“先行组织者”策略提升物理课堂教学的三个维度

沈德良

学习是新旧经验相互作用的过程.奥苏贝尔认为，要建立新、旧知识之间的联系，促进有意义学习的发生，最有效的策略是利用适当的引导性材料对当前所学新内容加以定向与引导，这种引导性材料就称为“先行组织者”.“先行组织者”能够帮助学生有效地利用原有的知识和经验去同化新的知识，实现新知识向主体知识结构的转化，并加强学生已有知识结构的清晰性、稳定性.

在物理课堂教学中，教师可根据教材内容和教学目标，向学生提供适当的引导性材料，如图片、视频资料、体验活动、问题情境、实验等.这些引导性材料的优化呈现能让学生充分发挥主体作用，较快地对新知识进行吸收和意义建构，从而有效地提升物理课堂教学的有效性. 笔者在《功》一节的新课教学中采用了“先行组织者”教学策略，并且将“组织者”与学生的学习方式进行了有机结合，在实际教学中收到了良好的效果，具体设计如下.

一、“先行组织者”教学设计图（如图1）

二、教学过程的设计

（一）新课引入环节

（1）复习提问：学生通过《追寻守恒量——能量》的学习，已认识到能量的抽象性和重要性.教师可提出过渡性问题——如何来研究能量？

设计意图：通过问题引导能使教学内容承上启下，较快地吸引学生的注意力，开展新课教学.

（2）学生活动：释放重物、水桶搬上讲台、弹弓弹射子弹、来回搓手.

设计意图：丰富的课堂体验活动能较好地提升学生的参与度，提高其学习的积极性.学生在观察和定性分析的基础上，体会做功与能量转化的密切联系.

（3）滑轮提升重物实验（如图2） 两次实验重物均缓慢提升相同高度，并比较两次实验的异同.

设计意图：定性的体验活动能提升学生课堂学习的参与度，定量实验能帮助学生较好地理解功是能量转化量度的含义，体会“功”概念引入的必要性.

（二）概念内涵的教学环节

1.做功的要素

学生观看举重视频，教师可在学生观看视频后设置如下问题供学生讨论.

①运动员将杠铃从地面举起的过程中有没有做功？②杠铃举到最高点后在空中保持的3s内有没有做功？③杠铃举到最高点后，运动员举着杠铃缓慢向前移动的过程中有没有做功？④做功有哪些必备的要素？

设计意图：运动员举重视频能为学生的学习增加趣味性，吸引其注意力，问题设置能帮助学生准确总结力做功的两个要素，理解功的内涵.

2.功的计算

功的一般计算式W=FLcosα相比于初中功的计算式具有更高概括性. 考虑到学生解决此问题的基础知识和能力都已具备，所以此环节安排学生进行自主合作式的学习较为适宜.教师可先出示如下三种问题情境（如图3）供学生独立思考，要求提供尽可能多的解决方案，然后组织学生分组开展讨论，并在小组中交换意见.最终派学生代表汇报结果.

设计意图：由特殊到一般的问题情境的呈现，能够帮助学生分解认知梯度.学生通过相互间的交流与合作，能够顺利找到分解力和分解位移两种解决问题的思路，同时也提升了表达能力.

（三）概念外延的教学环节

1.辨析一：功与力的对应性

情境1：在地面光滑和粗糙的两种情况下，物体在相同的力F作用下（F与L成某个角度），向前运动L的位移，两种情况下力F做的功一样多吗？为什么？

设计意图：设置干扰因素帮助学生深化公式中F的理解，通过情境1的讨论使学生知道功与力的对应性，明确某一个力做功只与该力的大小、物体的位移及力和位移的夹角有关，与其他力、物体的运动状态无关.

2.辨析二：W=FLcosα适用于恒力做功

情境2：如图4，有一劲度系数为k的轻弹簧，左端固定在墙壁上，右端紧靠一物块，开始弹簧处于压缩状态.物块在弹簧弹力作用下从A运动到B处，B为弹簧原长位置.AB间的距离为x，此过程中，弹簧弹力做了多少功？

教师设问：根据功的公式W=FL=kx·x=kx2，这样算对吗？为什么？

情境3：如图5，在足够长的光滑水平桌面上，人对物体施加水平向右的5N的拉力作用，当物体向右运动了10m时拉力突然反向、大小不变，一直到把物块拉回原处，在全过程中人对物体的拉力做了多少功？

教师设问：整个过程中拉力大小都为F=5N，由于总位移L=0，那W=0，对吗？如果不对该如何分析？

设计意图：阶段式问题情境引导学生通过合作探究，成功总结出W=FLcosα适用于恒力做功，在探究过程中获得了成功的体验.而且情境探究式学习比直接告诉结论的接受性学习更有利于学生知识体系的意义建构.

