践行“知行合一”的课堂教学

吕声康

摘 要：高一学生刚接触高中物理，对课本介绍知识怀有浓厚的兴趣，本文阐述一节公开课的准备、完成教学及课后反思总结，提出课堂教学应结合学生的认知情况、应以学生感兴趣的问题为教学目标，并探讨课堂实验的实施方式及效果。

关键词：高中物理；课堂教学；超重和失重；物理实验

引言

在2016年12月初福州一中举办的公开周中，笔者上了一节高一《超重与失重》的公开课，课后感触颇多，本文抛砖引玉，浅谈对本节公开课的一些感想和反思。

1 教材分析

《超重与失重》这部分内容，在《考试大纲》中为I级要求，仅要求学生了解。鲁科版教材中将其单独撰写一节，鲁科版的教师用书中对这节课的教学要求是“①通过实验认识超重和失重现象，知道超重和失重现象产生的条件；②知道超重和失重分别是指物体对支持面的压力或对悬绳的拉力大于和小于物体所受重力的情况” [1 ]，教材对学生要求也不高。在人教版教材中，“超重与失重”未单独成节，只是在牛顿第二定律解决实际问题中以例题的形式加以体现。对比人教版和鲁科版两个版本的教材可以发现，超重和失重现象的提出，更多是为了拓展牛顿第二定律的应用，因此，如何让学生更好的认识超重和失重现象，如何让学生体会并理解生活中的超失重现象，强化物理与生活的联系，这便是本节教学的重点。

2 教学过程简介

2.1 问题引入

笔者先从两段视频让学生知道超失重现象在实际中是经常涉及的，第一段视频为《盗梦空间》电影中的一段，影片中呈现了当汽车从大桥上冲下做落体运动时，沉睡在车上的演员在梦境中处于漂浮状态，即影片中演员所说的“零重力”状态；第二段视频为记者对杨利伟同志的采访，杨利伟同志在叙说返回舱返回时，宇航员会有较长的时间处于“过载”。通过这两段视频提出什么是“零重力”？什么是“过载”？接着从生活中常见的称体重出发，邀请一位同学上讲台测量他的“质量”（实际为重力），当同学静止在体重秤上时，读数是稳定的；但该同学在下蹲的过程中时，体重秤指针在不断晃动，读数不稳定，这说明体重秤对人的支持力并不一定和人的重力相等，进而提出问题：体重秤的读数和人的重力之间到底有什么样的关系呢？

为具体探讨体重秤读数和人重力间关系，因称体重的实验精度不足，从体重秤中很难观察出体重秤读数的具体变化情况，于是引出用更精确的仪器来测量：用力传感器代替体重秤，用一钩码代表该同学，用力传感器拉着钩码下降即相当于人下蹲的过程，由此可得到如图1所示力传感器上拉力的变化情况。通过对该图象的分析，引出超重和失重的概念，并归纳出何时支持力（或拉力）大于重力——超重现象，何时支持力（或拉力）小于重力——失重现象。在此前提下，探讨超重、失重现象的应用，解释“零重力”、“过载”问题。

2.2 现象解释及超失重在实际中的应用举例

2.2.1 过载：如图2，在返回舱减速下降时，若有宇航员在练习举重，宇航员对杠铃的支持力和杠铃重力的关系如何？根据牛顿第二定律可知FN=mg+ma，即处于超重状态时，支持力大于重力。若向下的加速度a=4g，可知FN=5mg，宇航员对杠铃的支持力为杠铃重力的5倍。

延伸：宇航员的颈椎对脑袋的支持力和脑袋的重力关系如何？

结论：当飞船有向上加速度时，人体内部各器官间在竖直方向上的相互作用力较在地面上处于平衡时大——过载。因而在宇航员乘坐火箭升空过程或返回舱返回时，宇航员为确保安全，应以躺姿躺在驾驶舱内座椅上。（展示宇航员躺在驾驶舱内的图片）

2.2.2 零重力：如图3，以在加速下降的电梯内举重运动员举重为例来探讨。

问题：若电梯向下的加速度不断增大，人对杠铃的支持力如何变化？

归纳：由牛顿第二定律可知：FN=mg-ma

当a

当a=g 时，FN=0， 完全失重状态

零重力：当物体有向下的加速度a=g时，物体处于完全失重状态，此时物体间虽有接触，但彼此间的相互作用力為零，如坐在椅子上的人对椅子的压力为零，此时，抽去椅子对人无影响，即人可漂浮在空中。

延伸：在完全失重情况下，（1）弹簧秤测量物体的重力，读数为多少？——实验展示所测重力为零；（2）悬浮在液体内部的物体所受的液体浮力多大？——理论推导后视频展示自由下落的水瓶内水不从下方的小孔喷出。

2.3 课外延伸阅读思考——学科渗透，激发兴趣

（1）在完全失重情况下，火焰能持续燃烧吗？燃烧时火焰是什么形状？

（2）完全失重状态对植物生长有何影响？

（3）完全失重状态对细胞的分裂有影响吗？

3 课后反思

3.1 兴趣——求知的“催化剂”

物理来源于生活，服务于社会，检验学生对牛顿第二定律在超重与失重现象中应用熟练程度的最好方法，即让学生将该部分知识投入到应用中，学生对这部分内容最感兴趣的“点”是什么呢？为此，笔者在网络上搜索统计关于“超重和失重”问题，绝大多数的疑问集中在完全失重上，如宇航员为何可以漂浮在空中？完全失重时水为何为球形？完全失重时火焰能继续燃烧吗？……这与我国宇航员在完全失重情形下进行的太空授课深入人心有关，但也折射出大多数人对完全失重及由此引发的问题的莫大兴趣。成功的课堂教学就应最大程度的解决学生最感兴趣的某些问题。《超重与失重》这节课，便以学生最感兴趣的完全失重作为切入点，深入浅出的阐述超重与失重的原理，在成功解释完全失重问题的同时，一并示范解决问题的一般思路，同时提高学生对物理学习的兴趣，效果相当不错。

