黃端文

(浙江省景寧中學(xué) 浙江 麗水 323500)

基于認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、科學(xué)哲學(xué)發(fā)展而來的概念轉(zhuǎn)變理論，對于當(dāng)前的高中物理概念教學(xué)具有重要的指導(dǎo)意義.相關(guān)研究表明，學(xué)生的概念學(xué)習(xí)是一個(gè)發(fā)展過程，學(xué)生頭腦中的前科學(xué)概念在這個(gè)過程中占據(jù)重要的影響.著名教育心理學(xué)家奧蘇貝爾曾說，“假如讓我把全部教育心理學(xué)僅僅歸結(jié)為一條原理的話，那么，我將一言以蔽之曰：影響學(xué)習(xí)的唯一重要因素就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么.要探明這一點(diǎn)，并據(jù)此進(jìn)行教學(xué).”物理概念教學(xué)在很大程度上應(yīng)該依靠學(xué)生頭腦中原有的前科學(xué)概念，通過概念的轉(zhuǎn)變，形成科學(xué)概念，但目前運(yùn)用概念轉(zhuǎn)變對高中物理教學(xué)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)還很少見到，這一案例是想引起廣大高中物理教師對概念轉(zhuǎn)變在教學(xué)中的應(yīng)用給予關(guān)注.

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在教學(xué)過程設(shè)計(jì)中，主要采取“問題情境引入、探測已有概念、產(chǎn)生認(rèn)知沖突、解構(gòu)迷思概念和建構(gòu)科學(xué)概念、形成新的認(rèn)知平衡”的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)策略.整節(jié)教學(xué)內(nèi)容是“速度(平均速度和瞬時(shí)速度)”(注：人教版教材本節(jié)的內(nèi)容安排是“坐標(biāo)與坐標(biāo)的變化量”、“速度”、“平均速度與瞬時(shí)速度”).

對于“速度”這一內(nèi)容，具體的設(shè)計(jì)思路是：通過問題情境引入“速度”的學(xué)習(xí)任務(wù)；通過學(xué)生完成的關(guān)于“速度”的概念圖和二段式測驗(yàn)情況來探測學(xué)生已有概念；呈現(xiàn)問題情境和小組討論促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突；以學(xué)生的前概念為切入點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知沖突，對已有的概念產(chǎn)生不滿，教師在此基礎(chǔ)上解構(gòu)迷思概念,所謂“迷思概念”就是頭腦中存在的與科學(xué)概念不一致的認(rèn)識.通過有效策略引導(dǎo)學(xué)生解決認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念；進(jìn)而結(jié)合前面所學(xué)知識引導(dǎo)學(xué)生辨析平均速度和瞬時(shí)速度，最后通過課堂形成性練習(xí)促進(jìn)學(xué)生形成新的認(rèn)知平衡，完成概念轉(zhuǎn)變.

2 學(xué)習(xí)者分析

一般而言，高一學(xué)生在經(jīng)歷了初中階段的學(xué)習(xí)后，思維能力得到了較好的發(fā)展，抽象邏輯思維逐漸取代形象思維占據(jù)主要地位.學(xué)生的一般特征主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

(1)學(xué)生能夠按照探究性學(xué)習(xí)的過程利用假設(shè)思維進(jìn)行學(xué)習(xí)；

(2)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自我調(diào)控能力得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，學(xué)習(xí)過程更加具有目的性；

(3)在某種程度下學(xué)生思維不再是“抱殘守缺”，而是較為容易接受新事物；

(4)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)由興趣支撐逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛梢庵局?，學(xué)習(xí)的目的性更加明確；

(5)學(xué)生之間的交流對于學(xué)生學(xué)習(xí)具有一定的影響.

