体验式教学架构下物理规律教学的实践研究

周伟波 陈继红

摘    要：物理规律是事物本身或事物之间所固有的、深藏于各种现象背后的本质属性和内在关系，具有客观性、联系性和发展性等特征，这就决定了对其的教学存在诸多难点。而体验式教学，以亲身体验和意义建构为特征，致力于创设真实情境、展开科学论证、解决实际问题，可以让学生身临其境地获取多维度的感知信息，并基于逻辑推理和科学论证深入探究学习，发展核心素养。教师要依据课程标准和教材教参，结合学生学情和认知逻辑，分解教学内容，让学生经历感知体验、论证体验、建构体验和验证体验四个环节，实现物理观念建构的逐步进阶。

关键词：体验式教学;物理规律;滑动摩擦力

一、物理规律的定义及其特征

（一）物理规律的定义

物理规律是以长时间多次重复的实验和现象为基础，经过严谨的分析、推理、归纳并以文字和符号予以表述，最终在物理学领域内普遍被人接受的典型结论。物理规律是事物本身或事物之间所固有的，深藏于各种现象背后并决定和支配事物发展的相关物理法则。

（二）物理规律的特征

1.客观性

客观指意识之外，不依赖主观意识而真实存在。物理规律的客观性表现为两个层面：一是物理规律本身的客观性，即物理规律不会创造也不会消失，它将一直默默地等待人类来接近和发现;二是物理规律发挥作用的客观性，物理规律对事物发挥的作用将不以人的主观意志为转移，而是按照固有的法则促使事物向前发展。

2.联系性

联系指事物之间相互依赖、相互渗透、相互转化的关系。物理规律的联系性：一方面表现为概念与规律之间的联系，规律是对多个概念进行关联而呈现出来的本质属性，如牛顿第二定律，以力、质量、加速度三个概念的关联呈现了力与运动的本质属性;另一方面表现为规律与规律之间的联系，如动量定理和动能定理均源于牛顿第二定律，而这三种规律又从力的瞬时性、力对时间的积累性、力对空间的积累性三个维度组成了力与运动的物理图景。

3.发展性

发展是事物由小到大、由简单到复杂、由低级到高级的变化过程。物理规律的发展性主要体现在两个方面：一是科学发展方面，随着研究的不断深入和知识的不断增加，人们对客体的认识也不断发生变化，相应的物理规律也不断发展和更新;二是学生认知方面，学生的认知水平随着知识的增加而不断提升，认识水平的提升将有助于对物理规律的深入理解，因此学生对物理规律的掌握具有阶段性和发展性。

二、物理规律教学存在的问题及突破路径

目前物理规律教学主要存在三方面问题：第一，在规律的引入环节，教师普遍采用口头阐述、图片展示或者视频播放的方式，而没有创设真实的生活情境，不能让学生身临其境地获取多维度的感知信息，这就使物理规律的“客观性”缺少真实的情境基础;第二，在规律的形成环节，教师依然奉行以彰显学科功底和讲解能力为宗旨的“授—受”方式，缺乏以学生为主体的“方案设计”式的深层探究，以及基于逻辑推理、以科学论证为手段的建构过程，这就使学生失去对规律“联系性”的亲身体验;第三，在规律的应用环节，教师倾向于单一的习题训练，没有把物理规律置于现实生活中，没有以解决实际问题的方式来检验规律的正确性，当然也就没有在检验过程中以规律的“发展性”来帮助学生逐渐接近真实的客体。

经过大量的教学实践，笔者认为体验式教学可以更好地解决上述问题，它为物理规律教学提供了新的突破路径。体验式教学，以亲身体验和意义建构为特征，致力于创设真實情境、展开科学论证、解决实际问题，可以促进学生核心素养的发展。

三、体验式教学的含义与框架

国务院办公厅发布的《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》指出，要“积极探索基于情境、问题导向的体验式课堂教学”。体验式教学是教师依据课程标准，深入分析学生的已有认知，创造接近实际生活的教学情境，让学生亲历知识的再创造过程，从中获得感知体验、论证体验、建构体验和验证体验，最终指向学科核心素养发展的一种教学观和教学策略。

