徐將二

(浙江省諸暨市第二高級中學(xué),浙江 諸暨 311800)

從課程標(biāo)準(zhǔn)看,課標(biāo)要求從學(xué)生熟悉的現(xiàn)象引入內(nèi)容,通過實(shí)驗(yàn)探究彈簧彈力與伸長量的定量關(guān)系,進(jìn)而比較深刻地理解胡克定律.從教材內(nèi)容看,人教版教材以通俗的語言、直觀的圖像、簡短的篇幅講述了胡克定律的獲得過程.從已有認(rèn)知看,學(xué)生知道了在外力作用下產(chǎn)生了形變、在形變作用下產(chǎn)生了彈力,明白了彈簧彈力與伸長量的定性關(guān)系,學(xué)會了使用彈簧測力計(jì)的方法．雖然很多教師都知曉課標(biāo)要求、教材安排、學(xué)生認(rèn)知的這3方面內(nèi)容,但在實(shí)際教學(xué)過程設(shè)計(jì)中,還是出現(xiàn)了諸多問題．有鑒于此,必須對“胡克定律”的教學(xué)過程重新進(jìn)行設(shè)計(jì),以期對規(guī)律教學(xué)的改進(jìn)有所裨益．

1 傳統(tǒng)過程設(shè)計(jì)及其問題

傳統(tǒng)過程設(shè)計(jì)主要由3個循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的步驟組成．第1步引入規(guī)律,首先通過演示海綿的受壓來說明形變越大,彈力也越大(如圖1所示),然而海綿產(chǎn)生的彈力與形變的定量關(guān)系比較復(fù)雜,因此研究最簡單的情況——彈簧的彈力與伸長量之間的定量關(guān)系;接著通過如圖2所示[1]的演示實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生去猜測彈簧的彈力與伸長量之間的關(guān)系;然后提煉學(xué)生的猜想．

圖1

圖2

圖3

第2步探究規(guī)律,讓學(xué)生根據(jù)如圖3所示的裝置去進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將學(xué)生分成若干組,不同組使用相同規(guī)格的彈簧(J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧)．其中1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)數(shù)據(jù)作出彈力與伸長量關(guān)系的F-x圖像(如圖4所示),圖像是一條不過原點(diǎn)的直線,在誤差允許范圍內(nèi)F與x成正比(F=kx),從而驗(yàn)證猜想并獲得胡克定律．

表1

圖4

第3步運(yùn)用規(guī)律,經(jīng)常采用如下的經(jīng)典習(xí)題:有一彈簧,當(dāng)掛上2 N的鉤碼時(shí),長為11 cm;當(dāng)掛上4 N的鉤碼時(shí),彈簧再伸長2 cm,求彈簧的勁度系數(shù)．

綜觀上述過程設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)存在以下幾個方面的問題: (1) 教材使用教條化．圖2中一個彈簧水平放置處于自由狀態(tài),同時(shí)用手拉另2個彈簧使其水平伸長一定的長度,這樣的操作比較麻煩.手拉彈簧的力是任意的,學(xué)生不容易猜想出彈簧彈力與伸長量之間的關(guān)系,導(dǎo)致猜想的指向性不明確.整個裝置放置在水平面上,不利于學(xué)生的觀察．這些負(fù)面影響實(shí)際上是由于教師把教材當(dāng)作“圣經(jīng)”,照搬照抄教材內(nèi)容所致,其實(shí)教材為教師的教學(xué)過程設(shè)計(jì)指明了一個方向、提供了一個思路,教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況用“教材”教,而不是教“教材”．(2) 結(jié)論獲取理想化．根據(jù)表1中數(shù)據(jù)作出的F-x圖像為什么是一條不過原點(diǎn)的“理想”直線而不是一條曲線?到底是什么樣的誤差造成圖像中的“理想”直線會變成更“理想”的正比例關(guān)系?為什么探究規(guī)律的過程會這樣“理想化”處理?究其原因,教師心中的“理想化”教學(xué)模式在作祟,導(dǎo)致對數(shù)據(jù)的處理、圖像的分析、規(guī)律的獲取沒有符合實(shí)際情況．(3) 規(guī)律應(yīng)用片面化．所謂的經(jīng)典習(xí)題沒有真實(shí)的情境作為依托,與實(shí)際生活是脫離的,它偏重于生搬硬套規(guī)律、機(jī)械使用公式,實(shí)質(zhì)是一種純數(shù)學(xué)公式的推理驗(yàn)算來代替規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用,對學(xué)生科學(xué)思維的提升是毫無益處的．

