周長春

摘 要：根據(jù)《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要》，物理課程應(yīng)為學(xué)生今后生活和工作作準(zhǔn)備。從“科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)應(yīng)用”4個方面，使學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的品格與關(guān)鍵能力，形成核心素養(yǎng)。筆者以“超重和失重”為例，分析了課標(biāo)的要求、不同版本對課標(biāo)的處理和學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的典型錯誤認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上，著重論述如何基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向處理教材，最后分析超重和失重的本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；導(dǎo)向；教學(xué)案例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）5-0028-4

高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，以提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展作為主要目標(biāo)，《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要（2006—2010—2020年）》將科學(xué)素養(yǎng)概括為“了解必要的科學(xué)技術(shù)知識，掌握基本的科學(xué)方法，樹立科學(xué)思想，崇尚科學(xué)精神，并具有一定的應(yīng)用它們處理實際問題、參與公共事務(wù)的能力。”物理課程作為一門自然科學(xué)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生方面的價值體現(xiàn)在從科學(xué)知識、科學(xué)方法、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)應(yīng)用4個方面為學(xué)生今后的生活和工作作準(zhǔn)備，使學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力，形成學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中“相互作用與運動規(guī)律”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)：“……理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生活中的有關(guān)問題。通過實驗認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象?！薄跋嗷プ饔门c運動規(guī)律”的課堂活動建議：“通過各種活動，例如乘坐電梯、到游樂場乘坐過山車等，了解和體驗失重與超重。”

“通過實驗認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象”中的“認(rèn)識”介于“了解”與“理解”之間?！傲私狻钡暮x包括“再認(rèn)或回憶知識，識別、辨認(rèn)事實或證據(jù)，舉出例子，描述對象的基本特征”；“理解”的含義包括“把握內(nèi)在邏輯聯(lián)系，與已有知識建立聯(lián)系，進(jìn)行解釋、推斷、區(qū)分、擴(kuò)展，提供證據(jù)，收集、整理信息等?！倍J(rèn)識超重和失重，是通過“實驗”或“活動”來感受、體驗超重是物體對支持面的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，失重是物體對支持面的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象，超重現(xiàn)象和失重現(xiàn)象是視重相對真重而言，認(rèn)識到物體處于超重和失重狀態(tài)時，物體受到的重力并沒有發(fā)生變化。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)中的錯誤認(rèn)識

學(xué)生學(xué)習(xí)超重和失重時，存在兩個最常見的錯誤認(rèn)識，一是認(rèn)為超重是重力增加、失重是重力減少；二是認(rèn)為加速度方向向下，一定失重。因此，超重和失重概念始終是物理課堂學(xué)習(xí)中的一大難點。造成這一困難的原因有3個方面：一是受“超”和“失”兩個字的前概念誤導(dǎo)，使學(xué)生認(rèn)為超重和失重就是物理重量的增加和減少；二是課本中安排的實驗太少，學(xué)生缺少對超重和失重現(xiàn)象，特別是對完全失重現(xiàn)象的體驗和感性認(rèn)識，學(xué)生從形象思維過渡到抽象思維的坡度太大；三是課本編排的內(nèi)容有誤導(dǎo)學(xué)生之嫌疑和教師對教材教學(xué)研究的力度不夠。

3 不同版本對課標(biāo)的處理

粵教版將“超重和失重”作為一級主題，下設(shè)“超重和失重、超重和失重的解釋、完全失重現(xiàn)象”。素材有：用“人站在體重計上蹲下或站起的過程中，體重計的讀數(shù)有何變化”編制的“觀察與思考”欄目和“電梯靜止或做勻速運動、電梯向上做勻加速運動、電梯向下做加速運動”配合解釋超重和失重的3幅插圖。課本在編排新課內(nèi)容時，采用先后對比和對稱編排超重和失重，沒有編排超重和失重實驗。體驗掛在彈簧秤下的被測物體完全失重的“實驗與探究”欄目編排在新課的后面。課本雖揭示了教學(xué)內(nèi)容所隱含的社會文化價值，但所描述的情景與實際并不完全相符，如：電梯可能超重，應(yīng)在啟動前發(fā)出報警，若啟動后再發(fā)出報警，已起不到安全的作用了。

人教版將“超重和失重”作為“用牛頓運動定律解決問題（二）”中的一個二級主題，在用例題來描述超重情境的基礎(chǔ)上，定義什么是超重現(xiàn)象；素材有“人隨電梯加速上升時，電梯啟動”“制動時，體重計的讀數(shù)怎樣變化？”和“人站在體重計上下蹲、起立，也能看到超重和失重現(xiàn)象”兩幅插圖，課本重點是編排超重現(xiàn)象。這樣編排形式類似于習(xí)題課后的拓展課，與課標(biāo)“通過實驗”的要求不適切，沒有凸顯“通過實驗認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象”的要求。

