重视概念教学 着眼学生发展①——以“力 弹力”教学为例

樊海霞

(南京师范大学附属中学树人学校,江苏 南京 210011)

物理概念是客观事物关于物理的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映。重视概念教学,是着眼于发展学生的核心素养、促进物理观念形成的重要体现。“力 弹力”是苏科版初中物理教材第八章第一节的内容,学生对力和弹力的概念比较陌生,而对按照弹力效果命名的支持力、压力和拉力等倒是耳熟能详,因此或多或少存在错误的前概念,如“只有肌肉紧张才能产生力的作用”“一个物体也可以产生力的作用”等。正确的前概念对物理学习有促进作用,错误的前概念则需要师生共同努力才能转变。如果这些错误的前概念不被暴露和转变,则很难消除,即使在作业和考试中被纠正,也很容易形成反复。

因此,本节课教学的难点在于既要帮助学生建立对于力和弹力的正确认识,又要帮助学生暴露错误的前概念,并通过有效的教学加以转变。

教育重演论指出:学习者学习科学的过程与人类研究科学的过程存在一定的相似性,可以说是对人类研究过程的“重演”。所以本节课的教学设计采用“重演”的方式,让学生经历概念的自主建构过程。

1 从生活走向物理,体验概念建构

1.1 创设情境,获得感知

教师播放行星绕日运动视频,提出问题串。

问题1:你认为是什么使得这些行星一直有序地绕日旋转?

生:力。

师:对,力左右着宇宙万物的运动,它是联系万物的纽带。

问题2:这里有一个气球,你有哪些方法可以对气球施加力的作用?

问题3:刚才大家所用的方法,都是通过自己肌肉紧张的方式来产生力,是不是只有人才能产生力的作用呢?请举例说明。

设计意图:从学生熟悉的情境入手,获得对于力的初步感知。问题3则是从学生错误的前概念出发,引起学生的思考,通过列举丰富的事例,揭示并纠正错误认知,初步建构力的概念。

1.2 通过思维加工,形成力的定义

问题1:图1中左边的物体与右边的物体的角色有什么不同?

图1

问题2:如何给力下定义?

问题3:你能尝试只用一只手掌发出声音吗?说明什么?

问题4:两个不接触的物体之间可以产生力的作用吗?请举例说明。

设计意图:通过问题1的驱动,学生用对比、归纳的方法对力的概念进行自主建构;再通过问题2,利用学生的互评,逐步完善力的概念的建构。问题3的起点是学生的错误前概念,学生常常能列举出很多单个物体可以产生力的例子,如“放气的气球”“单手紧紧握拳”等。针对学生暴露出的这些问题,引发学生的思考和讨论,形成“力的产生离不开两个物体”的认识。

2 从感性走向理性,理解概念

2.1 归纳演绎,认识弹力

问题1:相互接触的物体之间一定有力的作用吗?相互接触的物体之间怎样才能产生类似推、压、拉的作用力呢?

师:物体形状的改变叫作形变。有一些物体发生形变后,撤去外力后能恢复原状,这样的形变叫作弹性形变。请你试一试,哪些物体受到力的作用时发生的是弹性形变?

问题2:当用手压气球,或者手拉弹簧时,除了能观察到气球和弹簧的形变外,你的手有怎样的感受?

师:大量事实说明,物体发生弹性形变后,力图恢复原状,会对另外一个物体产生力的作用,这个力叫作弹力。你还能列举出其他物体之间有弹力的例子吗?

问题3:老师这里还有一个玻璃瓶(学生敲一敲,感受玻璃的硬度),当我们捏瓶身时,你认为瓶与手之间有弹力吗?

师:我们来看一个实验(图2),观察是否有形变发生。这种实验方法以前在哪里用到过?

图2

生:转化放大法,在探究声音的产生时曾经用过。

师:你与你所坐的板凳之间有弹力作用吗?