结合高中物理的学科特点，笔者建构了“一任务一指向、四环节十二步骤”的高中物理体验式教学模式[1]。体验式教学以主题任务为统领，指向物理学科核心素养，由感知体验、论证体验、建构体验和验证体验四个环节组成，每个环节又分别包含三个步骤：感知体验环节包含创设情境、获取感知、聚焦问题;论证体验环节包含提出猜想、实验研究、科学论证;建构体验环节包含形成规律、提炼核心、升华观念;验证体验环节包含再创情境、观念应用、观念修正。

在模式架构中，体验式教学的四环节与物理学科核心素养的四维度紧密关联（如图1）：感知体验是物理学科核心素养的培育萌芽;论证体验是科学探究与科学思维的融合场域;建构体验是物理观念的形成过程;验证体验则致力于物理学科核心素养的二次培育与深化。科学态度与责任渗透于体验式教学的全过程。

四、体验式教学架构下物理规律教学的实践策略

（一）任务统领，基于单元教学分解主题任务

任务原指肩负的工作和承担的责任，这里指单元教学下的主题任务。单元教学是学期教学任务的首次分解，主题任务则是学期教学任务的二次分解。分解主题任务要求教师依据课程标准和教材教参，结合学生学情和认知逻辑，把本单元的教学内容进行分解，并展开相应的教学设计和课堂教学实施。主题任务是每一次体验式教学的目标指向，积极统领着四环节和十二步骤的实施过程。如粤教版普通高中教科书《物理》必修第一册第三章《相互作用》的教学，可以分解为重力与弹力、摩擦力、牛顿第三定律、力的合成与分解、共点力平衡五个主题任务。下面，笔者主要以“滑动摩擦力的规律”的教学为例进行分析。

（二）创设情境，以感知体验聚焦探究问题

情境是教师在教学过程中所创设的物理环境和情感氛围。问题情境即以问题或者任务为中心构成的活动场域。《中国高考评价体系说明》指出，情境可以分为学习探索情境和生活实践情境。学习探索情境来源于课本的探究问题和科学研究过程，旨在考查学生在智力活动中的思维能力和思维方式;生活实践情境取材于现实生活和生产实践，旨在考查学生应用物理知识解决实际问题的相关能力。

感知体验，需要学生置身于学习探索情境或生活实践情境中，全身心地调动眼睛、耳朵、手足等多种身体器官，把获取的多维信息与个人的已有认知体系展开碰撞，在感性和理性的冲突下促进对探究性问题的聚焦，从而开启体验式教学的规律揭秘之旅。如“滑动摩擦力”教学，笔者创设生活实践情境：（1）让学生以大致相同的初速度分别在较光滑的瓷砖地面和较粗糙的水泥地面上滑动;（2）让学生抱着重物重新亲历上个情境的活动过程。

学生亲身参与两次不同接触面和不同压力的情境活动，亲历视觉（滑行距离远近）、听觉（摩擦发出的声音）、触觉（压力和摩擦力的感受）、运动觉（自身的滑行方向）等多维度的感知体验，最后聚焦“滑动摩擦力方向如何判断”“滑动摩擦力大小如何求解”两个探究问题。

（三）提出猜想，用论证体验形成团队观点

提出猜想是指学生基于要探究的问题，结合自身的已有认知展开初步分析，并对问题产生的原因提出猜测和想法。实验研究是指学生在猜想的基础上，开展实验设计、步骤操作、数据获取等系列活动。实验研究除了要加强传统实验以外，还要关注信息技术的切入与融合。科学论证是指在科学探究的过程中，一人或多人利用事实证据进行逻辑推理并形成观点的过程[2]。科学论证通常包含证据、理由、观点三种要素，以及个人推理和社会协商两个层面。如针对“滑动摩擦力方向如何判斷”和“滑动摩擦力大小如何求解”两个探究问题，学生积极开展个人和集体双层面的论证体验，最终形成团队观点。

[探究问题1]滑动摩擦力方向如何判断？

[提出猜想1]与物体的运动方向相反？与物体的相对运动方向相反？

[实验研究1]软毛刷m和木板M原本静止，M在外力F作用下向左运动，导致m发生滑动。

[科学论证1]

