基于提升物理观念的课堂教学设计——以初中物理“运动的相对性”一节的教学为例

杨树崤 刘炳昇

(1. 南京师范大学附属中学,江苏 南京 210003； 2. 南京师范大学物理科学与技术学院,江苏 南京 210024)

在新修订的物理课程标准中,将“物理观念”作为物理学科核心素养的要素之一,表明了提升学生物理观念具有重要意义.它应当成为我们物理课堂教学设计的重要指导思想．但是由于我们缺乏上位的思考,往往对此不够重视．以一次初中物理青年教师基本功大赛为例,它以“运动的相对性”(苏科版教材8上第5章第4节)为题进行课堂教学比赛,选手们教学过程流畅、师生活动充分、创新亮点精彩纷呈,体现出他们教学设计具有扎实的基本功．然而选手在课堂教学中的疏漏,暴露出他们在教学设计中存在着忽视转变学生运动观的倾向．笔者认为,基于物理观念的教学设计必须注意以下4个环节．

1 要从“物理观念”的高度俯视教材的逻辑结构

图1 本章结构

对自然界运动相对性的认识,自古以来就是人们探究的重要课题．哥白尼之前,人们把地球看成是绝对静止的,一切天体都在绕地球运动;哥白尼提出了“日心说”,伽利略开始提出了运动和静止的相对性,牛顿由此建立了惯性参照系和牛顿运动定律．经典力学建立以后,人们对运动相对性的探索一直延续,爱因斯坦拋弃了静止以太的观念,创建相对论,撼动了牛顿的机械论的自然观．可见,运动相对性的主题对人类认识自然的意义．

从这个角度看苏科版教材第5章“物体的运动”的逻辑结构(图1),正是考虑到“运动的相对性”这一主题在学生形成运动观过程中的重要性以及学生学习会有较大难度,编者才会把它作为本章的最后一节．

仔细阅读教材可知本节结构由3部分内容组成(图2)．(1) 通过实例概括出机械运动的定义,进而引出“一切物体都在不停地运动着”,即“运动的绝对性”;(2) 通过小华与小明的争论等实例,认识引入参照物的必要性,了解判别物体运动与静止的原则和步骤;(3) 通过判断小华与小明(或相关古诗词)关于运动与静止正确性的争论,说明运动的相对性及其本质——选取不同参照物,对同一物体运动情况的描述可能不同．联系我国现代科技中应用运动相对性的实例,对学生进行爱国主义教育．本节教学的重点是了解运动的绝对性和运动的相对性,而教学难点是运动的相对性．

图2 本节结构

从“物理观念”的高度俯瞰本节的逻辑结构,就不难看出,本节中“判别物体运动与静止的原则和步骤”,只是“运动绝对性”和“运动相对性”观念形成的铺垫,而认识“运动绝对性”和“运动相对性”才是终极目标．然而本次大赛笔者所听的6节课中,大部分选手的注意力集中在运动与静止判断原则和步骤的概括与反复训练上,出现了逻辑结构的缺失,难以完成运动绝对性和运动相对性教学要求．

2 围绕“物理观念”形成设计教学中的思维冲突

探究过程的展开、物理观念的形成,科学思维的积淀,都离不开思维的冲突．这里所说的思维冲突,有前概念中的错误与新概念的冲突;有新概念形成中表象与本质的冲突,探究过程中已知与未知的冲突,还有推理过程中正确与错误的冲突等．有了思维冲突,学生会有发现冲突的惊讶:“啊?怎么会这样?”,也才会有了解真相后的惊喜“噢!原来是这样!”教学的进程才能跌宕起伏,学生头脑中的错误才能受到批判,所学的知识才能得到巩固,思维也才能得到训练．

设计思维冲突的关键,是要找到物理观念形成时矛盾的焦点．本节的第1次思维冲突发生在本节教学的开始(第1部分),是关于运动绝对性的,即“一切物体都在不停的运动着”．由于错误的前概念,有些学生习惯于把地球作为参照物,因此就会产生思维冲突:明明我们周围有静止的物体,为什么还说一切物体都在运动呢?