關(guān)于“速度”的學(xué)習(xí)，學(xué)生在初中階段科學(xué)學(xué)科中所接受的定義是，單位時(shí)間內(nèi)通過的路程.這與高中對于“速度”的定義截然不同，學(xué)生雖然通過初中階段的學(xué)習(xí)具備了一定的基礎(chǔ)，但這個(gè)基礎(chǔ)里大部分仍然是迷思概念.如何將初中階段所接受到的關(guān)于“速度”的迷思概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念，達(dá)到一個(gè)新的認(rèn)知平衡是本節(jié)課的一條主線.同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識到學(xué)生在初中階段的學(xué)習(xí)以及前面關(guān)于“位移”、“路程”的學(xué)習(xí)為本節(jié)課奠定了一個(gè)很好的基礎(chǔ).

本節(jié)課可能存在的問題有兩個(gè)，一是學(xué)生根據(jù)初中階段的學(xué)習(xí)積累對于“速度”難以產(chǎn)生正確、客觀的認(rèn)識，其中所存在的迷思概念需要在教學(xué)過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)變；二是學(xué)生對于“平均速度”、“瞬時(shí)速度”兩個(gè)概念可能會有所混淆，教師應(yīng)該利用課堂呈現(xiàn)的問題情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效區(qū)分.

3 學(xué)習(xí)任務(wù)分析

“運(yùn)動快慢的描述——速度”是人教版高中《物理·必修1》模塊第一章“運(yùn)動的描述”中的第三節(jié)內(nèi)容.這一節(jié)內(nèi)容涉及到的具體概念較多，本節(jié)課的主要內(nèi)容在于正確理解“速度”(包括“平均速度”、“瞬時(shí)速度”)并學(xué)會運(yùn)用這些物理概念，分一課時(shí)進(jìn)行.物理學(xué)中，要比較物體運(yùn)動的快慢有兩種方法，一種是位移相同，比較物體運(yùn)動所用時(shí)間的長短，時(shí)間短的物體運(yùn)動得快；另一種方法是時(shí)間相同，比較物體運(yùn)動位移的大小，位移大則代表物體運(yùn)動得快些.但是為了尋求一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般用速度這一物理量來描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的快慢和方向，其大小等于位移與發(fā)生該位移所用時(shí)間的比值，方向就是物體運(yùn)動的方向.高中物理關(guān)于速度的定義與學(xué)生在初中科學(xué)中所接觸的定義不一樣，初中科學(xué)將“單位時(shí)間內(nèi)通過的路程的多少”定義為速度，初中的這一定義沒有全面、客觀地反映速度的物理本質(zhì)，不能凸顯速度具有矢量性.與速度容易混淆的速率其實(shí)是瞬時(shí)速度的大小，速率也可以等價(jià)于路程的變化率(其實(shí)初中關(guān)于速度的定義是對平均速率的定義)，即運(yùn)動物體經(jīng)過的路程與發(fā)生這段路程所用時(shí)間的比值，速率只有大小而不具有方向，因此是一個(gè)標(biāo)量.值得一提的是,平均速度的大小并不等于平均速率，若質(zhì)點(diǎn)做往返直線運(yùn)動或圓周運(yùn)動，平均速度為零，平均速率卻不為零，在單向直線運(yùn)動中，平均速度的大小等于平均速率.因此,將學(xué)生初中所接受的關(guān)于速度的概念轉(zhuǎn)變成高中關(guān)于速度的科學(xué)概念,是課堂中的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)的重點(diǎn).

重點(diǎn):速度的概念(包括平均速度與瞬時(shí)速度的理解及區(qū)分).

難點(diǎn)：平均速度與瞬時(shí)速度的區(qū)別與聯(lián)系.

4 教學(xué)目標(biāo)

4.1 知識與技能

(1)解釋速度的概念，能夠概括速度的定義、公式、符號、單位和物理意義.

(2)解釋平均速度、瞬時(shí)速度的定義并學(xué)會辨析.

(3)能夠說出速率的概念并辨認(rèn)速度與速率.

4.2 過程與方法

(1)在概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)過程中形成全面、正確的關(guān)于速度的概念.