3.辨析三：力与物体位移的对应性

情境4：如图6，在粗糙的水平地面上，人对物块施加恒定的推力F，物体向前运动位移s1后撤去F，F撤去后物体又向前运动了位移s，则推力F在全过程中对物块做了多少功？

设计意图：此“先行组织者”设置的目的是，使学生明确在高中阶段W=FLcosα中的位移一般指的是F作用过程中物体的对地位移.

4.辨析四：α为矢量间的夹角

情境5：物体在力F=10N的作用下在水平面上发生了一段位移l=5m，分别计算以下图7中的三种情况下力F对物体所做的功.

设计意图：易错情境的设置，目的在于让学生能够区别实际问题中标注的角度与力与位移间的夹角不同，明确W=FLcosα中的夹角α应为矢量间的夹角.

综观上述四个思维辨析，“先行组织者”已让学生找到了深化功外延理解的固着点，学生关于功的认知体系已逐渐变得深入、清晰和可辨，较初中上升了一个层次.

（四）概念难点突破的教学环节

1.辨析五：功是矢量还是标量？

由于受前概念的影响，学生很容易把功理解为矢量，认为功的正负表示方向.功的标量性是本节课的教学难点，由于此部分的教学内容具有一定的深度，因此引导性材料的呈现可以与探究式的学习方式有机结合，以此来突破教学难点.endprint

①提出问题：功是矢量还是标量？

②猜想与假设：学生猜想观点的陈述.

观点一：速度有正负，速度是矢量.功有正负，所以功是矢量，功的正负表示方向.

观点二：功虽有正负之分，但温度也有正负，温度是标量，所以功是标量.

③制定方案：物理量是矢量还是标量的判断标准的讨论.

设置疑问：水平面上原来静止的物体受到向西的2N拉力作用，往西运动10m，拉力做了20J的正功；同样原来静止的物体若受到向东的2N拉力作用，向东运动10m，拉力也做20J的正功，两次功的方向相反吗？

教师点拨：2kg大米和3kg大米合起来是5kg大米，2℃水升高了3℃变为5℃.那2N的力和3N的力合起来一定是5N吗？

方案确定：区分矢量还是标量的标准在于运算法则.标量运算符合代数运算，矢量运算符合平行四边形定则.

④分析论证：教师可提供如下的问题情境，使问题的讨论更具一般性.

情境6：光滑水平面上（俯视图，图8），物块在水平力F1和F2（成任意夹角）的共同作用下做曲线运动，在极短时间Δt内的位移为Δs（Δs与V同向）.分别求出Δs位移内F1做的功、F2做的功及两者合力所做的功.

⑤评价交流.学生交流心得：在每一小段位移Δs内功的运算的确符合代数运算法则，由此可推知全过程中功的运算仍然符合代数运算，功是标量.合力做的功等于各个分力做功的代数和，数学工具在解决物理问题中的重要性，微元思想在解决物理问题中的重要意义.

设计意图：探究学习环节的设置，旨在让学生亲身体验科学探究的过程，更好地让学生从本质上理解功是标量的原因，领会科学探究方法的精髓，提高学生科学探究的能力和素养.

2.正负功的含义

为了帮助学生更好地挖掘正负功的含义，教师可设计橡皮筋拉小车往复运动的实验，如图9.

设计意图：首先通过形象的物理实验，使学生获得感性认识，并在教师的引导下学生自主总结出功的正负表示的力做功的性质（动力或阻力），正功和负功分别代表着不同的能量转化方向.

三、教学后记

本节课应用“先行组织者”策略与学生自主、合作、探究等学习方式的有机结合，较好地达成了三维教学目标；通过合理地呈现视频、实验、问题情境等“先行组织者”，极大地提升了课堂教学的广度，整节课课堂气氛活跃，学生学习兴趣浓厚，课堂参与度高；五个思维辨析不仅深化学生对功计算式W= FLcosα中各个物理量的理解，而且使学生从本质上理解了功的标量性.“先行组织者”在提升课堂教学的深度上发挥了巨大的作用；“特殊到一般”“等效”“化变为恒”“微元”等思想方法结合教学内容在学生的认知结构中进行了有效地渗透，学生的科学素养得到了提升，课堂高效、有序.endprint