培养核心素养的弹力教学设计之哲学探析

陈东晓，陈爱文

（1.丽水市教育教学研究院，浙江丽水323000；2.缙云中学，浙江缙云321400）

物理学是在实验与思辨的基础上发展起来的关于物质结构、相互作用以及运动规律的自然科学，物理学萌芽于最早的自然哲学，并于19 世纪逐渐从哲学中分离出来成为一门独立的学科。物理学的本源蕴含着丰富的哲学思想。哲学思想是关于自然、世界、人类行为等的思考。物理学科的核心素养必定有其哲学认识论的内涵。培养高中生的物理学科核心素养定当要有哲学思考，在教学的全过程理应以物理观念来统领物理概念、物理规律的精准教学，结合概念的建构与规律的探究，促使学生形成辩证的科学哲学观[1]。

重力与弹力是人教2019 版《高中物理》必修1 第3 章《相互作用:力》第1 节的内容。相互作用是高中物理的一个非常重要的观念，弹力的学习是学生形成相互作用观念的基础。弹力的教学内容是精彩纷呈的宇宙万物与神奇美妙的科学规律的具体体现，其中的物理观念、科学思维等核心素养蕴含着极其丰富的哲学思想[2]。在课堂教学过程中发现这些深层的规律，引导学生从哲学的境界去领悟科学思维，课堂内让学生亲身体验哲学思辨，从而培养学生物理学科的核心素养，使教学达到一定的哲学高度[3]。以下就高中物理弹力教学中几个具体环节的设计对培养学生核心素养的哲学思考进行较系统的探析。

1 刚柔相济的形变，塑多样性的物质观

由教学内容分析，物体的形变可从两个角度来分类。一是从形变的能否恢复来分，可以恢复原状的称为弹性形变，不能恢复原状的称为非弹性形变。二是从形变的大小来分，形变大的称为明显形变，形变小的称为微小形变。

为让学生系统地了解形变的种类，特设计了如下的3 个教学情境。首先是展示弹性形变，演示弹性球的形变恢复过程。将一弹性特别好的小球摔在光滑的瓷砖上（球要软，具有弹性，表面要干净），通过观察弹性球的形变及其恢复过程（如图1 所示），让学生感知弹性形变的特征。引导学生领悟这类物体的特点是有“韧”性，即受力时形状改变，外力撤去后又恢复到原状。物体总是能“记住”自己原来的样子，即“不忘初心”是弹性形变的特征。其次是展示非弹性形变，利用视频播放陶坯的制作过程。陶泥在制成陶坯的过程中，要经历打坯塑形环节。通过观察制坯塑形，让学生认识陶泥类物体具有“可塑性”。物体的形状可根据外界的施力而改变，即“顺势而为”是非弹性形变的特征。最后是展示物体的微小形变，演示教材设计的实验，利用转换与放大的科学方法来观察桌面在受力时发生的微小形变[4]。通过观察该演示实验，引导学生领会看似坚硬的物体在受力时也会发生形变。坚固的物体，看似冰冷坚硬，实则“刚中有柔”，这正是微小形变的特征。

图1 弹性球的形变恢复过程

上述3 个教学情境设计蕴含着丰富的哲学内涵。柔软的弹性物体看似软弱，但外力撤去后能恢复原状，“不忘初心”，柔中带刚；“可塑”是非弹性形变的特点，根据外界施力的改变“顺势而为”；坚硬物体的微小形变是“刚中有柔”。由不同物质组成的物体在受力时所展现出的性质各异，是哲学中的多样性的具体表现；物体受力改变形状的共同特征，又是物质多样性的统一。这反映了哲学中的多样性与统一性的辩证思想。因此，明显与微小弹性形变具有“刚柔相济”多样性与统一性，可帮助学生建立起丰富的物质观念；弹性形变与非弹性形变的“弹性”与“可塑性”在不同的时候发挥着它们特有的作用，性质多样的物质使我们的生活与身边的世界丰富多彩。与此相对应的具体教学内容与哲学思考详见表1。

表1 形变种类及其中的哲学思考

2 相互作用的弹力，塑对称性的相互作用观

从弹力与形变的关系分析，物体受到外力作用时会发生形变，形变的物体会对与其接触的物体产生弹力作用。对某个弹力而言，是因某个形变而产生的；对某个形变而言，是因其受到力的作用而产生的。弹力与形变之间的关系，是互为因果的关系，并无先后之分。对刚学习相互作用的高一学生来说，这还是一个比较复杂的问题，要学生真正理解并掌握弹力的相互作用观，教师应当创设真实的教学情境，设置有效的问题链，引导学生深入地去探究和剖析。

为帮助学生建立起相互作用的物理观念，特创设一个真实的物理情境。将一只装满水的厚皮球放置在塑料直尺上，直尺与皮球都发生了明显的形变，如图2 所示。然后就利用该真实情境设置5 个问题闭环来引导、点拨学生作深层次思考。问题1：展示图2a，直尺发生形变是因受到了什么力的作用？问题2：展示图2b，形变的直尺要恢复原来的形状，对限制它的皮球会不会产生弹力的作用？若是会，则此弹力的方向如何？问题3：直尺对皮球有一个弹力的作用，该弹力产生的作用效果是什么？问题4：展示图2c，受到弹力作用的皮球发生形变，皮球要恢复原来的形状，为此对限制它的直尺会不会产生弹力的作用？问题5：图2c 所示的两个弹力是否有先后顺序关系？在教学过程中如此设置问题的思维逻辑关系为:皮球发生弹性形变产生一个弹力F1，在F1的作用下直尺发生形变，形变的直尺便产生弹力F2，在F2的作用下皮球发生形变，这4 个关系就构成了一个闭环，反映了弹力的对称性及形变与弹力互为因果的关系。

