展林弟 郑朝阳 刘青华

摘 要：以“物理图式”和“学习进阶”为理论依据，进行设计物理概念图式的学习进阶，基于学科核心概念构建新的物理概念.以“超重与失重”概念为例对物理核心概念教学过程进行实践研究，将学生对“加速度”概念和“牛頓第二定律”结合起来，促进学生组织、建构、拓展对学科核心概念的提炼和升华，形成“运动和相互作用观”，从而促进学生物理学科核心素养的养成和发展.

关键词：物理图式;进阶理论;超重;失重

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0035-04

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划课题“基于物理图式和学习进阶理论的高中物理概念和规律教学实践研究”（项目编号：CDDB16156）.

作者简介： 展林弟（1992-），女，北京人，博士，研究方向：光物理;

郑朝阳（1963-），男，湖北宜都人，博士，中学高级教师，研究方向：物理教育;

刘青华（1972-），女，河北邯郸人，硕士，中学高级教师，中学特级教师，研究方向：高中物理教学实践.

1 物理图式

2019年11月出版的《中国高考评价体系》中规定了高考评价的载体——情境，运用文字、数据、图表等形式的各种素材，围绕一定主题加以设置[1]，再现学科理论产生的场景或者是呈现现实中的问题情境，让学生在真实的背景下运用必备知识和关键能力解决实际问题，以此达到考查内容和考查要求[2].运用物理图式学习进阶理论的教学设计有利于学生基于物理情境加深对概念的理解，提高知识迁移能力，逐步培养学生分析问题和解决问题的能力[3].

现代认知心理学认为，图式是围绕某一个主题将知识表征和储存方式组织起来，表现形式是一些观念和关系的集合，从而形成的一种系统的、有组织的知识结构和框架，从而提高相关信息的记忆、理解和推理分析[4].引导学习者在认知过程中，通过对当前认识进行抽象概括、归纳整理构建出一个一般的科学图式，并进行记忆存储.当学习者再次对当前存储的知识进行解释分析时，图式就会被激活，快速形成对应的推理和分析，有利于学习者触类旁通地学习知识，很好地进行知识的迁移创新[3].对于高中物理的学习，学生在观察生活中的物理现象、实验室实验、课堂学习的过程中，通过动手和动脑的实践活动逐步形成了包含物理表象图式、概念图式、规律图式、实验图式和问题图式在内的各种物理图式.每一种物理图式在不断丰富和完善的过程中实际上是学习者头脑中的物理图式在不断进阶的过程.其中物理问题图式最为复杂，学习者在解决问题的过程中，通过其他物理图式、问题情境等，对不同类型的问题解决的物理图式进行完善，从而实现问题图式的不断进阶.

高中物理教学设计要在学生原有认知和进阶终点之间设置合理的进阶，让学生顺利跨越新的台阶[5].教师帮助学生将头脑中已有的问题图式与不同问题类型情境等具体细节知识相联系，建立起一个从具体问题图式到高度抽象问题图式的完整的、系统的问题图式体系，从而提高学生解决问题的实际能力，培养学生的物理学科核心素养.

2 基于物理图式学习进阶理论的教学分析

2.1 学习进阶图式

2.1.1 学习进阶的初始图式

在学习“超重与失重”前，学生已有的认知前概念如下：

（1）学习了匀变速直线运动的物理规律，理解了加速度、速度等核心概念.

（2）学习了重力、弹力等相互作用力的基本物理概念，以及牛顿运动定律的基本内容，对牛顿运动定律解决动力学问题的基本思路有一定的掌握.

（3）具有超重与失重的直觉体验，对超重与失重这两个新的物理概念缺少科学的认识，对视重和重力概念的本质区别理解不到位.

（4）对超重与失重产生的动力学本质缺少认识，没有建立起加速度与超重、失重的联系.

2.1.2 学习进阶的目标图式

（1）对比视重与重力的关系，建立超重与失重概念图式.

