随着教育改革深化，现行教育教学日益关注学生不断变化的认知能力，正从过去的“解题能力提升”向“培育解决问题的素养”转型。教育界将提升学生核心素养作为重要议题开展研讨与实践，义务教育课程标准虽历经多次修订，但最近几次修订都着重强调物理学科的四大核心素养，其中物理观念的形成是其他素养进阶的重要基石
［1］。物理观念的进阶，是自然现象中的物理概念和规律本质在学生头脑中生根、升华的过程。
在教学中教师需充分调研学生已有的物理认知，引导、纠正不科学的错误经验认知，为物理观念的生根预留充足空间，方能实现其升华；而物理观念的形成过程，本身也是科学思维、科学探究、科学态度与责任协同发展的过程，可见核心素养四要素是相互渗透、相辅相成的有机整体。
笔者以苏科版“摩擦力”实验教学为载体，分析学生已有错误认知及其成因，鼓励学生在实验探究创新的基础上，借助数字化实验探究助力学习。在此过程中，笔者对整个探究活动进行问题预设，通过设计带有认知冲突的问题和活动，让学生的原有经验与实验结论产生矛盾，进而重构其思维与观念，使学生的物理观念在问题情境中经历现象观察、认知冲突、观念生根、思维升华的过程，以切实帮助学生进阶物理观念，提升核心素养。
1 学生错误认知及其成因的探讨
对于初中学生来讲，学生已被动接触摩擦力现象十几年，他们通过感觉、直觉、知觉对相关现象有了具身体验，通过这些体验，他们对与各种摩擦力相关的原理都会有自己的前概念，这些前概念在日常生活中不断被固化，从而形成对摩擦力的认知，而这些认知往往是经验性的感受，且这些常见的认知往往是片面的，缺乏科学逻辑推理，因此大多数认知都是错误的。这些错误认知的存在，直接阻碍了其科学物理观念的建构。笔者对学生进行调研，发现较为常见的错误认知有以下6种：维持物体的运动需要有力的参与；不论在什么情况下，压力总等于重力；物体受到的力总是等大反向的，与物体的运动状态无关；静摩擦力与滑动摩擦力一样，都与正压力成正比；摩擦力总是阻碍物体运动，其方向总与运动方向相反；运动（静止）的物体一定受滑动（静）摩擦力。
以上6种错误认知有其形成的环境，在授课前物理教师需要深析其成因，加以准确引导和纠正。笔者对上述6种错误认知进行详尽梳理、溯源，探究其成因，以切实为今后的相关物理课堂教学提供有益的参考。
错误认知1：维持物体的运动需要有力的参与。
学生平时看到的物体运动都需要外界施加力，比如：当学生用力去推门时，门就会被关上，推门的力撤掉时，门就会立刻停在那个位置；当田间的牛拉着粮食车时，车就会向牛跑的方向前进，牛停下来，车也会跟着停下来；停在车站的火车只有在车头的拉动下，才能往前运动......这些生活中的现象，给学生最直观的感受就是物体要想运动起来，都需要力的参与，因此他们就会认为维持物体的运动需要有力的参与。随着日积月累的固化，该错误认知就根深蒂固于学生的大脑中，这些错误认知就成了学生自以为是的科学概念，在学习物理时这些现象就变成了他们的生活经验或他们认同的物理观念，他们还会用其去解释与此相关的物理现象。
错误认知2：不论在什么情况下，压力总等于重力。
对于学生来讲，质量越大的物体重力越大，如果将其放在地面上，对地面的压力也就越大，因此学生就会将压力与重力画上等号。其实压力与重力相等是有前提条件的，需要地面是水平的，且物体在竖直方向处于平衡状态。条件一旦不满足，等量关系就不成立。但实际情况是学生无法从自己的生活经验中获得该物理现象的内涵，再加上教师在讲课过程中没有展示并纠正学生的错误认知，学生对这个错误认知就会深信不疑，还会自然地将该错误认知归纳到自己的知识体系中予以广泛应用。如
图1所示，一木块紧靠竖直墙面往下滑，学生受到错误认知2的影响，认为木块靠着墙面了，因此对墙面的压力就等于重力。把物体放到斜面上时，学生认为压力等于物体的重力也是受错误认知2的影响。其实都是因为相等的条件不满足，所以才会出现压力与重力不相等的情形。
错误认知3：物体受到的力总是等大反向的，与物体的运动状态无关。
初中学生对力的分析往往只限定于合外力为零的情况，因此平时若有相关的问题都属于该情况。教师在课堂上所举出的例子，往往也是顾及学生的认知，有选择性地进行选择，并没有让学生体验真实情境中存在困难的部分，缺少对有加速度物体的受力情况分析，以至于学生从来不关注物体的运动状态，他们默认物体都处于平衡状态，这种错误理念根深蒂固，导致学生形成了错误认知3。他们还会习惯性地用于一些情境中，如