遗憾的是这次大赛所听的6节课中,只有一位选手注意到了运动绝对性的教学．他在启发学生举出大量实例说明身边物体是运动还是静止后,设计了如下的教学片段:

教师:在学习了机械运动的定义后,大家有没有什么问题?静止的物体真的不动吗?

学生:不是,地球在公转,它们随地球一起绕太阳运动．

教师:那太阳是静止的吗?

学生:也不是,太阳在绕银河系转动．

教师:其实,银河系也不是静止的,它也在宇宙中运动,结论应该是

(注: 银河系属于本星系团,据观察和研究,银河系正在朝着本星系团的引力中心运动,又不停地与仙女座星系靠近．而本星系团大致上围绕室女座星系团运动．而整个室女座超级星系团都在朝着拉尼亚凯亚超级星系团的中央的巨引力源Great Attractor运动……)

学生:一切物体都在运动．

教师:是的,不仅宏观物体一直在运动,我们在第7章学过“分子处在永不停息地无规则运动中”,课本图5-34(a)显示的其他微观粒子运动的径迹．即“无论是微观粒子还是宇宙中的天体,都在不停地运动着”．

图3 运动的相对性

本节的第2次思维冲突发生在第2部分末尾,学生在已了解了判别运动与静止的原则和步骤之后,再讨论图5-35中小华与小明对所乘坐列车是否开动的问题(图3).

教师:小华说列车已经开动了,小明却说它仍然静止,同学们有什么困惑吗?

学生甲:小华与小明究竟谁说得对?答案难道不是唯一的吗?

(学生争论:无非小华对小明错、小明对小华错、两个都对、两个都错4种情况)

教师:小华根据什么说列车已经开动了?

学生乙:以对面车为参照物,列车的位置发生了变化．

教师:小明又根据什么说列车还没有开动?

学生丙:以站台为参照物,列车的位置没有发生变化．

教师:小华、小明的判断有什么错误吗?

学生:找不出什么错误,应该都是正确的．

教师:说运动还是静止,是观察者对被观察的对象运动情况的描述．小华以对面列车为参照物,描述说列车开动了;小明以站台为参照物,描述说列车仍然静止．这两个描述都正确,说明了什么?

学生:说明观察者选取不同的参照物,对被观察对象运动情况的描述不同．

教师:是“一定”不同还是“可能”不同,用哪个词合适?

学生:用“可能”合适,因为也可能描述相同．

教师:很好,运动和静止是相对于一个选定的参照物而言的,选取不同的参照物,对被观察对象运动情况的描述可能不同,这就是运动相对性的本质．

其实,教学过程中就有学生提出问题了:又说它运动,又说它静止,这不矛盾吗?在他们的头脑中,根深蒂固的是物体要么运动,要么静止,不可能又运动又静止．但实际情况是,选取不同的参照物,对被观察对象的运动情况描述可能不同.这恰恰是本节可要解决的重点．这里重视学生不同观点的表述,让他们讲话,是引发思维冲突的关键．

3 将“物理观念”形成也列为教学设计中价值判断的标准

教学设计中不可避免地会遇到社会需求、学科需求与学生个性发展需求3者之间的矛盾.这就有一个价值判断与选择的问题．当前必须将“物理观念”形成也列为教学设计中价值判断的标准,努力构建3者在对立中求融合的关系,才能使课堂教学取得成功．教学设计中教师的价值判断与选择一般表现在以下3个方面．

3.1 目标价值选择

有选手在教学过程中,自始至终都扣住的“被观察对象、参照物、位置是否变化、判断运动还是静止”进行教学,恰恰疏忽了运动绝对性和相对性的教学,这是一个教学目标选择问题．本节涉及到的考点,无非是运动与静止的判别,这就必须选择参照物,必须判断被观察对象相对于参照物的位置是否变化,因此适当地进行训练是应该的．但是,这些知识是为说明运动的绝对性和相对性服务的,通过这些知识的铺垫,了解运动绝对性和相对性,进而建立起物质的运动观,却是学生树立物理观念所必需的．另一方面,通过了解物体运动的绝对性和相对性,又为将来学习哲学,进一步了解物质运动的绝对性和相对性提供准备．