证据：m的软毛向左弯曲。从地面看，m向左运动;从M看，m向右运动。

理由：软毛弯曲方向与其受力方向一致;以地面为参考称为运动方向，以M为参考称为相对运动方向。

团队观点：m所受滑动摩擦力向左，相对运动方向向右，即滑动摩擦力方向与相对运动方向相反。

[探究问题2]滑动摩擦力大小如何求解？

[提出猜想2]滑动摩擦力大小与接触面的粗糙程度、接触面积、压力大小、运动速度等均有关。

[实验研究2]学生亲历实验装置进阶，并利用最终装置展开以下四个实验。

（1）探究滑动摩擦力大小与运动速度关系（调节传送带速度大小）。

（2）探究滑动摩擦力大小与接触面积关系（压力不变情况下改变物体的接触面积）。

（3）探究滑动摩擦力大小与压力关系（物体上增加砝码改变其压力）。

（4）探究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度关系（用物体另外一个粗糙程度不同的侧面与传送带接触）。

[科学论证2]

（1）实验装置层面

证据：起始装置读数不稳定;改进装置读数紧张且测力计晃动;最终装置读数时间充分且读数稳定。

理由：起始装置很难保持匀速致读数不稳定;改进装置木板长度有限造成读数紧张，测力计未固定致其晃动;最终装置传送带带动可以慢慢读数，且测力计竖直固定不晃动。

观点：选择最终装置开展实验探究，可在充足时间内得到稳定数据。

（2）实验探究层面

证据：①滑动摩擦力大小与运动速度关系：皮带快速或慢速运动，滑动摩擦力大小均为0.30N;②滑动摩擦力大小与接触面积关系：接触面积大或小，滑动摩擦力大小均为0.30N;③滑动摩擦力大小与压力、接触面粗糙程度关系（物体质量73g，砝码每次增加20g）：压力大小为0.71N、0.91N、1.10N、1.30N时，接触面1的滑动摩擦力大小为0.30N、0.37N、0.46N、0.55N，接触面2的滑动摩擦力大小为0.40N、0.51N、0.62N、0.73N。

理由：①传动带快速或慢速运动，物体所受摩擦力不变;②接触面积大或小，物体所受摩擦力不变;③用Excel进行数据处理：接触面相同时，摩擦力随压力增大而增大;压力相同时，接触面越粗糙摩擦力越大。

团队观点：滑动摩擦力大小与运动速度、接触面积无关，仅由压力和接触面粗糙程度决定，粗糙程度一定时，滑动摩擦力与压力成正比。

（四）形成规律，借建构体验升华物理观念

由论证体验得到的团队观点，需要以更科学、更严谨的文字表述进一步归纳和总结，这是为了呈现同一类事件的本质属性和内在关系。在后续的教学中，还需要对多个纵横关联的规律进行本质提炼，上位到具有总括性的概念，即核心概念。核心概念是由若干重要概念构成的，这些内容能够展现当代的学科图景 [3]。对多个相关的核心概念进一步升华，可以上位到具有统领性的观念，即物理观念。物理观念是一种超越物理知识间一般性联系的内在因果关联命题，可使用于对大量事物的判断 [4]，是用物理学科视角解释自然现象和解决实际问题的一种内化思维架构。如针对论证体验中形成的团队观点，可以得到滑动摩擦力的规律表述：滑动摩擦力的方向与物体的相对运动方向相反，滑动摩擦力的大小f=[μN]（[μ]为两物体间的动摩擦因数，[N]为两物体间的压力大小）。

在后续教学中，我们可以将其与万有引力、电场力、安培力、洛伦兹力、分子力等整合，提炼出“相互作用力”这一核心概念。然后，再将“相互作用力”与“运动”（由变速直线运动、平抛运动、圆周运动等概念提炼）、“运动与力的关联”（由牛顿第二定律、动量定理、动能定理等概念提炼）两个核心概念整合，可升华为“运动与相互作用”的物理观念。

