学生“物理观念”形成导向的教学设计

任浩源　李卫东

摘 要：物理观念的形成水平十分影响学生解释自然现象和解决实际问题的能力，无论是从实现教育目的的角度，还是从达到教学效果的角度考虑，教师都应在物理教学设计的过程中有意地促进学生物理观念的形成，让学生在建构知识的过程中形成相应的物理观念，从而提高学生的物理核心素养。

关键词：物理观念;教学设计;核心素养

作者简介：任浩源（1998—），男，延安大学，硕士研究生在读。

李卫东（1957—），男，延安大学，教授。

一、问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中提出了物理核心素养的概念，主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。其中，“物理观念”是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[1]。这要求学生在学习物理知识的过程中要明确知识内部的逻辑结构，并在运用物理知识解决实际问题时体会知识所蕴含的实用价值，从而形成正确的物理观念。

有部分学生学习物理知识后虽然可以复述定理定律，默写物理公式，但在解决实际物理问题时却没有思路，一看答案就会，教师一讲就会，但换一个题设或者改变一种问法就找不到解答方向。这种现象产生的主要原因是学生只是初步认识了物理知识，没有形成物理观念或者物理观念不强。

不同学生的物理观念也不完全相同，不同学生形成物理观念的水平也不完全一致。这就要求物理教师在做教学设计时要制订提升物理观念的教学目标，在教学的过程中充分利用物理学史，注重方法引领，从而促进学生物理观念的形成[2]。

二、学生“物理观念”形成导向的教学设计

学生物理观念的形成和发展只有通过其对物理概念、物理规律等内容的学习和应用才能逐步完成。学生在对物理概念和规律的学习过程中会不断地反思和迁移，在脑海中逐渐形成自己的观念框架，并随着物理知识的完整性的逐渐增强，再由一个个子观念构成物质、运动与相互作用、能量三个大的物理观念。随着学生物理观念水平的发展，其解释自然现象和解决实际问题的能力也会逐步提升。

以学生物理观念的形成为目标的教学设计必须能够指导学生在学习过程中理解和应用物理概念和物理规律。教师在教学设计的内容上应注重以下几个方面，首先是课堂的导入环节，教师要注重物理环境的创设，可以利用实验现象的呈现或者原始物理问题的提出，将学生的思考方向逐步引导到课程内容上;其次是要注重激发学生的探究欲望，教师可以在提出问题或假设后激励学生自主设计实验，或自主进行推理演绎，使学生在试错和纠错的一系列过程中体会科学思维的发展过程;最后是要注重对科学探究的结果进行应用，最直接的应用方法是解决导入新课时提出的问题或解释导入实验呈现的现象，也可以通过新设问题的解决来应用物理知识，但应注意的是教师所创设的问题要有相应的情境，最好是学生在生活中能够见到、听到或熟知的场景，这样的情境应用有助于学生形成相应的物理观念。

笔者以人教版高中物理必修1第四章第一节中的“牛顿第一定律”的教学为例，结合学生“物理观念”的形成需求进行教学设计。

（一）教材及学情分析

牛顿第一定律是联系运动学和力学的纽带，也是学习动力学知识的基础，在整个经典力学知识体系中占有重要地位。高中物理教材要求学生领悟理想实验的思想方法，通过对惯性的学习进一步认识质量[3]。通过初中物理的学习，学生了解了牛顿第一定律的内容，并能用惯性知识解释一些相关现象。然而，学生对牛顿第一定律的建立过程和适用范围并不十分清楚，这是学生在高中再一次学习牛顿第一定律需要解决的问题。

