支架式教学模式下的“力的合成”教学案例分析

(江苏省南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

1 支架式教学简介

支架式教学是基于建构主义教学理论的一种教学模式，源于维果茨基的“最近发展区”理论。根据欧共体“远距离教育与训练项目”的有关文件，支架式教学被界定为：“支架式教学应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架。这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的，为此，事先要把复杂的学习任务加以分解，以便于把学习者的理解逐步引向深入。”

支架式教学提倡学生在学习过程中自主建构意义，教师是意义建构的帮助者，要以学生为主体，为学生搭好“支架”(包括范例、问题、建议、工具、图表等类型的支架)，利用情境、协作、对话、意义建构等方式在学生“最近发展区”内开展教学，充分发挥学生学习的主动性、积极性和创新性。学生在支架的帮助下逐步将习得的知识与能力延伸至新的领域，从而不再依赖支架解决问题，有效地实现对所学知识的掌握。

本文以人教版必修1第3章第4节“力的合成”为例，研究支架式教学模式下的高中物理教学设计。

2 “力的合成”教学案例分析

2.1 教材分析

矢量的概念和运算定则是物理和数学学习中的重要知识。本节的重点是通过实验得出力的合成的运算定则，这是一个非常重要的探究过程。在这个实验中，学生对矢量的运算有了认识上的飞跃，也为后面学习位移矢量及其他矢量的平行四边形定则作了知识准备。

教学中教师需要理解教材关于矢量知识安排的用意，把握教材的知识脉络与设计思想，层层深入、循序渐进，加强前后知识联系与呼应，逐步提升学生对矢量概念的理解，提高学生运用相关数学知识解决物理问题的能力。

2.2 教学设计思路

本节课应用支架式教学模式进行设计，设计的总体思路如图1所示。各个环节贯穿支架的搭建，以问题探究为主线，活跃学生思维；以实验分析为基础，引导学生发现规律；以素养提升为目标，培养学生的综合能力。采用翻转课堂的教学方法，课前为学生提供学习微视频，提前创设情境、明确问题、布置设计实验的任务；课堂中加强现象的演示，通过观察现象，引导学生应用已有的知识，分析现象、积极思考、联系生活，优化知识结构。

2.3 主要教学过程

2.3.1 课前通过微视频设置情境支架：提出问题，布置实验设计任务

在课的整体结构谋划上，本节课采用了“翻转课堂”的结构模式。课前，笔者为学生制作了教学微视频，让学生课前初步掌握共点力、合力、分力、力的合成等基本概念。

在教学微视频中，结合生活中的实例介绍了相关概念后，教师提出问题：合力与分力之间存在着什么样的关系？遵循什么样的规律？通过实验探究互成角度两个分力与合力的关系，实验中取重锤作为研究对象，用力传感器作为测力仪器。实验中测得斜绳的拉力F1为7.22N、水平绳拉力F2为5.82N。再将重锤竖直悬挂，记录G读数为4.90N。从实验数据发现，互成角度的两个共点力的合力不是两个力的代数和。

图1

教师在微视频中搭建了情境支架，引导学生对合力与分力的关系进行猜想和假设，并应用所学知识设计实验方案。在布置实验设计任务时，对学生作了以下提示：

(1) 力可以产生哪些效果？本实验中你准备应用哪种效果？

(2) 如何确定合力与分力的大小和方向？如果使用橡皮绳，可以根据它的伸长记录力的大小，如设1mm为一个“力的单位”，根据长度确定力的大小；如果需要用钩码、弹簧秤等实验器材，可以到物理实验室去借用；实验中记录力的方向，要尽可能准确。

(3) 测量后的数据如何处理？建议同学们用力的图示，根据记录的力的大小和方向，在同一张图上画出分力与合力，并寻找它们的几何关系。

教师要求学生可以在草稿纸上画出实验方案原理图，将设计的基本方案或实验的图片传送到老师的电子信箱。

2.3.2 课堂引入设计问题支架：设置悬念，激发学生探求欲望

课堂引入环节，教师首先提出了一个发人深省的问题：“1+1”当然等于2，如两分力均为1N，合力是否一定是2N？为什么？

由于学生课前通过微视频进行了学习，借助以上设问，将学生的思维兴奋点自然引入了关于“合力”与“分力”之间大小关系的思索当中。有学生回答：1kg水+1kg水=2kg水，但两分力均为1N时，其合力并不一定是2N，因为力是矢量，不仅有大小、还有方向，所以力的合成不能简单地用代数加减来计算。

教师对这样的回答予以鼓励：我们暂且认可这位同学的回答，让我们带着问题一起走进关于力的合成所遵从的定则的探究之中，待得到了力的合成的相关规律后，我们再来做最终的判断。

