用科学探究化解认知冲突

——以《超重和失重》为例

摘  要：本文以“超重和失重”为例，创设生活化情境，利用趣味互动和魔法黑箱，激起学生认知冲突，促进学生主动思考和学习，纠正错误认知。同时采用科学探究的方式有梯度地引导学生研究超失重产生的条件及影响因素，最后以游戏挑战促进学以致用，提升学生核心素养。

关键词：超重和失重；认知冲突；趣味互动；科学探究

在高中物理必修一第四章第6节——“超重和失重”的教学中，教师常以教材中体重秤蹲立实验为引入，但因过程短暂不易观察，仅作引入体验之用，在简单分析后仍以播放电梯中的超重和失重视频为主，让学生归纳总结后，再利用牛顿第二定律进行理论分析，从而得出超重和失重的概念和产生的条件。

在上述教学中，学生参与度低，学生对于体重秤称重原理不明晰，在利用牛顿第二定律分析具体问题时不会选取研究对象，对其中牛顿第三定律的应用掌握不佳，因此本文从发展学生物理学科核心素养出发，充分挖掘蹲立实验的教学价值，引导学生用科学探究的方式研究超重和失重现象及其对应的规律，合理设置难度阶梯，给予学生成功的体验，并用游戏挑战的方式提升学生运用知识解决问题的能力。

一、创设情境，引发冲突，纠正认知

趣味活动一：教师称自己会魔法，能够改变物体的重量，邀请偏瘦的同学上台称重，并将体重秤及周围画面通过手机投屏至大屏幕。秤重过程中，教师偷踩体重秤，学生马上提出抗议，认为教师作弊。教师随即以连续的问题：“体重秤的示数不就是体重吗？”、“秤究竟测量的是什么？”、“如何才能测得准？”引发学生思考，引导学生用受力分析的方式进行研究，并要求学生将对应示数的力标注出来。

教师结合学生作答情况，投影展示纠错并总结秤重原理：当人静止时，人受到自身重力和秤对人的支持力，二力平衡；根据牛顿第三定律，秤对人的支持力和人对秤对压力是相互作用力，等大反向，因此秤可以通过测量自身受到的压力来反应人的重力，但两者相等是有条件的。根据上述分析，引出实重和视重的定义，从而让学生在趣味互动中主动思考，建立起视重和实重的概念，在理论分析中了解利用牛顿第三定律来建立两物体联系的技巧，明确灵活选取研究对象的重要性。
二、再激冲突，建立联系，界定概念

趣味活动二：魔法黑箱

教师仍称自己会魔法，先邀请同学将教师准备的黑箱称重，随后教师大幅上下晃动一次黑箱（如图1），再次放上同样的体重秤，在没有外界影响下，通过大屏上不断变化的示数，引起学生强烈的认知冲突，激起学生的好奇心。

图1

学生在好奇心的驱使下积极进行猜测，不难得出箱内有物体在运动，教师引导学生说明猜想的原因并帮助学生提炼猜想背后的观点：力与运动之间有联系。然后教师将验证的机会交还给学生，请学生在体重秤上验证力与运动是否有联系。当学生在秤上蹲立的过程中，教师插问：“是这位同学的重力发生变化了吗？”再次巩固学生对视重和实重的认识。接着教师追问：“这位同学的运动状态和秤受到的力有关？这两个对象不统一啊！”借此帮助学生再次明确灵活选取研究对象的重要性，帮助学生了解力和运动之间存在密切联系。为了更好地研究这种视重和实重不相等的情况，教师可以很自然地引出超重和失重的定义。

三、科学探究，改进探索，体验成功

活动三：科学探究

根据设计流程（如图2），教师以“什么情况会出现超重？什么情况会出现失重？”这两个问题引导学生进入科学探究环节，教师在板书上记录学生的猜想并建立表格（如图3）。

学生以小组合作的形式，利用体重秤和弹簧测力计开展定性探究，发现观察困难。教师引入传感器进行记录数据，利用传感器演示下落的探究过程（如图4前半部分），

上升过程则交由学生进行探究，并由学生总结规律。教师引导学生观察传感器所记录的图像，发现传感器的示数在不断变化，从而引出第二个问题：超失重的程度与什么因素有关？为了完成定量探究，教师将加速度传感器和力传感器进行组合，以此来