（二）教学目标设计

1.教师通过对牛顿第一定律的分析，让学生了解惯性的内涵，并能够用牛顿第一定律来解释相关的物理现象，形成一定的运动与相互作用观念基础。

2.教师通过对伽利略理想斜面实验的研究，让学生了解实验+推理的科学思维方法，培养学生科学推理的思维能力。

3.教师通过设计实验探究影响惯性大小的因素，培养学生设计、操作实验的科学探究能力。

4.學生通过对牛顿第一定律适用范围的学习，明白科学是可证伪的，科学的理论都是在不断发展和完善的，并形成不懈追求真理的科学态度与责任。

（三）教学主要过程设计

【教师活动1】教师将一个乒乓球与另一个等大的实心金属球静止放在水平桌面上，请三位学生依次用力吹两个小球，看乒乓球和金属球哪个更容易吹动，其用一个小实验导入新课“牛顿第一定律”。

【细节把控】两球的体积应尽可能相等，并且桌面要用水平仪找平，从而减小实验的误差。

【学生活动1】三位学生用力分别吹两个小球，发现乒乓球容易吹动，金属球难以吹动，全体学生观察现象并尝试分析原因。

【设计意图】学生亲身参与新课导入实验，感受改变不同质量的物体运动状态的难易程度，获取直接经验，为物理观念的形成奠定基础。

【教师活动2】教师带领学生阅读课本内容，并解释亚里士多德在研究物体运动原因的过程中坚持的观点：力是维持物体运动状态的原因。

【细节把控】力的概念是牛顿建立的，在亚里士多德或者伽利略时期并没有将所有相互作用的概念抽象成“力”，课本里这样表述是为了方便理解。这一点教师有必要给学生讲清楚。

【学生活动2】学生通过课本和教师的讲解，对亚里士多德所持观点的合理性进行判断，各抒己见，踊跃发言。

【设计意图】教师引导学生经历当年科学家在理论探索过程中的思想碰撞，了解牛顿第一定律建立之前人类对物体运动原因的认识。

【教师活动3】教师演示如图1所示的实验，使一个小球从斜面的某一高度由静止开始下滑至平面，并在平面上继续滚动直至停止。教师通过改变平面的粗糙程度进行多次实验，例如在平面铺上粗布、用木板做平面、用玻璃做平面等。比较小球在不同粗糙程度的平面上滚动的距离远近，并让学生尝试分析为什么小球在不同平面上运动的距离不同。

【细节把控】平面要用水平仪找平，且每次实验都要保证小球在斜面的同一高度由静止释放，从而使小球具有固定的初速度。为了使实验现象有明显对比，平面应在条件允许的情况下尽可能足够长。

【学生活动3】学生观察实验现象并得出结论：平面越光滑，小球的移动距离就越远，这可能是不同的摩擦力大小造成的。

【设计意图】教师使用控制变量法进行实验，引导学生将该实验现象归因于摩擦阻力，为进一步提出假设做好铺垫。

【教师活动4】教师基于“平面越光滑小球运动距离越远”这一结论提出问题：如果平面完全光滑，没有摩擦阻力，小球的运动情况将会怎样？

随后，教师介绍伽利略的假设和理想实验。伽利略得出的结论是：如果没有摩擦阻力，小球将永远运动下去。并设计了一个理想的实验来证明，如图2所示。教师让一个小球从静止状态沿着一个斜面向下滑动，小球就会冲向另一个斜面，如果没有摩擦力，小球就会上升到原来的高度。接着教师减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍然会达到相同的高度，但此时小球会运动得更远。教师继续减小第二个斜面的倾角，当球达到相同高度时，小球会运动得更远。

基于以上实验，教师再次提问：若将第二个斜面放平，小球的运动情况将会怎样？

【细节把控】教师要强调理想实验的科学性和重要性，我们既不能完全消除摩擦阻力，又不能把第二个斜面做到无限长，所以伽利略的实验是个理想实验。但理想实验也是建立在真实的实验事实之上的，是经过科学推理的，并不是完全的主观猜想。

【学生活动4】学生根据教师的提问进行思考，如果没有摩擦阻力，小球从第一个斜面滑下后应该会在第二个斜面冲到和初始状态一样的高度。如果改变第二个斜面的倾斜度，直到斜面变平，小球将永远无法达到其原始高度，于是小球将会一直运动下去而不需要力的作用，所以亚里士多德的观点是错误的，力不是维持物体运动状态的原因。