（2） 应用牛顿第二定律，构建超重和失重概念与加速度概念的关系图.

（3）关注生活和科技，了解超重和失重现象在各个领域中的应用，解释生活中的超重和失重现象，唤醒相关图式，强化对超重和失重概念本质的理解.

3 基于物理图式学习进阶理论的教学设计

3.1 教学流程

3.2 教学过程

3.2.1 重力测量

趣味实验：质量会变的苹果.

用电子秤在地面上称一个苹果的质量为200g.将电子秤搬到电梯中，在电梯上升过程中，神奇的事情发生了，苹果的质量随着电梯的运动发生了变化，时而变大时而变小.

问题1：根据对课本的预习，有哪些方法可以测量物体重力？依据的原理是什么？测量时实验条件是什么？

情境1：学生演示走上体重计过程中，观察体重计示数的变化情况.

问题2：在整个过程中我们观察到了什么现象？体重计的示数一定等于人的重力大小吗？为什么？

问题3：体重计示数为什么会发生变化？人在体重计上下蹲和站起过程中示数是如何变化的？

设计意图：为了充分调动学生的学习兴趣和热情，在“超重与失重”这节课采用了“质量会变的苹果”的趣味实验，在课前录制好称量苹果的视频，让学生观察，视频会立即引发学生对“称重”颇有兴趣的思考.在问题1中大部分学生能够根据原有认知回答出：（1）根据重力的定义G=mg测量物体的重力（原理是牛顿第二定律F=ma）;（2）利用力的平衡条件测量重力（原理是二力平衡）.进一步设问，利用平衡条件测量重力时，学生基于日常生活经验知道需要测量时保持静止状态才能受力平衡.在情境1中学生观察到走上体重计的过程中体重计示数发生了变化，引起认知冲突，激发学生的探究欲望.在问题3中提出问题，明确了研究目的，引入课题.学生尝试解释，原有知识不能解释，需要引入新的物理概念，激发新的物理图式.

3.2.2 超重与失重

问题探究1：观察人在体重计上下蹲过程中，体重计示数的变化情况.请学生尝试画出体重计示数FN随时间变化的图像和v-t图像.

（1）分析建模.

研究对象：以人的重心为研究对象——简化为质点.

质点受力：重力和弹力.

运动过程：包括三个阶段（先向下加速运动、再向下减速运动、最后静止）.

物理规律：牛顿第二定律、牛顿第三定律.

（2）对于向下加速的过程：取向下为正方向（取合外力或者加速度方向为正方向），如图2.

对于质点：mg-FN=ma;根据牛顿第三定律：人受到的支持力与人对体重计底板的压力大小相等，方向相反，即FN= F′N.由F′N=m（g-a）< mg，即体重计视重（F′N）小于人所受的重力，发生失重现象.

失重概念：视重小于重力的现象，即物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象，叫作失重现象.

（3）对于向下减速的过程：取向上为正方向，加速度方向向上，如图3.

FN-mg=ma ，可得：F′N=m（g+a）> mg.

体重计的示数（视重）大于人受到的重力.这就是超重.

超重概念：视重大于重力的现象，即物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，叫作超重.

（4）当人相对于体重计静止不动时，有FN=mg.

（5）手机传感器测量下蹲过程的加速度，如图4.第一阶段：加速度ag，竖直向上.

问题探究2：模仿以上下蹲过程，分析讨论起立过程中，体重计示数F′N变化的情况，并画出体重计示数随时间变化的图像以及v-t图像.

（1）向上加速过程：取竖直向上为正方向，加速度方向向上，如图5.

F′N=m（g+a）> mg ，视重大于人受到的重力，属于超重.

（2）向上减速过程：取竖直向上为正方向，加速度方向向下，如图6.

F′N=m（g-a）< mg ，视重小于人受到的重力，属于失重.

（3）当人在体重计上静止不动时，有FN=mg.