师:生活中的推、拉、提、举、压、支持力等,都属于弹力。

设计意图:问题1和问题2建立在力的概念基础上,搭建贴近学生最近发展区的思维台阶,引导学生自主建构弹力概念,认识弹力产生的条件。问题3利用猜想和实验现象之间的冲突,帮助学生认识微小形变和弹力的对应关系,将生活中学生熟悉的推、拉、提、举、压、支持力等与弹力联系起来,帮助学生建构弹力概念。

2.2 实验探究,深度理解

问题1:发生弹性形变的物体,它的形变量与所施加的外力大小有怎样的关系?请说说你的猜想和依据。

师:要探究这个问题,首先我们要知道力的大小如何度量。物理学中,力的单位是牛,符号为N。一个钩码对弹簧的拉力约为0.5 N,两个钩码对弹簧的拉力约为1 N。

教师将木板竖直固定在铁架台上,在木板上贴上白纸,画好轴线,木板上端钉一枚钉子,用于挂弹簧,请一组同学上台演示。

问题2:将弹簧作为受力物体,在下方逐渐增加钩码数量,在标记好的中轴线上记录指针的起始位置和每次位置的变化:0 N、0.5 N、1 N、1.5 N……用刻度尺量一量每次变化的距离,通过实验,你有什么发现?

生:弹簧伸长量与所受外力成正比。

师:老师还用同样的钩码做了两组实验,请观看实验视频(一组数据全部在弹簧弹性限度内,另一组则包含超出弹簧弹性限度的数据),对比两组实验结果(图3),你还有什么发现?实验结论应该做怎样的修正?

图3

生:在弹性限度内,弹簧伸长量与所受外力成正比。

设计意图:设计问题串,引导学生探究,记录、处理数据,得到弹簧的形变量与所受外力之间的定量关系。同时,这部分数据收集的过程也服务于后面自制弹簧测力计的教学,既能充分利用实验数据,又能节省课堂时间。通过教师的演示实验,引导学生修正和完善实验结论。

在物理概念教学中,学生运用自主探究、建构的方式学习,改变过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状,有助于学生养成主动参与、乐于探究、勤于动手的习惯,有助于培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流合作的能力,提高学生的核心素养。

3 从原理走向应用,深化概念理解

3.1 联系实际,解决问题

问题:将你的笔袋挂在刚刚做实验的弹簧下端,根据之前所做的标记,能试着读出笔袋对弹簧的拉力是多大吗?

师:刚才探究弹簧形变量与外力的关系的标记过程可以看作是简易测力计的制作过程。你能说说它的量程和分度值是多少吗?如果我们是弹簧测力计的生产商,你认为它还有哪些不足?怎样改进?

3.2 对照弹簧测力计,理解测力原理

问题1:你手边有一个弹簧测力计,能不能说出它的量程和分度值?请自学课本中的“信息快递”,再用它测一测两只钩码对弹簧测力计的拉力,然后与利用自制测力计的测量结果进行比较,两者是否一致?

问题2:使用弹簧测力计时需要注意什么?

设计意图:通过问题串引领,学生从粗测笔袋对弹簧拉力,过渡到对自制弹簧测力计的重新认识和改进,再将自制的弹簧测力计与弹簧测力计进行对比,便于学生了解弹簧测力计的量程、分度值和使用方法,使学生探索新知的思维过程更加精细。

在课堂上教师精心设计的“小实验”和“小制作”,可以使学生体会到通过自己的实践,能更透彻地理解知识。同时,在实验和制作中学生总会提出不同于课本的新观点和新做法,学生潜在的创新意识也因此被激发了。在教学中长期坚持这种做法,学生的创新能力可获得较大提升。

4 从物理走向社会,架构概念网络

问题1:如果需要制作量程更大的测力计,应选用什么弹簧?如果需要制作分度值更小的测力计,应选用什么弹簧?

问题2:弹簧测力计是利用弹力来工作的测量工具,你还能列举出生活中利用弹力工作的物品吗?

生:撑杆、跳板、弓箭、蹦床等。

问题3:有什么办法可以测量出一根头发能够承受的拉力的大小?

设计意图:将所学知识加以应用,紧贴所学概念进行基础性练习设计,题目情境源自课堂实验,在问题串的设置上注重体验和创新能力的培养。

5 结语

美国心理学家加涅认为:人类的学习是复杂多样的,是多层次的,总是由简单的低级学习向复杂的高级学习发展,构成依次递进的层次与水平。概念的建立,不要急于一步到位,而是要遵循学生的认知规律。重视物理概念教学,关注学生的前概念,引导学生自主建构概念,帮助学生逐渐明白:为什么要建立这个物理概念?这个物理概念的内涵是什么?在生产、生活中有什么应用?促进学生在物理学习中逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。