滬科教版將“超重與失重”作為一級主題，下設(shè)“與航天員的對話”“什么是超重和失重”兩個二級主題。編排了用手掌托一疊較重的書突然豎直上升或下降體驗超重和失重實驗和觀察測力計示數(shù)變化的實驗探究。對超重和失重采用并列、對稱方式編排，從加速度的方向切入，同步對比，若加速度方向向上，分析超重現(xiàn)象；若加速度方向向下，分析失重現(xiàn)象。這樣編排雖便于課后閱讀，但不利于學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)，特別是不利于培養(yǎng)學(xué)生自主探究失重現(xiàn)象。

筆者認(rèn)為，粵教版和滬科教版較好地凸顯了通過實驗認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象的要求，在處理超重與失重內(nèi)容上，人教版較好地凸顯了教師引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的要求。但3個版本在處理超重和失重產(chǎn)生的條件上，均將加速度方向向下作為失重的原因、加速度方向向上作為超重的原因，這違背了力是產(chǎn)生加速度的原因，這與牛頓運動定律的相關(guān)內(nèi)容不適切，容易引起學(xué)生誤解。

4 基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向來處理教材

實施物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求教師深入研究物理學(xué)發(fā)展的過程，清楚其中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想和方法，創(chuàng)設(shè)鮮活、真實的學(xué)習(xí)情境，帶領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略物理學(xué)的價值，體驗物理學(xué)研究過程的科學(xué)精神，促進(jìn)他們科學(xué)素養(yǎng)的提升。

（1）指導(dǎo)學(xué)生合作完成“電梯里的超重和失重現(xiàn)象”微視頻素材的拍攝，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境。很多老師用網(wǎng)上下載的電梯中彈簧秤示數(shù)變化的視頻來導(dǎo)入新課，而筆者是提前布置學(xué)生去錄制視頻?？此埔粋€小活動，但包含了拍攝的前期準(zhǔn)備工作，如：構(gòu)思怎樣凸顯實驗效果？后期制作也讓學(xué)生合成一個連貫的視頻。通過該活動，培養(yǎng)了學(xué)生精益求精、存誠務(wù)實的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)、合作的科學(xué)精神。

（2）精心設(shè)計效果明顯且能讓學(xué)生深刻感受或體驗超重和失重的小實驗，體驗并感悟物理過程。由于超重和失重系統(tǒng)相對地面在豎直方向是加速運動或減速運動，這樣給實驗觀察造成很多不便，因此解決問題的關(guān)鍵是創(chuàng)新實驗設(shè)計。有以下幾種方案可供參考：第一種是定量觀測，將“動”轉(zhuǎn)換為“靜”，觀察工具的“眼睛”相對系統(tǒng)靜止（如：在電梯里做實驗）；第二種是定量觀測，將“動”轉(zhuǎn)換為“靜”，讓系統(tǒng)在豎直方向做勻變速運動，而將顯示“讀數(shù)”的裝置固定不動（如：借用定滑輪、動滑輪與測力計組合轉(zhuǎn)換），方便觀察超重和失重現(xiàn)象；第三種是定性觀測，設(shè)計一些能很好地定性觀察“示數(shù)”的工具（如：通過比較觀察測量工具形變、液壓計壓強(qiáng)變化、杠桿平衡情況等），凸顯超重和失重現(xiàn)象；第四種方案是設(shè)計效果明顯且便于學(xué)生直接體驗超重和失重的實驗。

實驗設(shè)計應(yīng)利用學(xué)生身邊的器材及日常生活中的物理現(xiàn)象，建構(gòu)教學(xué)素材，這樣可拉近物理與生活的距離，讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實性及增加對科學(xué)的親切感，增加學(xué)生對科學(xué)的感悟和體驗機(jī)會，激發(fā)探究興趣，促進(jìn)學(xué)生主動、積極地探索知識。

①引入新課的微型小實驗力求做到短、平、快，現(xiàn)象新、奇、特，直接指向新課。這類實驗的特點是取材易、時間短、效果好，創(chuàng)設(shè)超重和失重情景體驗，激發(fā)學(xué)生興趣。

【案例1——手托一疊捆綁的書】手托一疊捆綁的書，突然向下運動，先后感受剛開始向下運動瞬間書對手的壓力，再感受突然停止向下運動瞬間書對手的壓力。

【案例2——天平還會平衡嗎？】用較大的螺帽在量筒里的水中下降來演示失重現(xiàn)象，實驗裝置如圖1所示。實驗前首先依次提出問題串：a.燒斷懸線時，天平還會不會平衡？b.若不平衡，哪側(cè)會往上翹？