图2所示，一木块在不光滑的水平面上向左运动，物体同时受到一个向右的力，在错误认知3的影响下，学生会得出摩擦力向左的错误结论，并没有去分析物体是什么状态，也没有分析物体对物体施加摩擦力应满足的条件，只是简单地认为力总是等大反向，科学思维的缺失导致错误认知3的产生。
错误认知4：静摩擦力与滑动摩擦力一样，都与正压力成正比。
在平时生活中，学生去推动停在地面上的物体时，如果物体的重力越大，往往就越难推动，于是学生就会认为静摩擦力与正压力成正比。究其原因，是学生没有对物体的运动状态进行分析，科学逻辑思维尚未形成，仅仅停留在观察到、感受到、猜测出的层面，并将其固化为解决问题的理论，进而形成了错误认知4，认为静止在地面上的物体静摩擦力都是一样的。如果在探究活动中加入相关的思维冲突和情境体验，学生就能从本质上纠正错误认知4，进而促成物理观念进阶。
错误认知5：摩擦力总是阻碍物体运动，其方向总与运动方向相反。
在日常生活中，学生接触到的摩擦力情境通常是阻碍物体运动的，所以会与运动方向相反。日常生活中的摩擦力现象发生于地面上，而地面通常被默认为是参考系，因此，只要物体向哪个方向运动，都是相对于地面的运动方向。此时的摩擦力自然就成了运动的阻力。由此可见，熟悉的生活情境让学生忽视了“相对”的本质内涵，导致学生形成了错误认知5。对于该情况，理应根据学生的认知盲区设计好新探究情境，助力学生形成应有的科学观念。
错误认知6：运动（静止）的物体一定受滑动（静）摩擦力。
学生形成错误认知6与错误认知5的原因一样，一提到摩擦力的判断，学生总是想到地面上的情况，在探究错误认知5的错因时已经详述：当地面作为参考系时，自然将地面看成是静止的。因此，就会误以为相对于地面运动（静止）时的摩擦力是滑动（静）摩擦力，没有意识到错误认知6的不妥之处。接着，就会很自然地将其延伸运用到其他情境中，在不断的错误应用中，该错误认知在学生的大脑中不断生根、固化。因此，教师只要设计出摩擦力也可以作为动力的探究情境，就可以让学生的思维在冲突中得以发展、生长、进阶，从而切实促进学生物理观念、核心素养的进阶。
2 物理观念生根与升华的策略研究
物理观念的生根往往需要以学生的体验作为基础，学生只有经历符合学生观念进阶的体验，才能以实践为基石生成相应的认知。因此，在这个过程中需要分析学生已经经历的哪些情境导致学生有了不当的认知，或者已经总结出固有认知所存在的问题，却还没有予以纠正。要充分掌握学生的认知现状，只有这样才能设计出纠偏扶正的科学探究实验，顺理成章地将物理观念生根。因此，教师需要深挖学生过去所看到现象的内涵，科学地加工、整合物理原理，从看到的众多情境中总结出事物的共性，深刻掌握其蕴含的原理，引领学生从想当然的错误认知向物理观念生根、升华转变。笔者根据上述6种典型的错误认知的事实，基于数字化赋能理念，采用以下举措引领学生走出认知误区，提升初中学生的科学思维与物理学科核心素养。
2.1 制造认知颠覆，铺设观念生根台阶
要想让物理观念在初中学生的头脑中形成，首先要能够让学生认识到生活中丰富多彩的现象与物理知识之间的关系，再反刍现象中蕴含的原理，对原理进行多维度验证、总结，只有这样才能真正掌握物理知识的本质，进而建构好物理概念，对物理概念进行内化、应用，对相关规律进行深度结合与整合，只有当物理概念成为学生科学思维品质中的一部分时，物理观念才算初步形成。
对于错误认知1，只要创设出物体未受到力还运动的探究情境即可制造出认知颠覆的案例，比如我们推小车一下，松手后，小车继续向前运动，与平时手推物体物体运动、不推物体物体静止的现象进行对比，就可以帮助学生纠正错误认知1：物体最终会停下来，说明运动状态在力的作用下会发生改变，这就为后续的思维进阶提供了保障。
对于错误认知3，有了对错误认知1的纠正铺垫，学生已然初步掌握对力的分析要结合物体的运动状态进行，由此可见，认知的纠正不是独立的，而是相辅相成的。教师通过一个设计能将多个错误认知予以纠正，让学生的物理观念尽可能通过较为简单的情境生根，只有这样才能最大限度地减轻学生学习的负担与压力。
尽管学生在课程开始之前对摩擦力知识已有一定程度的理解，但大多数的理解是看到现象后想当然的总结，相对比较片面。因此，教师需要根据学生的错误认知进行系统设计，制造认知颠覆，让学生在知道问题、面对问题、解决问题的过程中进行科学探究，形成科学思维，如此才能为物理观念的生根铺设台阶。
2.2 精准引领问题，构建观念生成环境
