吕德明
浙江省温岭市城南中学
摘要：本文从学生的经验事实出发，将机械运动的教学按照学生思维发展的过程和时空观建立的过程展开。建立概念时运用抽象思维，理性地分析。运用概念时借助形象思维，加深对概念和观念的理解。解决复杂的真实问题时利用直觉思维，实现概念迁移创新。最终实现学生认知的飞跃。
关键词：思维 概念 运动 静止
自然界中的万物都处在不断地运动和变化之中，运动是物质的固有属性，静止是相对的，有条件的。物质的运动形式有：机械运动、物理运动、化学运动和生命运动等。机械运动是自然界中最简单的一种运动形式。然而在人类绝对论的时空观下，建立这个概念并非想象中的那样轻而易举。因此在教学中要让学生经历认知冲突，经历抽象思维、形象思维和直觉思维的训练，才能实现概念认知从抽象到具体、从局部到整体、从感性认识到理性认识。
一、利用抽象思维建立科学概念
科学概念的建立过程是对事物的本质特征和内在联系的认识过程，因此科学概念的建立就是抽象思维的结果。从宏观上看，抽象思维的过程可概括为感性具体→思维抽象→思维具体。[1]
（一） “随类相从”实现从感性具体到思维抽象的转换
在学习任何知识之前，根据生活经验，学生们的头脑中都有一系列对自然现象的解释。科学概念的建立需要整合他们的经验，并在此基础上归纳出来。因此，我们可以通过情境重现来帮助学生们建立运动和静止以及参照物的概念，从而达到认识的第一次飞跃。
例如，在机械运动教学中我们首先让学生根据图（1）提供的情境，思考并回答。问题1：列车显示屏上的文字是否运动，并说明理由。问题2：钟南山院士从广州赶往武汉参与抗新冠肺炎战役，靠在座位上闭目养神的他是静止还是运动的，并说明理由。
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对于这个大家都经历过的现象进行判断，大部分学生都能比较容易地判断出显示屏上的文字在运动，因为它靠近了一端、远离了另一端。钟院士处于静止状态，因为他没有主动运动，相对于座位保持静止。如图（2）分析两个关于运动的判断，它们有着共同的特征：都要先选择一个物体作为主体，相对于另一个物体作为客体，研究主体和客体是否发生位置的改变。建立概念的过程就是将感性具体的文字和人，抽象成思维具体的物体。由此得出，物体空间位置发生改变的运动即为机械运动。物体位置发生改变则运动，没有改变则相对静止。而被拿来比较的客体就称为参照物。学生对于运动的判断经常会想当然的以自我中心，而忽略了列车正在行驶这一事实。这时，如果我们以车外的房屋为参照物，我们就会得出钟院士处于运动状态。根据两种不同的参照物，我们得出了两种截然不同的答案。这就会在学生心中产生强烈的认知冲突，这时参照物的概念便迎刃而解：参照物是为了便于研究物体的运动而假定“不动”的物体。同时学生们也能理解假定“不动”不代表真的“不动”。因此，选择不同的参照物就会得出运动和静止不同的结果。选取如上案例进行分析既符合了学生们的生活经验，又使他们了解了抗疫的伟大科学家。通过说明理由这一环节，将学生在生活中往往不自觉地选取身边的物体或地面为参照物，以及判断时通常也不会说出参照物是什么的问题得以解决。[1]
（二）“有的放矢”实现从思维抽象到思维具体的跨越
科学学习的目标是寻求对自然现象的最合理的解释。因此，必须将认识从思维抽象上升到思维具体，实现认识的第二次飞跃。通过游戏有助于建立感性认识，是实现思维具体化的有效途径。
运动和静止具有相对性，这是一个十分抽象的概念。如何在教学中建立这一概念，如何将这一概念在实践中应用，如何帮助学生在真实问题解决中进行迁移创新等，就显得格外重要。而采用游戏体验的方法则能较有效地解决这些难题。
游戏：两人一组参加“背夹篮球”比赛。要求：2人背靠背中间夹一个篮球，步调一致向前走；向前走时，双手必须在身体前方，不能碰到篮球，否则罚五秒；中途掉球，原地进行调整。行程20米，用时最少的队伍获胜。