2 基于認(rèn)知發(fā)展機(jī)制的過程設(shè)計(jì)

規(guī)律教學(xué)的成敗,往往并不取決于教師向?qū)W生傳授正確的規(guī)律,而決定于學(xué)生的“準(zhǔn)規(guī)律”是否向“科學(xué)規(guī)律”轉(zhuǎn)變．皮亞杰認(rèn)為認(rèn)知發(fā)展得以發(fā)生的主要機(jī)制是平衡,平衡可以通過同化與順應(yīng)兩種過程獲得．[2]因此必須引導(dǎo)學(xué)生首先進(jìn)行初步的觀察與思考建立“平衡”、形成“準(zhǔn)規(guī)律”;接著進(jìn)行深入的觀察與思考,經(jīng)過交流、討論、質(zhì)疑,經(jīng)歷“失衡”過程,再獲“平衡”,形成“新規(guī)律”;然后經(jīng)歷“新”觀察與思考,打破原有“平衡”和認(rèn)知方式,形成“新平衡”,建立“科學(xué)規(guī)律”．在經(jīng)歷過“失衡”向“平衡”轉(zhuǎn)化的過程、“準(zhǔn)思維”向“科學(xué)思維”發(fā)展的過程,學(xué)生的認(rèn)知才有可能得以發(fā)展與深化,才有可能避免出現(xiàn)傳統(tǒng)過程設(shè)計(jì)所形成的問題．

2.1 架設(shè)“橋梁” 建立“平衡”

為了使學(xué)生的認(rèn)知更好地發(fā)展,可以在認(rèn)知的“最近發(fā)展區(qū)”創(chuàng)設(shè)問題情境,一方面可以激活學(xué)生的原有認(rèn)識、經(jīng)驗(yàn)、觀念,另一方面作為學(xué)習(xí)的“橋梁”,可以關(guān)聯(lián)溝通新知識與舊知識,將新知識納入原有認(rèn)知結(jié)構(gòu),導(dǎo)致認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生“同化”,促使學(xué)生的認(rèn)知處于暫時(shí)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)．因此在實(shí)際教學(xué)中可以采用如下的過程設(shè)計(jì)．

首先讓學(xué)生體驗(yàn)塑料直尺被彎曲實(shí)驗(yàn),親身感受形變越大,彈力也越大(如圖5所示).接著教師提出兩個問題:直尺產(chǎn)生的彈力與形變的定量關(guān)系容易研究嗎?哪種實(shí)驗(yàn)器材更容易研究彈力與形變的定量關(guān)系?學(xué)生容易獲得答案:由于難以量化“力”與“形變”,即使量化了可能兩者的關(guān)系也比較復(fù)雜,因此不容易研究;彈簧的彈力可以用鉤碼的重力來替代,彈簧的伸長量可以用直尺來測量,因此可以用最簡單的彈簧來研究彈力與伸長量之間的定量關(guān)系．然后教師設(shè)置如圖6所示的演示實(shí)驗(yàn):將相同的5個強(qiáng)磁掛鉤相隔10 cm吸附在磁性黑板同一水平線上,再取5個相同的J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧掛在掛鉤上面,從左向右在彈簧下端掛上0、1、2、3、4個50 g的鉤碼．教師引導(dǎo)學(xué)生猜想彈簧彈力與伸長量之間的定量關(guān)系:由于彈簧在水平方向是等間距放置,彈簧所掛鉤碼的個數(shù)以等差數(shù)列增加的,所以水平方向可以表示彈力大小;假如以第一個彈簧下端為原點(diǎn),那么向下方向就可以來表示彈簧的伸長量．學(xué)生發(fā)現(xiàn)彈簧的下端似乎處于同一傾斜直線上,那么可得彈簧彈力與伸長量可能成正比例關(guān)系．