2.3.3 在实验环节搭建范例支架：交流方案、师生合作进行演示实验

在翻转课堂微视频学习环节，教师给学生布置了任务，要求设计实验方案。课堂上，教师让学生进行交流。在学生的方案设计中，主要应用了两种力的等效效果：一是平衡(悬挂重物)，二是形变(橡皮绳)。在测量力的大小方面主要提出了三种方法：利用橡皮绳的形变、用弹簧秤、用钩码。

图2

教师肯定了学生的设计，并指出设计实验最主要的目的是让大家思考实验方法。为更清楚地演示二力合成的实验，教师自制了“共点力的合成”示教板(如图2)，上面提供了用于测量的角度，可以让力的方向的记录非常方便。刻度盘的上端固定了一个橡皮绳作为研究对象，力的大小用力传感器进行测量。实验时先用一个力将橡皮绳拉伸，末端拉到圆心处；再用两个互成角度的力将橡皮绳拉伸，同样将末端拉到圆心处，认识到第一次的力与第二次的两个力是合力与分力的等效关系。

实验操作时,要求学生在表1中记录数据，分小组在图3中做出力的图示。如何分析2个分力和1个合力的线段在几何上所满足的关系？提醒学生在研究线段间关系的时候，常用画辅助线的方法，所以处理实验数据时可以连接表示分力和合力的有向线段的箭头，观察连接而成的图形。

表1

图3

学生交流各组的作图结果，教师指出：仅做一组像平行四边形可能是偶然，但多组的结论都相同就说明结论不是偶然的了，实验表明两个互成角度的力的合成，是满足平行四边形定则的。

2.3.4 总结环节搭建模型支架：加深学生对矢量合成法则的理解

在得到二力合成的平行四边形定则之后，教师注重搭建模型支架，进一步加深学生对矢量合成法则的理解。

图4

(1) 从“二力合成”到“多力合成”模型的建立。尽管教学的运作内容和学习的主体知识仅限于“二力合成”，但由于课题是“力的合成”而并非是“二力合成”，所以教师在教学内容的渐次展开时，将“二力合成”自觉纳入“多力合成”之中而形成对“力的合成”课题的精准和精细化的理解，呈现了如图4所示的知识线索。首先对课题“力的合成”作包括“二力合成”在内的“多力合成”的精准理解，接着选择“二力合成”作为研究“力的合成”之切入点或突破口，最后采用“依次累加”的方式彻底解决“力的合成”问题。

(2) 从“力的合成”到“矢量合成”模型的建立。学生对矢量概念的掌握是一个循序渐进的过程，从教材整体安排来说主要有以下阶段的研究：通过位移的学习知道矢量是“有方向”的物理量；通过研究力的合成得到平行四边形定则；在“力的分解”一节说明求合位移也遵从平行四边形定则，并给出了矢量与标量的严格定义；将运动的合成与分解作为矢量运算的一次重要应用；将向心加速度方向与大小的推导作为矢量运算的又一次重要应用。

3 教学反思

3.1 运用支架式教学模式，促进教学理念的更新

支架式教学强调学生的知识不是由教师直接呈现出来，而是要求学生自己主动地去搜集、整理资料，分析相关的信息，进行自主建构。本节课通过层层支架的搭建，教师的教学从关注“知识传授”转变为关注学生“知识内化”，启发引导、实验探究、合作交流，培养学生的实践能力与协作意识，这与课程目标中的“注重体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养”的理念是一致的。

3.2 运用支架式教学模式，促进课堂教学结构的优化

课堂教学是一个有多层次结构的系统，包括教材的知识结构、学生的认知结构和课堂的教学结构，其中课堂的教学结构是促进教材知识结构向学生的认知结构转化的中介和动力。支架式教学通常包括以下基本环节：搭建支架、进入情境、独立探索、协作学习、效果评价。本节课通过课前学习微视频，让学生理解基本概念，设计实验方案；以学生所要学习的知识内容为主要发展区，以相关情境和问题为基本点搭建教学支架，为学生的独立探索研究和协作学习讨论奠定基础；在二力合成实验中，教师注重引导，对不同小组的研究成果进行分析，得到合理结论。支架式教学模式下的课堂教学结构有助于学生认知结构的优化，达到了促进学生主体性发展的目的。

3.3 运用支架式教学模式，促进学生思维品质提升

支架式教学要求围绕所学知识建立一个个支架，而支架搭建的关键是促进学生“现有水平”向“潜在发展水平”转化。在本节课中教师努力做到在前置设问中暗留玄机、在相关问题的回答中存疑，各种支架以问题为主线前后照应而水到渠成。这种支架式教学模式能够让学生体验科学研究过程，加深对物理思维方法的理解，在亲身经历探究的过程中体会科学研究方法，这对激发学生的学习热情、优化学生的思维品质起到了积极的作用。