教学要想产生较好的效果，精准的问题设计可以有效带领学生走出思维的盲区，用符合学生思维发展需求的问题去促进学生深度思考。比如，教师可以设计生活中常见的情境：在地面上拍篮球，篮球会弹起，请学生分析弹起过程中篮球的受力情况。学生就能够自然地意识到认知1的不妥之处，因为在弹起过程中重力和阻力都是向下的，但是篮球却可以向上运动。借助拍摄的篮球接触地面时的动态视频，学生会发现篮球的形变在不断变化，因此产生的弹力大小自然也在变化，而重力又是不变的，就可以顺利地帮助学生纠正错误认知2和错误认知3。用生活中常见的体育活动项目让学生意识到力与运动状态之间的本质联系，可在精准问题的引领下及时纠正原有的多个错误认知，有效构建学生物理观念的生成环境。
2.3 优化探究方案，进阶科学思维能力
教材对摩擦力的测量方法是采取缓慢拉动木板，确保木板做匀速直线运动。然而，这种做法要求较高，实践中难以实现，且对学生科学思维的培养不够全面。鉴于此，笔者进行了如
图3所示的改进。
步骤1：将木板置于水平实验桌面上，再将木块置于木板上，在木块上放一个砝码。
步骤2：将铁架台置于木板右端桌面上，将弹簧测力计的上端固定于铁架台上方的横杆上，用跨过光滑定滑轮的细线将测力计的挂钩与木块相连。
步骤3：调节下方横杆的高度，使拉木块部分的绳子水平；调节上方横杆相对铁夹的位置，使拉挂钩部分的绳子竖直。
步骤4：缓慢向左拉动木板，保持木块与砝码相对于桌面静止。
步骤5：在木块上增加一个砝码，重复上述实验。
可先固定木板，让砝码停留在木块上，缓慢拉动木块，砝码因受到摩擦力而与木块一起向前运动，此时摩擦力是动力，错误认知5在此得以纠正。拉动木板，同样的物体未发生相对滑动时，可看到弹簧测力计的示数不同，有效纠正了错误认知4。如此改进以后，在测定滑动摩擦力时，只要确保木块静止，缓慢拉动木板，就不需要任何物体做匀速直线运动，在这个过程中无论木板怎样运动，与木块的作用力大小始终为滑动摩擦力的大小，因此学生可以观察到木块（含砝码）始终静止，但是木块受到的却是滑动摩擦力，让学生的错误认知6在此予以更正。另外，弹簧测力计呈竖直状态，也有利于准确读数。由此可见，优化探究方案可以全面、系统地助力学生科学思维进阶。
2.4 数字化赋能，挖“错知”引“观念”入脑
以上设计活动已经可以较好地帮助学生挖出错误的认知，但要想让物理观念植入学生的知识体系中，就需借助数字化
［2］传感器赋能，从而更加有效地促进学生物理观念的进阶。为此，教师可以引入压力传感器（
图4）和拉力传感器（
图5），将力的数据实时显示在计算机屏幕上；将
图4设置为可调节倾角的斜面，让学生实时观察压力与重力的大小关系及其随倾角的变化。这一设计在纠正学生错误认知的同时，也为学生高中物理的定量受力分析提供了前置环境。在
图5中，物块上方可以加上质量不等的砝码，让学生实时看到摩擦力的变化情况，借助定量的数据及数据图，让学生对压力、摩擦力等一系列相关问题有更深刻的理解。数字化赋能有效消除学生的错误认知，为引导物理观念入脑提供足够的空间。
2.5 增设实际问题，升华学生物理观念
纠错至此，学生的物理观念已然生根于头脑，但要想提升学生的核心素养，还需要升华物理观念，因此，我们只有增设实际问题，才能达到该目的。物理观念是否获得升华，其标准就是学生能否解决包含非物理知识本质特征的实际问题，比如：学生在体育课上进行爬杆比赛时的受力情况分析。在这样的情境中，学生需要解决较多的问题：学生受到的摩擦力类型是静摩擦力还是滑动摩擦力？在运动状态不一定相同时，该如何根据不同情况分析摩擦力的大小？学生在爬杆的过程中，为什么不抓紧竖直杆就会下滑？这些问题的解决需要学生具备高阶的物理观念，只有这样学生才可以顺利解答此类问题。要想解答好以上问题，学生就要掌握以下知识：摩擦力概念的类型，几种运动状态下的合力情况，抓紧的目的是增大正压力，以提升最大静摩擦力。只有通过增设实际问题，学生的物理观念才能得以升华，剖析实际问题的能力才会得到提升，从而切实让学生从解题走向解决实际问题，提升学生的物理核心素养。
3 启示与展望
对于物理观念的生根与升华，只有教师在教学活动中充分尊重学生的认知实际与需求，才能在真实情境中提升学生的科学思维与核心素养。信息时代的到来，为培养学生的素养提供了更广阔的平台，利用数字化赋能教学
［3］，就是一种助力学生物理观念进阶的尝试，虽然这样的尝试对学生的观念提升效果还不能预知，但能从多维度助力学生进阶思想，体现了对学生需求的充分尊重。如此，必将帮助学生树立信心，主动探索更多有魅力的物理情境，在积极的探索中提升物理观念与核心素养。
2023年度江苏省教学研究专项课题“基于数字化学习的‘问究课堂’教学变革与创新研究”(2023JY15-GL101)
京公网安备11010202008535号
PDF
(481KB)