通过游戏活动分层次进行运动和静止的判断，培养学生解决真实问题的能力。问题1：让观察的学生判断比赛过程中的同学和篮球是静止的还是运动的。问题2：参与的学生判断自己和合作伙伴及篮球是静止的还是运动的。问题3：篮球未掉落用时最短的同学介绍获胜的注意事项。问题1、2两个判断容易得出运动的结果。问题3难度较大，因为比赛者要保持在相对静止情况下的快速运动才能获胜。游戏创设了一个真实的问题情境，在解决问题的过程中，学生需要将抽象化后的概念与具体的事物联系起来，这种联系就是思维具体的过程。通过游戏活动，学生们的学习兴趣会更浓厚，学习主动性会更突出，同时对运动和静止是相对的概念体验会更深刻，保持会更持久。
二、利用形象思维形成科学观念
以具体生动、形象直观的形象思维对客体进行研究，可以激发学生思维的灵活性、创造性和想象性。因此，形象思维可以促进科学概念的理解，并将科学概念系统化，形成科学观念。
（一）“惟妙惟肖”拓展时空建立正确的运动观
地面以及地面上的物体如山脉、房屋和树木等，在学生的认知中都是绝对静止不动的代表。那么我们平时感觉不出运动的地球以及地球表面的物体，是不是真的绝对静止不动呢？为了解决这一问题我们可以将视野扩大，以更大的时空观去认识这一问题。
动画展示，图（3）地球的自转和图（4）地球绕日公转。在太空中看地球，它即有宏观的高速运动，如赤道上自转的速度最大约每天40000千米；地球绕日公转的速度约每秒30公里。同时地球也有宏观的低速运动，如板块运动的速度每年大约是几厘米。视频展示，譬如珠穆朗玛峰的形成，就是在这样宏观的低速运动下经过漫长的时间累积而成的。生动形象的动画和视频模拟，有助于学生理解地球本身也在进行着复杂的运动。拓展学生的时空观，我们会发现学生原来的认知是不完善的，这需要不断地修正。最终帮助他们形成，地面不是绝对静止不动的这一概念。
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（二）“披沙拣金”建立理想化模型
对研究对象进行理想化的构想和推理，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，最终形成理想化的形象。这有助于揭示事物自身的本质特征，同时也有利于研究不同事物之间的内在联系。
1.研究对象的理想化模型
在初步建立了运动和静止的概念后，通过对材料的继续挖掘，有利于将学生对概念的理解从抽象到形象，将分析解决运动学问题的方法显性化。分析图（5）图（6）图（7）完成以下问题。问题1：2020年1月18日，84岁的钟南山院士从广州出发到武汉参与疫情防治。经过2小时40分钟的行驶列车现在到达长沙站。约1小时10分钟后列车到达武汉站。在图中用圆点标出，本次列车起始（即过去）位置、现在的位置和最终（即未来的）位置。通过标注，学生们可以将无痕的运动化为有形点和线，这样就可以精确定位物体。同时也能深刻体会到，描述运动和静止离不开时间这条无形的线索。对一张地图进行标注看似简单，但它也反映了运动学问题经常要通过建立一维直线坐标（即数轴）或二维平面直角坐标系来分析解决的策略。这些处理问题的方法为以后解决运动和静止的问题指明方向。为什么列车的位置可以用圆点标注呢？因为列车在前进时，各个位置的运动情况基本一致。而列车自身的长度相对于广州到武汉的距离而言可以忽略不计。这时列车就可以用一个有质量而忽略形状和体积的点代替，这个点就是质点模型。问题2：如何描述物体运动的方向？学生很容易分析出用箭头指示，箭头从起点指向终点，代表运动的方向。问题3：箭头画反了有影响吗？箭头画反看似一个小错误，但是在实际生活中却会导致南辕北辙的现象发生。问题4：如图（6）在原地旋转的陀螺属于机械运动吗？这个问题的判断会对很多同学产生强烈的认知冲突。陀螺在原地旋转看似没有发生位置的改变，但是陀螺却在旋转，这该如何解释呢？这个问题的发生主要原因是：陀螺旋转速度快，陀螺自生有着较高的一致性，观察者会误认为所观察到的一面没有改变。为了便于理解，我们可以用图（7）旋转木马模型进行类比。木马在旋转我们容易判断，因为木马旋转速度慢，各个位置又存在着明显的差异，不同时刻不同动物会出现在不同位置，所以木马的运动属于机械运动。通过一系列问题链的解决，同学们会体会到利用模型处理问题时，我们需要将复杂的问题简单化，抽象的问题具体化、形象化，从局部到整体地认识事物。这样有助于降低学生解决实际问题时的思维跨度，对于其科学核心素养中科学思维的培养也会更有利。
