趣和突破错误前概念都有较大帮助.

同时也应注意到，在猜想过程中，个别学生给出的猜想直接与加速度有关，追问后发现他直接从理论分析的角度进行讨论，这种思路也是可取的.所以前概念的预设并不适用于所有学生，而当实践中遇到“例外”时，对旁支斜出的完全忽略或压制都是不可取的.鼓励学生发出不同的声音，寻求课堂预设与生成的平衡，也是前概念转变教学的重要课题，值得不断思考与改进.

1 上海市教育委员会.上海市中小学自然科学学习领域课程指导纲要［M］.上海：上海教育出版社，2004.

2 蔡铁权，姜旭英，胡玫.概念转变的科学教学［M］.上海：教育科学出版社，2009.

3 卞志荣.物理概念教学的策略研究［J］.物理教学，2013（11）：12－14.

4 Tytler R，PrainA V.Framework for Re-thinking Learning in Science from Recent Cognitive Science Perspectives［J］.European Journal of Science Education，2010，32（15）：2055－2078.