图2 皮球与直尺系统的受力模型演示

上述4 个逻辑关系闭环设计蕴含着以下哲学思考。皮球的形变←→皮球对直尺的弹力，直尺的形变←→直尺对皮球的弹力，形变与弹力构成互为因果的关系。因互为因果关系，故在两物体的接触面上，形变与弹力都是成对出现的，弹力相互对称地分别作用在两个物体上，相互作用的弹力是哲学中对称性的具体体现。弹力与形变的先后顺序关系，类似于“鸡生蛋与蛋生鸡”的哲学思辨。对某只鸡来说肯定是某只蛋孵化出来的，但若将鸡与蛋的概念放在自然演化的漫漫长河里，鸡与蛋是同时进化而来。弹力与形变这两者并无先后之分，为互为因果关系。与其相呼应的具体教学内容与哲学思考详见表2。

表2 弹力与形变之间关系与哲学思考

3 稳定和谐的平衡，塑运动与相互作用观

弹力的大小与物体的形变有关，但不易建立弹力的大小与物体的形变之间的定量关系，此时可通过物体的状态来判断弹力的大小及有无[6]。当物体处于静止或匀速直线运动状态时，若为二力平衡，则可以根据二力平衡的条件来计算弹力的大小。依据二力平衡规律求弹力的大小是培养运动与相互作用观念的重要途径。

通过探究下面3 个实例，让学生强化根据二力平衡求弹力的方法，培养学生运动与相互作用的观念。例题1：如图3a 所示，木块通过轻绳静止悬挂于天花板上，木块的重力大小为10 N，求轻绳对木块的拉力F1的大小。例题2：如图3b 所示，质量为2.5 kg 的A物体放置在水平桌面上保持静止，求桌面对A物体的支持力F1的大小。例题3：如图3c 所示，容器底面水平、侧面竖直，A、B两只钢球的质量均为0.1 kg，分别静止于容器底部的左右两侧，求容器底部和左侧面分别对A钢球的作用力大小，并画出A钢球所受力的图示。

图3 根据二力平衡求弹力的实物情境模型

根据二力平衡求弹力是重要的运动与相互作用的物理观念，其蕴含着自然和谐的哲学思想。根据物体所处的状态，结合对其受力情况进行分析，这是探究和解决物理问题的重要方法，运动与相互作用的观念是物理学科核心素养的关键要素。平衡是物质运动的基本形态之一，反映了运动的一般规律，根据二力平衡求弹力，是此观念下的一种重要方法。平衡是物理中常见的一种稳定状态，根据二力平衡求解弹力大小与判定其方向的方法是哲学中平衡思想在力学中的具体体现。与之相适应的具体教学内容、核心素养与哲学思考详见表3。

表3 根据二力平衡求弹力的核心素养与哲学思考

4 大道至简的定律，塑模型建构能力

一般来说，施于物体的作用力越大，其形变量就越大，弹簧也是如此。利用这种正相关性，引导学生通过实验来探究弹簧的弹力大小与其伸长量或压缩量间的定量关系，建构胡克定律的物理模型。

为培养学生建构物理模型的科学思维能力，通过设计实验探究弹簧的弹力大小与其形变量间的定量关系，让学生亲身经历实验方案的设计、数据收集、数据处理，利用表格、图像等方法分析数据，总结实验规律，形成清晰的物理模型[7]。先是让学生感知弹簧的形变越大弹力就越大，分别测量弹簧的弹力大小及其对应的弹簧长度，力图通过分析这两组实验数据来直接创建弹簧的弹力大小与弹簧长度间明晰的定量关系，但这是“由简到繁”的数据分析法，问题的处理和解决相对复杂，在通常情况下学生是难以达成教学目标的；接着再让学生尝试由图像分析法得出较简单的线性关系进而转换成正比的简洁明晰关系，这是“由繁入简”的数据分析法；最终结合弹簧拉伸或压缩对应方向的伸长量或压缩量（称为形变量x）形成胡克定律的至简关系：F=kx（适用范围：在弹性限度内）。

利用胡克定律模型建构培养学生的物理学科核心素养蕴含着大道至简的自然哲学观。人们都相信宇宙万物所遵循的规律是简洁的，越是基本规律越简洁。胡克定律的简洁性是大道至简哲学思想的具体体现。透过纷繁复杂的自然现象，其本质规律往往是非常简洁的，越是高度统一的规律越为简洁，这就是大道至简观念在自然科学中的真实写照。围绕胡克定律的具体教学内容、核心素养与哲学思考详见表4。

表4 胡克定律模型建构的核心素养与哲学思考

综上所述，高中物理学科的核心素养的很多关键要素实质上是哲学观念的具体体现，因此，从哲学高度审视弹力的教学内容，有利于精准设计并有效落实更具深度培养学生核心素养的教学策略。教师借“刚柔相济”的形变多样性之美，培养学生多样性的物质观念，是多样性与统一性辩证思想在核心素养中的具体体现；借弹力与形变的互为因果对称之美，培养学生的相互作用观念，是相互依存的矛盾辩证观与“宇称守恒”思想在核心素养中的具体体现；借二力平衡求弹力的稳定和谐之美，培养学生的运动与相互作用观念，是协调、适应、平衡的自然和谐观在核心素养中的具体体现；借胡克定律的大道至简之美，培养学生的模型建构素养，是由表及里、由现象到本质的至简哲学思想在核心素养中的具体体现。

致谢：本文在完成过程中得到了丽水市“绿谷名教师”培养工程理论导师任清褒教授的精心指导，特此致谢！