基于多维具身体验深度学习高中物理学习重点

任虎虎

(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

1 对具身体验的认识

基于对身心二元论的批判和反思,引发了将主体身体体验引入认知过程的身心一元论的第二代认知科学产生,即具身认知．具身认知最重要的特征就是心智的具身性,指的是心智、理性能力有赖于身体的生理、神经结构及活动体验,根植于人的身体以及身体与世界的相互作用中．

具身认知认为学习是全身心参与的过程,新知识是心智、身体和环境三者相互作用的结果,具身学习具有涉身性、体验性和情景性三大主要特征,其中体验性是核心特征,具身体验的方式、过程和结果直接决定着认知的方式、过程和结果．

2 对弹力学习重点的认识

人教版高中物理必修1第三章第二节弹力教材的逻辑是:首先定义了形变,并通过放大法观察微小形变,把能恢复原状的形变称为弹性形变,在此基础上定义了弹力:发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体会产生力的作用,这种力叫做弹力;其次,通过书放在在桌面上和绳子对犁的拉动两个生活情境,说明压力和支持力的方向垂直接触面和绳子的拉力沿着绳子收缩的方向;最后,教材中直接给出弹簧弹力和其伸长量的关系:F=kΔx,即:胡可定律．

通过对教材的分析,发现本节课的学习重点很明确:弹力产生的条件、弹力方向的判定、弹力大小的计算．但是由于教材处理的比较简略,学生在这一节学习中提出了一些自己的困惑和不解,引发了笔者的思考．教学中如何有效的帮助学生深度理解这三个学习重点呢?由于弹力在我们生活中有很多实例,所以基于学生的生活世界设置多层次、多角度、多对比的情景进行交互的具身体验和反思,是促进对弹力深度学习的有效策略．

3 基于多维具身体验突破弹力学习重点的策略

3.1 多层次的具身体验深度分析弹力产生的条件

学生对弹力产生条件的全面、深刻的认识不可能一蹴而就,而是逐层深入的过程,概括起来主要要经历下面4个层次．

层次1:“魔术化”的教学引入

图1 形变前

在弹力的引入阶段,可以采用一个小魔术——魔术弹棒,一方面激发学生学习的兴趣,另一方面引发学生对形变的思考．先将魔术弹棒(钢性铁皮卷制而成)隐藏在手心中,如图1,再拿一个彩色丝巾“抖动”吸引大家注意,此时打开手心中魔术弹棒的触发开关,“瞬间”手中出现一个彩色棒,如图2．

图2 形变后

引发学生思考:为什么柔软的丝巾会变成硬邦邦彩色棒?这个过程到底发生了什么变化?

层次2:亲手体验不同类型形变

图3 握力圈

每个同学提供:一段铁丝、一块橡皮泥、一个弹簧和一个握力圈(如图3),让学生通过体验说明形变有什么不同?

学生在具身体验后作出归纳:铁丝和橡皮泥形变后不能恢复原状,弹簧和握力圈形变后撤去外在束缚可以恢复原状．

此时老师引导学生定义弹性形变和范性形变．

层次3:“放大法”观察微小形变

师:是不是所有物体都能发生形变呢?

一些学生认为是,一些学生认为不是．

师:能不能给出你回答的理由或证据呢?

生1:像坚硬的桌面和地面就不能发生形变．

师:就对刚才这位同学问题,现在借助实验进行验证．

如教材中观察微小形变的装置,将两个平面镜放在一个学生的桌面上,用一个激光笔倾斜放置,将反射光点投影在黑板上,此时教师用粉笔记录下黑板上光点的位置,让一个同学用手压桌子,可以明显的观察到光点向下移动,放手后,光点又移回原来位置．

师:请解释一下这个实验的原理和说明的问题?

生2:当向下压桌子时应该是桌子发生形变,从而导致平面镜倾斜,反射光点就移动,说明桌子发生了微小的弹性形变．

师:很好,这是什么思想方法呢?

生3:将微小变量放大,便于观察．

师:称为放大法,在以后学习会经常用到这种思想方法．

层次4:反思提炼弹力产生的条件

让学生再次体验如图3所示握力圈,让大家根据老师的指令操作．

师:握紧握力圈．

所有学生都握紧后．

师:放手．

师:再次握紧

……

师:坚持住,不要放手,大家提要到什么?

生:很费力,感觉越来越难控制住握力圈．

师:手和握力圈之间的相互作用就是弹力,能不能根据自己此时此刻的感受说说弹力是怎么产生的?