（4）手机传感器测量站起过程中加速度，如图7.第一阶段：加速度a>g，竖直向上;第二阶段：加速度a

问题1：竖直向上的运动一定是超重吗？竖直向下的运动一定是失重吗？

设计意图：在问题探究1中，学生根据观察人在体重计上下蹲时体重计的示数变化，并画出FN随时间的变化图像和v-t图像，教师引导学生利用运动学规律和牛顿第二定律分析建模，对比视重与重力的关系，建立超重与失重的概念图式.在问题探究2中引导学生自主分析，人在体重计上的站起过程，强化对超重和失重概念的理解.在问题1中设问引导学生认识到超重与失重和速度方向无关，并进一步引发思考超重与失重的本质.

利用智能手机自带的加速度传感器软件（phyphox），进一步验证牛顿第二定律对超重、失重现象蕴含的加速度变化规律进行探究，将变化的加速度实时动态地通过图像形象生动地显示出来，让学生亲自实践，思考超重、失重现象与加速度的内部关联，理解超重和失重现象的本质，突破教学难点.

3.2.3 超重和失重的本质特征

问题1：加速运动一定是超重吗？减速运动一定是失重吗？

问题2：超重时加速度方向一定向上吗？失重时加速度方向一定向下吗？

设计意图：在问题1和问题2中，逐步设问引导学生分析人在升降机中下蹲和站起过程中超重与失重和加速度方向的关系，归纳论证超重与失重的本质关系如下：

（1）失重的本质

对于失重现象，在竖直方向上由于支持力小于重力，合外力竖直向下，根据牛顿第二定律，会产生竖直向下的加速度.自由落体运动重力产生向下的重力加速度，支持力为零，发生完全失重.

（2）超重的本质

对于超重现象，在竖直方向上由于支持力大于重力，合外力竖直向上，根据牛顿第二定律，会产生竖直向上的加速度.

3.2.4 超重与失重的应用

应用探究1：组织学生在数字化多媒体实验室中，利用传感器实时测量重物被拉起和放下时的超重和失重现象.

问题1：起重机吊起重物时，有经验的司機都不让物体启动太快，这是为什么？

设计意图：在情境1中，鼓励学生积极尝试探究不同情况下的超重和失重现象，进一步验证所得结论.在问题1中，考查学生利用超重与失重的概念分析解释生产、生活中的超重和失重现象，进一步加强了学生对“加速度”概念内涵和外延的拓展，是基于牛顿运动规律分析和解释问题，从而形成“运动和相互作用观”，有利于培养学生的学科核心素养，实现教学目标.

应用探究2：观察电梯中的失重和超重情况，并画出支持力随时间变化的图像.

演示实验：利用手机加速度传感器测量电梯在上升和下降过程的加速度.

设计意图：创设贴近学生生活的超重和失重的情境，让学生分析在电梯中的超重和失重现象，并利用手机加速度传感器实时测量加速度变化图像，直观地帮助学生理解超重和失重与加速度的本质联系.

4 结束语

本节课以超重和失重为例运用物理图式学习进阶理论进行物理概念教学，符合学生的认知发展规律，为学生的思维发展搭建了合理的台阶，通过科学推理和分析论证，建构物理模型，通过思维导图和学习进阶理论反思和总结，重新建构知识体系，对于学生掌握学科核心概念，形成系统的研究方法和理论体系，促进学生组织、建构、拓展对学科核心概念的提炼和升华，形成“运动和相互作用观”有较大作用.

参考文献：

[1]程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.

[2]教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]满伶俐.图式理论在解决高中物理情景创新题中的应用研究[D].上海：上海师范大学，2015.

[4]李梅，杨琴荣.图式理论在物理教学中的应用[J].中学物理，2013，31（21）：8-10.

[5]卞望来.学习进阶视角下高中物理教学设计——以“变压器”教学为例[J].物理之友，2020，36（09）：16-18+21.

（收稿日期：2021-04-27）