3.2 实验——理论联系实际的“试金石”

物理课堂离不开实验，对课堂实验的思考主要有以下几个方面。

3.2.1 演示实验与学生分组实验

在公开课教学中较多教师喜欢学生分组实验，这样学生的参与度高，也易调动学生学习的积极性和培养学生的探知精神，但这并不意味着演示实验就达不到这样的效果。对《超重与失重》这节课，鲁科版教材中提出一个学生分组实验：弹簧测力计拉着物体上升或下降时，观察弹簧测力计示数的变化及与物体重力的关系。从课堂实际效果而言，学生参与兴趣很高，但因物块加速或减速时间过短，且是在运动过程中观察示数，大多数学生没有观察到较明显的示数大于或小于重力的情况，效果并不太好。较这分组实验，若在课堂中利用力传感器将读数随时间变化曲线实时做出，虽没有让学生实际参与该操作过程，但每个学生都能清晰的观察到何种情况下悬绳对物体的拉力大于重力，何时拉力小于重力，学生以此能投入到有效的思考当中，效果更突出。因而在课堂教学中，教师应思考的是，课堂实验让学生参与的目的何在？分组实验是要体现“学生参与”这个形式吗？答案是否定的！无论是演示实验还是参与实验，重点应在培养学生实验的意识，并能对实验所得结果进行思考。实验现象能引发学生思考和分析，那无论何种形式，应该都是成功的。

3.3.2 实验精度问题

实验的目的就是在人为制造的条件下，通过实验测量让学生更好的理解事物的规律和现象的本质，那是否意味着精度越高，学生对物理的认知就更好呢？在验证或探究型实验中，如验证平行四边形定则，探究合外力、质量、加速度三者间的关系等实验中，笔者认为实验精度越高越有说服力，越能让学生感受到物理规律的客观基础，如验证平行四边形实验中，使用传统的弹簧测力计测量分力与实际合力，以此数据作图，大多数同学所得理论合力与实际合力在大小和方向上有较大的偏差，在这种情况下，教师不得不强调说“更精确的实验表明”，这显然缺乏说服力！此时若采用精度更高的仪器来进行验证，如利用力传感器测量力，更精确的测定力的方向等，对验证平行四边形定则而言，效果更佳。但在探讨某些物理现象时，单一的精度高的实验的教学效果并不一定能让人满意。如《超重与失重》内容的教学中，若仅用力传感器演示拉力大于或小于重力情况，学生不能很好地将超失重情况与实际生活相联系。若在课堂上能展示两种不同精度的实验，精度较低的实际生活现象的课堂演示用以认识现象，精度高的模拟实际现象的实验用以探究现象，这样的效果反而更为明显、更能激发学生学习的激情。因而在本节课中，笔者利用最常见的体重秤测体重，当站在体重秤上的同学下蹲时，发现体重秤的读数不稳定，利用这一现象引发探讨，在这个实际生活的例子中，并不能很好的观察到体重秤的读数如何变化，仅能观察到指针晃动，但由此引发学生探知兴趣：体重秤的读数具体是如何变化的？为何人下蹲时体重秤读数会不稳定？……为解决这些问题，再使用更精确的仪器设备，如用力传感器上挂一钩码来模拟测体重的过程，由此得出清晰的钩码下降或上

升时传感器示数随时间变化的曲线。这样的设计，既让学生观察现象，又让学生体验建模过程，提供分析现象所需的数据，效果相当显著。

3.3.3 为分析现象而设计的“假想”实验

实验是否一定要现场演示？笔者认为，在具体解释某些现象时，课堂上并不一定要呈现实际的演示实验，甚至有些实验在课堂上是无法展示的，此时，可利用教师设计的、能激发学生思考热情的“假想”实验。如《超重与失重》课程中解释“过载”现象时，教師无法让学生清晰体验过载时的感觉，即使做实际实验，也只是利用模型让学生“看到”物体处于“过载”当中，但学生缺乏体验。为更好的解决这个问题，笔者设计了返回舱或电梯中人举重的情景，如图4，当返回舱返回地球做减速运动时，通过分析可知人对杠铃的支持力大于杠铃的重力，继而问，若将杠铃扛在肩膀上呢？学生很容易的出肩膀对杠铃的支持力仍大于其重力；再设问，若运动员没有扛杠铃，直立在返回舱中，会有什么感觉？……通过不断设置问题进行分析，学生对于过载进行了思想上的体验，对“火箭升空或返回地球时宇航员是躺在舱中”这一现象便能理解。本节课中，教师设计的模型虽不是具体的实验，但模型在解释问题的本质上与实际的实验是具有等同的效果的。

盖瑞·祖卡夫在他的《像物理学家一样思考》书中说，拼音“wuli”中用不同的“wu”接相同的“理”，可以是“无理”，也可以是“悟理”，还可以是“吾理” [2 ]。笔者觉得，一节课若能让学生对某一现象的认知，从课前认为“无理”，到课堂上开始“悟理”，进而在课后转化为“吾理”，那无疑是相当成功的，那就是一节真正的“物理”课。

参考文献：

[1]中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理1（必修）教师用书（第4版）[M].济南：山东科技出版社，2010：104.

[2][美]盖瑞·祖卡夫.像物理学家一样思考[M].海口：海南出版社，2011：6-7.