生:发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,对限制它恢复原状,并与它接触的物体会产生力的作用,这种力就是弹力．

3.2 多角度的具身体验深度理解弹力方向的判定

弹力方向的判定是本节课的重点也是难点,要让学生深度理解弹力方向的判定,不仅要体验静止状态下,还要体验运动状态下压力、绳子拉力的方向．

角度1:“观察法”判定静止状态下弹力方向

将教材中的情景生活化、放大化．情景1:在两个相隔一定距离的凳子上放一个弹性木板,在木板上放一个里面充满水的气球,如图4所示;情景2:将一个充满水的气球用弹性绳挂在铁架台上,如图5所示．

图4 水球压木板

让学生仔细观察两个情景,自主完成如下表格．

表1

表格自主完成后,引导学生讨论交流:压力、支持力以及绳子拉力的方向如何判定?

角度2:“留迹法”判定运动状态下弹力方向

图6 自制实验装置

在运动状态下,弹力方向的判定方法和静止状态下是否相同呢?笔者自制了如图6所示的实验装置,通过“留迹法”判定运动状态下弹力的方向．首先做一个木制的无盖盒子,盒子内底面长约37 cm,宽约26 cm(略大于一张8K纸),高度约为2 cm;其次在如图所示的A处竖直锯出一条狭缝,让一把钢尺能正好竖直插入．

实验步骤:首先将盒子放在桌面上,里面放一个水平仪调节水平;其次将盒子在盒子底面铺一张8K纸,并用4个图钉将其固定在底面上;再次在狭缝中插入钢尺,让钢尺贴近8K纸,将一个蘸有墨汁的小钢球紧靠钢尺放置;最后抓住小钢尺上端向左拉离初始位置后放手,小球受到钢尺击打后开始运动,在白纸上留下一条轨迹,用直角三角板判断小球留下的轨迹和钢尺初始位置的关系．

引导学生自主整合得出结论:在运动状态下,弹力的方向仍然与接触面垂直．

2.3 多对比的具身体验深度探究弹力大小的计算

对比实验是科学探究的重要方法,同时也是促进深度学习的重要措施,在弹力大小的探究过程中可以设置:不同劲度系数的弹簧弹力与其形变量关系的对比实验;弹簧和橡皮筋的弹力与它们各自形变量关系的对比实验．但是由于时间限制,只能分组并同时进行实验．班级同学两人一组,约三分之一的小组探究A弹簧弹力与其形变量关系;另三分之一的小组探究B弹簧弹力与其形变量关系;最后三分之一的小组探究橡皮筋的弹力与其形变量关系．

对比1:不同劲度系数弹簧弹力与其形变量关系的探究

图7 探究弹簧弹力大小

实验中采用如图7所示实验装置,将一木板竖直固定在铁架台上,在木板上用4个图钉固定一张A4纸．给每组学生提供4个50 g的钩码,让学生进行实验探究,并做好实验记录,将实验数据填在如下表格中,以F为纵轴,x为横轴建立坐标系,根据表中的数据,在图的坐标纸上描点,画出F-Δx图像．

表2

弹簧A和B的弹力和其形变量的关系如图8、图9所示:

图8 A弹簧弹力与形变量的关系

图9B弹簧弹力与形变量的关系

通过两个图像对比发现:虽然都是直线,但斜率不同．让这两小组的同学将实验装置放在讲台上大家观察,发现两弹簧的长度和粗细都不同,从而得出结论:弹簧的弹力大小与其它的形变量成正比,表示为:F=kΔx,其中劲度系数k与弹簧本身的因素有关．

对比2:弹簧和橡皮筋的弹力与它们形变量关系的探究

在图7所示实验装置基础上将弹簧换为橡皮筋,重复实验．实验时采用逐渐增加勾码但不回放(橡皮筋的弹力大小与其拉伸的方式有关)的方式测量,学生得到的F-Δx图像如图10所示．

图10 橡皮筋弹力与伸长量的关系

引导学生自主得出结论:橡皮筋的弹力大小与其形变量的关系不成正比,关系比较复杂．

通过图10与图8(或图9)对比一方面帮助学生认识橡皮筋弹力大小与其伸长量的关系,另一方面进一步明确胡克定律的适用范围．

一节课的学习重点是否得到突破是教学有效与否的核心,也是课堂教学评价的核心维度,只是依靠“言传”的方式有时很难帮助学生深刻把握学习重点,需要基于具身认知的“身学”,让学生亲身交互的深度体验问题情景和批判反思,从而实现对学习重点的深度学习．