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2.运动过程的理想化模型
自然界的机械运动种类繁多，依据什么标准才能对它们进行分门别类的研究呢？针对这一问题，我们需要将物体各个时刻的运动记录下来。利用物体运动过程中留下的痕迹，形象地建立物体运动的过程模型。
运动的物体会在周围空间留下有形或无形的痕迹，利用这些痕迹我们可以更好地对物体的运动进行研究。根据图（8）我们会发现走在沙滩上的人的运动轨迹，如果将各个脚印用一条光滑的曲线连接起来，就可以反映出人的运动情况。根据图（9）我们也可以确定漂移的汽车的行驶路线。通过图（10）我们可以确定飞机的飞行路线。自然界中物体的运动能形成有形的轨迹并不多见，也有很多物体的运动轨迹是难以直接呈现。这时我们可以通过频闪照片的方式来确定物体的运动情况，如图（11）投出的篮球在空中的运动轨迹。通过这些处理可以形象具体地展现物体的运动特征，进而对机械运动的分类才能有据可循。根据物体运动的轨迹不同我们可以将机械运动分为直线运动和曲线运动。对于像旋转木马这样的复杂的机械运动，实际上它可以分成竖直方向的直线运动和绕中心轴的圆周运动。因此它是由一些简单的机械运动的组合运动，我们最终看到的旋转木马就是这两个运动的共同作用后的效果，这样处理也为高中运动学中运动的合成和分解埋下伏笔。
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三、利用直觉思维培养创新能力
直觉思维是形成迁移创新能力的重要保障。解释科学现象、解决科学问题都需要从整体上把握事物，需要掌握大量的知识和经验，这恰好符合直觉思维的特点。因此，直觉思维是在抽象思维和形象思维的基础上，通过对科学问题深入的思考才最终迸发产生的。
当学生用学过的知识可以具体地解释生活中的现象，解决现实中的问题，并能预测事物发展的未来趋势时，他们的求知欲就会被充分激发，也能体会到这个知识的价值。教学中我们可以根据图（12）（13）设计这样的情境1：如果你是双人跳水比赛动作同步分裁判，你会如何给分？如何解释中国双人跳水运动员的“神同步”？情境1的核心是同步，用运动学的观点就是两名运动员在比赛时要保持相对静止。“神同步”则是时刻保持相对静止。情境2：人类一直试图突破速度的极限，如果你是一名飞机设计师，如何验证你设计的飞机在高速飞行时受到的阻力比以往的飞机更小？情境2是对运动和静止相对性的综合运用。出于安全性考虑，设计师不会直接将飞机试飞。飞机在大气中飞行时，我们近似地认为飞机运动空气静止。如果我们利用运动和静止的相对性，把持飞机固定，通入一定速度和密度的气流可以到达相同的效果。风洞实验就是在这样的思路下设计而成的。风洞试验还可以测量很多物体在空气中运动时所受到的阻力，如航天航空、交通设施、建筑以及运动器材研制等方面。这些事例都充分地说明，利用直觉思维，把握运动和静止的相对性，能创造性地帮助人类通过实践把对事物的认识变为对世界的改造。
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总之，运动学的学习就是要基于科学思维的培养，让学生不断完善相对论的时空观。通过一系列的教学设计可以让学生真正体会到：“世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以认识的，认识是发展变化的。”
参考文献：
[1] 田世昆，胡卫平.物理思维论[M].南宁：广西教育出版社，1996：76.
[2] 朱清时.义务教育教科书·科学·七年级下[M].杭州：浙江教育出版社，2013：88.