圖5 圖6

上述第1個實(shí)驗(yàn)相對于海綿受壓演示實(shí)驗(yàn),不但取材更加容易,而且學(xué)生親身體驗(yàn)的感覺更加強(qiáng)烈,利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;第2個實(shí)驗(yàn)在豎直平面上演示,利于觀察、便于操作,避免了在水平面上操作的不利影響．這兩個“臺階型”演示實(shí)驗(yàn),從定性到半定量化,為學(xué)生進(jìn)行科學(xué)合理的猜想提供了真實(shí)有效的依據(jù),為學(xué)生原有認(rèn)知(兩個變量成單調(diào)遞增關(guān)系)向新認(rèn)知(兩個變量成正比關(guān)系)發(fā)展與進(jìn)化搭設(shè)了“腳手架”,為學(xué)生建立“平衡”奠定了認(rèn)知基礎(chǔ)．

2.2 引發(fā)“沖突” 獲得“平衡”

在學(xué)生同化新知暫獲平衡后,應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)矛盾情境引發(fā)認(rèn)知沖突,打破原有“平衡”,積極引導(dǎo)學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)向“順應(yīng)”轉(zhuǎn)變,主動修改原有認(rèn)知結(jié)構(gòu),建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)并獲得新的“平衡”,從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的深化與發(fā)展．因此在具體教學(xué)操作中可以采用如下的過程設(shè)計(jì)．

圖7

第一步,首先根據(jù)如圖7所示的裝置(圖中彈簧為J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧),由教師完成相關(guān)實(shí)驗(yàn),得到的1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,接著讓學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)作出彈力與伸長量關(guān)系的F-x圖像,學(xué)生得到的圖像如圖8所示,此時(shí)學(xué)生感到很困惑.

表2

圖8

為什么根據(jù)數(shù)據(jù)作出的圖像不是一條過原點(diǎn)的直線?圖像是否正確?然后教師順著學(xué)生的疑問,指出問題的焦點(diǎn)在于圖像的開始階段應(yīng)該多收集些數(shù)據(jù),才能解決學(xué)生的疑惑．最后,教師再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到的數(shù)據(jù)如表3中第3列所示,從而可以得到如圖9所示的圖像(圖線前面部分為曲線,后面部分為直線)．這個結(jié)論與學(xué)生原有認(rèn)知產(chǎn)生了激烈的沖突,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是圖像是曲線而非過原點(diǎn)的直線,二是懸掛10 g鉤碼時(shí)彈簧伸長量竟為0．

表3

圖9

第二步,學(xué)生自主探究J2110螺旋彈簧組中的“3 N”型、“2 N”型彈簧的彈力與伸長量之間的關(guān)系,教師可以將學(xué)生分成若干組,每組選用的裝置如圖7所示,圖中彈簧換成“3 N”型與“2 N”型,提供的鉤碼有10 g,20 g,50 g,200 g 4個種類．學(xué)生根據(jù)在第一步中獲得的“經(jīng)驗(yàn)”,模仿上述實(shí)驗(yàn)操作,獲得了“3 N”型和“2 N”型彈簧的相應(yīng)數(shù)據(jù)(如表3中第4、5列所示)及相應(yīng)的F-x圖像(如圖10、11所示)．

第三步,首先教師將3種類型彈簧的F-x圖像集合在一起進(jìn)行比較,讓學(xué)生觀察圖像發(fā)現(xiàn)其中的特點(diǎn):3種類型彈簧的圖線前面部分為曲線,后面部分為直線,但“5 N”型彈簧圖線前面部分彎曲最明顯且不過原點(diǎn),“2 N”型彈簧圖線前面部分幾乎沒有彎曲且?guī)缀踹^原點(diǎn)．接著讓學(xué)生猜測圖像形成的原因:彈簧自身的因素造成的,比如彈簧粗細(xì)、軟硬、大小、匝數(shù)、質(zhì)量等等．然后讓學(xué)生思考從“5 N”型到“2 N”型彈簧,彈簧的粗細(xì)、質(zhì)量等因素逐漸變小,其圖線形狀越來越趨向于過原點(diǎn)的直線,那么彈簧自身因素一切理想化后,它的圖線應(yīng)該是怎樣的?學(xué)生容易獲得結(jié)論:理想彈簧的F-x圖像是一條過原點(diǎn)的直線．最后師生一起歸納總結(jié)胡克定律,弄清楚它的內(nèi)涵．