②課中學(xué)生實驗力求操作簡便、效果明顯，凸顯物理問題的本質(zhì)。

【案例3——觀察彈簧秤示數(shù)變化】在彈簧秤下端掛一鉤碼，仔細(xì)觀察彈簧秤靜止時、緩緩上升時、緩緩下降時、突然上升時、突然下降時彈簧秤示數(shù)的變化。在學(xué)生體驗的基礎(chǔ)上，再用超重和失重現(xiàn)象演示器分別演示超重、失重和完全失重現(xiàn)象。為了便于觀察，要此在系統(tǒng)上，正對盤式彈簧秤，加裝QQ攝像頭，這樣有利于學(xué)生觀察盤式彈簧秤指針的偏轉(zhuǎn)情況。

（3）引入真重和視重概念，并參照真重解讀超重和失重的涵義，領(lǐng)會超重和失重現(xiàn)象。以物理核心概念統(tǒng)領(lǐng)物理教學(xué)，可以幫助學(xué)生從紛雜的事實、概念、規(guī)律、定理、公式中跳出來，站在一個更高的位置上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求課程內(nèi)容應(yīng)該圍繞物理學(xué)核心概念進(jìn)行，教學(xué)重點應(yīng)該從講授事實轉(zhuǎn)移到使用事實，學(xué)習(xí)重點也應(yīng)該從記憶事實轉(zhuǎn)移到理解可遷移的核心概念和對更為根本的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層理解，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力。

有經(jīng)驗的教師總是能根據(jù)不同的概念，采用不同的教學(xué)模式組織教學(xué)，物理概念教學(xué)有“子概念—概念、理論—生成、實驗—探究、類比—遷移、甄別—歸納、目標(biāo)—診斷”6種模式。生成是在學(xué)生已有的基礎(chǔ)上的生成，課本中沒有引入真重（實重）和視重的概念。由于超重和失重是建立在真重和視重等“子概念”的基礎(chǔ)上，因此，學(xué)生對超重和失重概念，一直有“難于接受、理解、把握”的評價。物理概念之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們組成了一定的概念體系。從概念體系的建構(gòu)特點看，一個概念往往會成為另一個概念建構(gòu)的基礎(chǔ)，抓住概念之間的這種建構(gòu)關(guān)系，可以有效地組織教學(xué)。教學(xué)中應(yīng)牢牢抓住真重和視重等“子概念”，然后在真重和視重“子概念”的基礎(chǔ)上生成超重和失重“新概念”，才能達(dá)到掌握概念的目的。超重和失重是本節(jié)內(nèi)容的核心概念，超重和失重是針對真重而言的，超重和失重現(xiàn)象與真重存在因果關(guān)系。因此，補(bǔ)充真重和視重兩個“子概念”，尋找超重和失重的參照，完善課本中的知識結(jié)構(gòu)，才能更好地消除學(xué)生對超重和失重的一些錯誤認(rèn)識。

（4）注意實現(xiàn)從教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)超重到學(xué)生自主學(xué)失重的轉(zhuǎn)變。教學(xué)設(shè)計與教學(xué)過程除了要凸顯超重和失重與真重的因果關(guān)系外，還要凸顯超重與失重知識信息的生成關(guān)系和發(fā)展關(guān)系。由于失重后面涉及到完全失重，因此，超重和失重是教與學(xué)的重點，按“真重和視重、超重現(xiàn)象、失重現(xiàn)象和完全失重現(xiàn)象”3個主題來設(shè)計的知識結(jié)構(gòu)，既符合學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，又符合學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律。

①關(guān)于超重的教學(xué)。研究超重既涉及到隔離法、分析法等科學(xué)方法，還涉及到牛頓第二定律和牛頓第三定律等科學(xué)知識，既是牛頓運動定律應(yīng)用的范例，也是學(xué)習(xí)失重的范例。學(xué)習(xí)、分析物理問題，離不開問題情境的創(chuàng)設(shè)，因此，在分析論證階段，務(wù)必給出學(xué)生兩幅電梯中超重情境圖，使學(xué)生對要解決的問題獲得更直觀的認(rèn)識。學(xué)生為了解決問題會很自然地運用隔離法、確定研究對象，畫研究對象的受力分析圖，再依據(jù)牛頓運動定律列方程、求解。