（五）再创情境，凭验证体验实现观念应用与修正

将首创情境呈现于感知体验中，目的在于引起学生的认知冲突，从而开启规律探究的体验之旅;而验证体验中的再创情境，则致力于已建构的物理观念在崭新情境中的应用与修正。应用是物理观念在另一种情境中的实践运用，旨在培养学生解决实际问题的能力，使其形成相应的情感价值观。在观念的应用过程中，基于个体的认知结构以及对物理观念的理解，不同的个体将会作出不同的修正。个体的修正经由集体协商后达成共识，本轮体验式教学完满结束。若未达成共识，则需要开启下一轮体验式教学。因此，体验式教学不是单一的闭合回路，而是呈现一种螺旋上升的进阶态势。物理观念就是在多次螺旋进阶的过程中达到相对正确的状态。

如再创生活实践情境。

将两条黑白毛巾交替折叠放在地面上，白毛巾中部用水平线与墙壁连接，黑毛巾中部用水平线拉住，若每条毛巾质量均为m，毛巾之间及毛巾与地面之间的动摩擦因数均为μ，求将黑毛巾匀速拉出所需的水平力大小。

学生就滑动摩擦力的方向和大小的规律展开观念应用。

（2）因滑动摩擦力方向与物体运动方向相反，可知上述四个摩擦力方向均水平向右。

（3）由力的平衡可得F=f1+f2+f3+f4=5[μmg]。

接着，学生从“运动（匀变速直线运动）”和“运动与力的关联”（牛顿第二定律）等核心概念层面展开应用进阶。

傳送带以速度v0匀速转动，小物块轻放于传送带左侧A点。已知小物块与传送带的动摩擦因素为μ，A、B间的距离为L，求小物块从A点运动到B点所需的时间。

学生根据牛顿第二定律和匀变速直线运动规律，先将小物块的运动分为“一直匀加速”和“先匀加速后匀速”两种情况，然后展示两种时间的求解。

若学生在上述的规律和观念应用中存在问题，如对“相对运动方向”理解不到位，教师就需要重启体验式教学，使学生在逐步进阶和螺旋上升的过程中修正相应的观念。

（六）素养指向，实现核心素养与体验式教学互联

体验式教学，指向物理学科核心素养，它的四个环节与物理学科核心素养的四个维度密切关联。如教师可先让学生采取抱重物和不抱重物两种方式，在不同的接触面上滑动，让学生多维度感知信息，聚焦“滑动摩擦力方向如何判断”“滑动摩擦力大小如何求解”等探究问题，激发学生物理学科核心素养的萌芽。接着，教师设计毛刷滑动、装置进阶等探究活动，让学生基于证据、理由、观点展开个人与集体双层面的科学论证，促进科学探究素养和科学思维素养的提升。然后，教师引导学生从对“滑动摩擦力”规律的概括上升到对“相互作用力”核心概念的提炼，再进一步到对“运动与相互作用”观念的升华，从而实现物理观念建构的逐步进阶。最后，教师让学生经历拉毛巾、传送带等实验，展开对摩擦力规律、运动与相互作用观念的应用和修正，实现物理学科核心素养的二次培育与深化。同时，实验中对数据处理的严谨认真、对不同接触面数据差异的实事求是、实验探究的持之以恒、Excel拟合图线的勇于创新、集体协商中的积极承担等科学态度与责任，也就自然渗透在课堂教学中了。

综上所述，笔者依托体验式教学的感知体验、论证体验、建构体验和验证体验四个环节，以主题任务为统领，采用创设情境、提出猜想、形成规律、再创情境等多种策略，最终实现了物理学科核心素养与体验式教学的关联与融合，为物理规律教学演示了新的路径与范式。

参考文献：

[1]周伟波，潘仕恒.以体验式教学促进物理观念的建构[J].课程·教材·教法，2021（6）：110-115.

[2]周伟波.基于“Toulmin论证模型”的高中物理教学研究——以“伽利略对自由落体运动的研究”为例[J].中学物理教学参考，2019（5）：9-12.

[3]张玉峰，郭玉英.围绕学科核心概念建构物理概念的若干思考[J].课程·教材·教法，2015（6）：99-102，75.

[4]续佩君.关于物理观念的思考和教学探讨[J].物理通报，2020（5）：2-5.