在得到拉力F与加速度a的图像后，教师进行直线拟合得到两者表达式（如图6）。

请学生讨论分析与坐标轴的两个焦点的含义（如图7）。

随后教师要求学生利用牛顿第二定律来寻找F与a的关系。

学生得到： (1)

变换后得： (2)

与图中得到的表达式进行对比验证，最终理解超失重的程度与物体的加速度a和物体的质量m的乘积有关。此时教师再将黑箱拿出，再请学生对内部物体的具体运动情况进行猜测，并开箱验证，从而完成对超失重条件和影响因素的科学探究。

四、游戏挑战，课外拓展，灵活应用

教师结合F-a图像，向两个方向进行外推，当a向上越来越大时，支持力也更大。与此同时，教师可进行拓展，向学生介绍火箭发射时宇航员采用躺姿的原因；当a向下越来越大，直至a=g时，物体对支持物完全没有作用力，也就是弹力消失了，这种状态称为“完全失重”状态。在这种状态下，一切因重力而产生的现象将会消失：物体漂浮在空间站里、液滴呈球形、喷水失射等等。

活动四：游戏挑战

教师提出一项游戏挑战：不翻开字典，抽出教师事先夹在字典中的餐巾纸。教师先演示将字典放在桌面上抽出餐巾纸，发现餐巾纸直接就被扯坏了，随后鼓励学生上台尝试，若成功，请学生解释其中技巧；若失败，教师适当引导暗示，帮助学生完成挑战。

教师引导学生分析摩擦阻力的来源以及影响阻力的因素，并提示学生改变力的方法之一可以是改变物体的运动状态，启发学生思考，最终让学生成功抽出餐巾纸。

在学生总结成功经验时，教师提问“完全失重状态的运动情形仅有自由落体吗”，引导学生回归力学分析。学生不难发现，要使加速度为g，物体只受重力即可。教师提醒学生一种力学状态可能对应不同的运动状态，并演示在上抛过程中抽出餐巾纸。最后，教师留下课后探究问题：完全失重时，浮力是否存在？借此激发学生探究兴趣，鼓励学生应用身边素材自行设计实验，进行验证。

五、总结和反思

1．找准认识偏差，激发认知冲突

教师在备课时，要找准学生认识偏差处，设置活动，激发认知冲突，引起学生的思考，从而促进学生积极主动地构建良好的认知体系。在第一次趣味互动中，学生很明显地发现教师“作弊”，但对于称重的原理仍处于似懂非懂的状态，教师从这点出发设置问题并开展受力分析，使学生意识到视重和实重的差别，为后续学生建立起超重和失重概念做好铺垫。在黑箱互动中，学生困惑于箱内构造，教师通过分析学生的猜想，帮助学生提炼观点，点明力与运动之间有联系的同时将验证的机会交还给学生，既激提高了学生的积极性，又让学生意识到自己的猜想背后有核心观点的支持，并且使学生通过亲自验证，强化了力与运动有联系的这一认知。

2．利用现代技术，贯彻科学探究

通过让学生体会常规实验的局限性，加深学生对传感器操作简便、数据准确的特点的认识。学生运用传感器进行探究，免去了操作和设计上的众多困扰，学生借助不同传感器的组合利用，可以同步测得各物理量的精准数据，结合数据拟合功能便能得到相应的函数图像。另一方面，在得到图像的基础上，从理论分析角度也能够将相关物理量之间的关系进行数学描述，将两者进行对比便可验证理论与实验的统一，体会物理规律的统一之美，将科学探究从纯粹实验规律的总结，贯通至与理论分析的融合，让理论分析落地，让实验结果开花。

3．创生活化情境，落实核心素养

从生活现象中寻找合适的物理现象，设计生活化物理实验，在引发学生兴趣的基础上，对学生认知的薄弱环节设置支撑点，用明显、直观或具有冲击的现象引起学生的思考，或利用身边易获得的材料设计游戏挑战，将物理知识和科学思维融入到解决具体的社会生活问题中，增强物理与STSE的联系，提高学生科学思维和创新能力，帮助学生形成正确的物理观念并培养科学态度与责任感。

参考文献：

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[3]陈洪云, 马慧, 朱凤武,等. \"超重与失重\"数字化实验的设计[J]. 中学物理:高中版, 2019, 37(1).

[4]孙留桥. “生活化”物理实验培养学生科学素养的探索[J]. 物理教师, 2013.