圖10

圖11

上述3個步驟中,第一步側(cè)重于在實(shí)驗(yàn)情境中引發(fā)認(rèn)知沖突,導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知處于失衡狀態(tài),為改變原有認(rèn)知尋求新的平衡狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)．第二步的自主探究過程強(qiáng)化了新認(rèn)知,促進(jìn)了認(rèn)知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,使新平衡趨于穩(wěn)定狀態(tài),使新認(rèn)知得到了發(fā)展與深化,也為二次轉(zhuǎn)變準(zhǔn)備了條件．第三步中通過極限思想與理想化方法處理研究對象,使順應(yīng)過程得以順利進(jìn)行,學(xué)生的認(rèn)知再次發(fā)生轉(zhuǎn)變,重新獲得穩(wěn)定的認(rèn)知平衡狀態(tài)．

2.3 應(yīng)用“新知” 形成“平衡”

圖12

學(xué)生獲得新知識后,需要設(shè)置新情境,讓學(xué)生自主探究情境中的新問題,運(yùn)用方法與策略解決新矛盾,促使同化與順應(yīng)過程的再次發(fā)生,實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的再次轉(zhuǎn)變與發(fā)展,形成新的認(rèn)知平衡狀態(tài)．因此在應(yīng)用新知識中可以采用如下的過程設(shè)計(jì)．

首先由教師安排好各種器材:鍍鋅鐵絲彈簧(直徑為2 mm、匝數(shù)為10匝、外徑110 mm、螺距35 mm),50 g鉤碼若干個,1 m長直尺,鐵架臺一個．接著將學(xué)生分成若干組探究彈簧彈力與伸長量的關(guān)系,學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示,獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示,作出的F-x圖像如圖13所示,圖線前面部分是直線,后面部分是曲線,圖線與學(xué)生原有認(rèn)知既有相容的地方——直線符合胡克定律,又有矛盾的地方——曲線不符合胡克定律．然后,師生共同解決矛盾與問題:前面直線部分彈簧沒有超過彈性限度符合胡克定律,后面曲線部分超過彈性限度胡克定律不再適用．

表4

上述過程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3個方面: (1) 鍍鋅鐵絲彈簧比J2110螺旋彈簧容易演示超過彈性限度的情況,并且容易恢復(fù)原狀,利于學(xué)生觀察與操作; (2) 學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論,掌握了科學(xué)探究的方法,提升了科學(xué)思維的能力; (3) 學(xué)生在作出圖線、分析成因的過程中,促進(jìn)了認(rèn)知結(jié)構(gòu)的再次同化與順應(yīng),促進(jìn)了穩(wěn)定平衡狀態(tài)的形成．

圖13

3 規(guī)律教學(xué)過程設(shè)計(jì)的啟示

依據(jù)上述過程設(shè)計(jì),可以得到以下3點(diǎn)啟示．

(1) 以科學(xué)探究為手段.

“科學(xué)探究”是指提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力．[3]因此在規(guī)律教學(xué)過程設(shè)計(jì)中,必須以科學(xué)探究為手段,通過科學(xué)探究來學(xué)習(xí)科學(xué)知識與方法、提高實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、提升問題解決能力、發(fā)展科學(xué)思維、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

(2) 以科學(xué)思維為重點(diǎn).

“科學(xué)思維”主要指高中物理中重要的思維方法,包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法．[4]因此在規(guī)律教學(xué)過程設(shè)計(jì)中,必須以科學(xué)思維為重點(diǎn),展現(xiàn)學(xué)生的思維過程、揭示學(xué)生的思維特征、提升學(xué)生的思維能力與品質(zhì)．

(3) 以認(rèn)知發(fā)展為中心.

學(xué)生習(xí)慣于原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)去解釋問題,一旦原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新事實(shí)產(chǎn)生沖突,就會出現(xiàn)認(rèn)知不平衡狀態(tài),教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生,通過同化與順應(yīng)機(jī)制去克服認(rèn)知不平衡而達(dá)到穩(wěn)定的“新”平衡狀態(tài),從而使認(rèn)知得到發(fā)展與深化．因此在規(guī)律教學(xué)過程設(shè)計(jì)中,必須以認(rèn)知發(fā)展為中心,通過鋪設(shè)臺階與引發(fā)矛盾等策略,促使“準(zhǔn)認(rèn)知”向“科學(xué)認(rèn)知”轉(zhuǎn)化．