②關(guān)于失重的教學(xué)。科學(xué)方法方面的核心素養(yǎng)表現(xiàn)為了解并掌握研究世界的基本思想和方法?？茖W(xué)應(yīng)用方面的核心素養(yǎng)表現(xiàn)為有應(yīng)用所學(xué)知識、方法解決現(xiàn)實問題的意識和能力。超重和失重現(xiàn)象在知識結(jié)構(gòu)上是并列的，教學(xué)中應(yīng)借助“失重”這個知識載體，引導(dǎo)學(xué)生將研究“超重”所應(yīng)用的方法遷移到“失重”上來，從而實現(xiàn)從教師“教”超重到學(xué)生自己“學(xué)”失重的轉(zhuǎn)變，既達(dá)到了“教是為了不教”的目的，又培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)方法、科學(xué)應(yīng)用方面的素養(yǎng)。

③培養(yǎng)不迷信課本的意識。結(jié)合如圖2所示的裝置，提出問題：系統(tǒng)的加速度方向向下，小球一定處于失重狀態(tài)嗎？引發(fā)學(xué)生根據(jù)T=mg-ma思考，逐漸弄清02g

5種情況下視重與真重的關(guān)系，從而不僅真正從意義上弄清了超重和失重現(xiàn)象的內(nèi)涵，還培養(yǎng)了學(xué)生勇于懷疑的科學(xué)精神和理性分析的科學(xué)態(tài)度。

（5）引導(dǎo)學(xué)生在超重和失重的學(xué)習(xí)中學(xué)會對比思維和對稱思維。通過教師的引導(dǎo)把學(xué)生自我探究、自我發(fā)展、自我完善的潛在力量轉(zhuǎn)化為自我生成的現(xiàn)實力量，教學(xué)是否成功主要看教師是否有效地實現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)化。超重教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生以實驗探究、比較法、隔離法、分析法為主線，將超重與真重、牛頓第二定律與牛頓第三定律串聯(lián)起來，將陌生的問題轉(zhuǎn)化為熟知的問題，使學(xué)生逐步體會其中嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，從而使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練和發(fā)展。超重和失重相對真重具有一定的對稱性，研究失重現(xiàn)象的方法和依據(jù)與研究超重現(xiàn)象是完全一樣的，因此，對于失重務(wù)必讓學(xué)生帶著問題自主學(xué)習(xí)，在自主學(xué)習(xí)失重的基礎(chǔ)上，再感受、體驗、生成、同化、內(nèi)化，發(fā)展學(xué)生的思維，提高學(xué)生的能力，實現(xiàn)生成的教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

5 關(guān)于超重和失重的本質(zhì)的思考

超重和失重現(xiàn)象是牛頓第二定律的重要內(nèi)容，也是電視等傳媒上出現(xiàn)頻率比較高的科技術(shù)語，但在1983年版高中物理（上冊）和1990年版的高級中學(xué)高一物理（必修）課本中均未出現(xiàn)超重和失重的概念。上世紀(jì)90年代，供高中重點學(xué)校使用的《高級中學(xué)試驗課本·物理第一冊》才將“超重和失重”作為動力學(xué)的基本問題，首次編入了高中物理課本中。1982年出版的漆安慎教授主編的大學(xué)物理專業(yè)課本《力學(xué)基礎(chǔ)》也沒有編排超重和失重的內(nèi)容。之前超重和失重為什么沒編入課本，筆者認(rèn)為可能是由以下原因造成的：一是當(dāng)時我國航天發(fā)射數(shù)次較少，超重與失重出現(xiàn)在新聞傳媒上的次數(shù)并不多；二是引起超重和失重的原因或條件，還沒有找到更好的方法來表述。

比較5個版本，只有山東科技版編排了“只要加速度方向豎直向上，就必然產(chǎn)生超重現(xiàn)象”和“產(chǎn)生失重現(xiàn)象的條件是物體加速度的方向必定是向下的”的判據(jù)。但其他4個版本總有讓人誤解為加速度方向向上是超重的條件，加速度方向向下是失重的條件，這樣的誤解源自于課本的編排——“加速度方向向上超重，加速度方向向下失重”。究其致錯原因：第一、其本身就存在錯誤，如：加速度豎直向下，也可能超重；第二、這個判據(jù)會讓人誤解加速度是產(chǎn)生力的原因。首都師范大學(xué)胡揚(yáng)洋博士認(rèn)為“該判據(jù)沒有體現(xiàn)物理本質(zhì)，只反映了物理過程中表面的、暫時的、偶然的、不穩(wěn)定的聯(lián)系，缺少物理內(nèi)涵，超重和失重的本質(zhì)是源于慣性力場與引力場的等效性?！?/p>

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