把教学目标放在深层素养的培养上还是仅仅关注选拔与考试,体现了教师的价值指向．

3.2 案例(活动)价值选择

教材也可以利用有关的古诗词作为案例,说明运动的相对性．例如“游云西行而谓月之东驰”,提出问题:云朵和月亮究竟谁在运动?由月亮相对云朵向东运动,而相对地球却在短时间可视为静止,说明运动相对性的本质——对同一物体,由于选取参照物不同对运动的描述可能不同．类似的例子有很多,教材为什么要选古诗词?就是为了说明我国古代对此也有过关注,同时弘扬了我国的传统文化,激发了学生的爱国情怀．

“生活·物理·社会”中又以现代科学技术的案例来说明运动相对性的具体应用,如果能够适当介绍一下我国科技相关的背景,例如国庆70周年阅兵时,我空军用轰油6空中加油机为歼10B战机空中加油,其难度在于要保持相对静止．介绍风洞中的战斗机模型时,不仅是模型与风之间的相对运动问题,还可以说说我国研制的歼20,在设计完成后将飞机模型送到风洞中吹,可发现设计的缺陷并及时修改纠正,以节省时间和费用等．这样既让学生巩固了所学的知识、了解了现代科技的应用,又让学生知道了我国科技发展的情况,激发了自豪感．

在教学中,教师自行选择一些趣味性和说服力更强的案例和活动,以激发学生探究的兴趣.这无可厚非、应该赞赏,但是选择时必须斟酌其价值．例如让学生用大量的时间制作一个风车,或者组织学生接力比“谁运的钩码多”,这与本节教学内容关联究竟有多大?你选择这些次要问题不惜笔墨,看起来学生很兴奋,场面很热闹,但你究竟想得到什么结果,会不会由于耗费时间而影响甚至忽视重点问题——运动绝对性和相对性的建构,这是值得反思的．

3.3 难度价值选择

本节教学中,有选手选择了定量描述两物体相对运动状态问题．例如速度大小甚至方向满足什么条件时两辆列车会同向运动、相对静止或反向运动?骑自行车时车速与风速满足什么条件人会感觉顺风、无风或逆风?这些问题在高一的物理学习中都是难点,在初中究竟有没有必要出现,值得商榷．

其实由于猜测中考的命题点而将难度很大、综合程度很高的题目,放在学生概念形成阶段来处理,表面上看是为了满足社会选拔人才的需求,但是由于没有遵从学生的认知规律,为学生认知发展设置了人为障碍,反而影响了学生正确运动观的形成．

4 关注学生“物理观念”发展的阶段性,防止画蛇添足或节外生枝

学生运动观的形成是一个潜移默化、逐步积累的过程,初中阶段对学生的要求,就是通过大量实例定性了解运动的绝对性和运动的相对性．不经过深思熟虑,随意超越阶段性,会导致画蛇添足或节外生枝,甚至会出现科学性错误．

再如在讲述“运动与静止”的教学片段,有多位选手选择了“睁眼”与“闭眼”的活动．即让一位选手睁眼,另一位选手闭眼,同时教师向前走两步,再退回原位,问学生:“教师是否运动了”．睁眼的学生说“动了”,闭眼的学生说“没动”．这个活动的教学意图究竟是什么?如果是要强调“选择不同的参照物对同一物体运动的描述可能不同”,那这两个学生选择的参照物均为地面(或相对地面静止的物体),答案应该相同．如果是要强调运动定义是针对“过程”而言,那睁眼的学生观察的是整个过程,描述的物理量是路程;而闭眼的学生观察的是过程的始末状态,描述的物理量是位移．闭眼的学生不仅没有错误,还能与高中学习的位移、速度等矢量概念强调过程的始末状态衔接．笔者认为:位置变化必然是一个过程,根本没有必要去强调“过程”这两个字,而且由于对本活动处理不慎,会为学生进一步学习造成前概念错误,建议取消为好．

基于“物理观念”的课堂教学设计过程,是我们再学习、再思考并且再提高的过程,注重以上4个环节,有利于“物理观念”的教学目标得以实现、教学过程既精彩又有顿挫波折、价值判断符合诸方面和谐发展需求,从而进一步提升学生的核心素养,提高物理课堂教学的质量．