【设计意图】教师利用提问巧妙地引导学生的思路，通过再现伽利略的理想斜面实验，使学生经过思考后自觉否定错误的观点，形成正确的物理观念。

【教师活动5】教师阐明笛卡儿的观点：如果运动的物体不受外力的影响，它将继续以相同的速度沿着同一条直线运动，不会停止或偏离原始方向。

教师介绍牛顿第一定律的内容：牛顿在伽利略和笛卡儿的研究基础上进行了研究和总结，并在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中提出了三条运动定律。其中，第一条定律是：所有物体始终保持匀速直线运动或静止状态，除非作用在其上面的力迫使其改变这种状态。我们称物体保持匀速直线运动或静止状态的性质为惯性。

【细节把控】教师要注意对学生进行正确引导：尽管亚里士多德最终没能得出正确的结论，但可贵的是他提出了研究物体运动与受力关系的想法，这给之后的科学家们指明了研究的方向，从这一角度来看亚里士多德也有值得肯定的地方。

【学生活动5】学习牛顿第一定律的建立过程后，学生明白了一个科学的一般定律的形成是通过人们不断的探索和研究得来的。

【设计意图】教师通过讲述伽利略的理想实验得出正确的結论，再结合笛卡儿的进一步修正，最终由牛顿总结出惯性定律的过程，将人类科学发展进步的艰难历程呈现给学生，从而培养学生敢于试错和不懈努力的科学态度与责任感。

【教师活动6】教师帮助学生深入理解牛顿第一定律。“所有物体”说明这一定律具有普适性;“除非”说明作用力是改变物体运动状态的原因;也可以把物体的惯性大小理解为改变物体运动状态的难易程度;自然界中不存在完全不受外力作用的物体，但是当物体所受的合外力为零时，也会保持匀速直线运动或静止的状态。

随后，教师引导学生设计一个小实验以探究影响物体惯性大小的因素。

【细节把控】在学生设计实验的过程中，为了节约课堂时间，教师可以适当地给出几个相关因素，例如物体的质量、体积、受力情况等，引导学生用控制变量法设计实验。

【学生活动6】学生设计实验探究影响物体惯性大小的因素，在教师的帮助下，最终得出结论：物体的质量是决定物体惯性大小的唯一因素。

【设计意图】学生在初中阶段学习的“质量”是物体所含物质的多少，通过这节课的学习，学生进一步认识了质量是物体惯性大小的唯一量度。

【教师活动7】教师回顾课堂的导入实验并提问为什么金属球比乒乓球更难吹动？然后对牛顿第一定律进行适当的情境应用。例如，有关数据显示，行驶速度为100km/h的轿车紧急刹车直至速度为0所需的制动距离约为35m，而行驶速度同样为100km/h的火车，其制动距离大约需要1000m，改变的速度大小相同，所需的制动距离却相差甚远，请学生尝试利用牛顿第一定律的内容解释说明。最后，教师进行课堂小结。

【设计意图】学生要形成物理观念，必须学会从物理学视角解释自然现象和解决实际问题，所以在进行新课教学后，教师要适时创设相应的实际情境来应用当堂的物理知识。

三、总结

学生物理观念的形成是一个漫长的过程，需要教师通过每一节物理课的有意设计来推进。教师通过创设物理情境、提出物理问题、再现建立过程、充分应用实际情境加深印象等手段，使学生在学习物理课程的过程中不仅能理解和掌握物理知识，更能将物理知识灵活应用到实际情境中以解释现象和解决问题。但不同的学生由于具有差异性，其通过学习物理课程形成的物理观念水平不同，这就需要物理教师及时做好形成性评价，从而对物理教学设计进行不断改进，力求全体学生形成较高水平的物理观念。

[参考文献]

中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

陈启添.关注物理观念 培育核心素养[J].湖南中学物理，2020（11）：19-20.

人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理 1 必修[M].北京：人民教育出版社，2010.