(2)通過平均速度引出瞬時(shí)速度的過程，鍛煉使用極限思維法.

(3)通過對平均速度與瞬時(shí)速度、速度與速率的區(qū)別和分辨，學(xué)會運(yùn)用辨析的方法.

4.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1)對速度全面正確地解釋來積極培育自身科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度.

(2)積極將自己的觀點(diǎn)及見解與老師、同學(xué)進(jìn)行交流.

(3)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)嘗試體會物理學(xué)中蘊(yùn)含的對立統(tǒng)一美.

5 教學(xué)準(zhǔn)備

師：寫出自己關(guān)于速度的定義，即你認(rèn)為速度是什么？回顧上節(jié)課所學(xué)的“路程”和“位移”、“矢量”和“標(biāo)量”的內(nèi)容并將其寫出.

教師準(zhǔn)備多媒體課件(包括關(guān)于臺風(fēng)登陸的動畫)，在教學(xué)過程中將抽取若干學(xué)生回答問題.

6 概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

6.1 問題情境引入

問題情境：呈現(xiàn)演示文稿如圖1所示，問題：臺風(fēng)位于中國東海，3個(gè)時(shí)間點(diǎn)臺風(fēng)的中心位置分別位于A，B，C這3點(diǎn)，為了知道臺風(fēng)何時(shí)登陸溫州，我們還要知道什么信息？

圖1 臺風(fēng)位置

學(xué)生小組討論后請學(xué)生回答，由此引入學(xué)習(xí)任務(wù)——“速度”，教師根據(jù)學(xué)生的回答請學(xué)生填寫以下概念圖.

6.2 探測學(xué)生已有概念

概念圖是一種表征、檢查、修正、完善知識的認(rèn)知工具，它把知識高度濃縮，將各種概念及其關(guān)系以類似于人腦對知識儲存的層級結(jié)構(gòu)形式排列，清晰地揭示了意義建構(gòu)的實(shí)質(zhì)[1].因此要有效探測學(xué)生已有概念，概念圖是一種有效途徑，如圖2所示.

圖2 “速度”概念圖

為了更好地收集學(xué)生的前概念，案例中還采用了“速度的二段式測驗(yàn)”，具體如下.

(1)某人爬山，從山腳爬上山頂，然后又從原路返回到山腳，上山的平均速度為v，下山的平均速度也為v，則全程往返的平均速度大小是

A.vB.零

你選擇了上題的答案，原因是

B.由于全程的位移為零，所以全程的平均速度也為零

C.其他答案，請具體說明____________

(2)如圖3所示，A,B是兩朵花所在的位置，兩點(diǎn)的直線距離為3 m，圖中曲線所代表的是一只蜜蜂的飛行路線.蜜蜂在A位置的花采蜜后在30 s時(shí)間里沿曲線飛行9 m到達(dá)B朵花所在位置進(jìn)行采蜜，請問在此情形下蜜蜂的平均速度為

圖3

A.0.1 m/s B.0.3 m/s

C.0.1 m/s方向?yàn)锳指向B

你選擇了上題的答案，原因是

D.其他答案，請具體說明________________

(3)如圖4所示，一輛汽車?yán)@矩形路線運(yùn)動，假定車內(nèi)速度計(jì)一直顯示為30 km/h，在汽車運(yùn)動的過程中，請問每一時(shí)刻速度都一樣嗎

A.是 B.不是

圖4

你選擇了上題的答案，原因是

A.題中速度大小一直不變，因此速度一直不變

B.速度具有方向，速度大小相等，但是速度方向會發(fā)生變化

C.其他答案，請具體說明____________

通過上述概念圖和二段式測驗(yàn)，教師可以由學(xué)生完成的情況較為全面地了解學(xué)生的前概念，同時(shí)也有利于學(xué)生回顧和整理已有的知識(前概念).

6.3 產(chǎn)生認(rèn)知沖突

教師引導(dǎo)學(xué)生重新回答臺風(fēng)問題，提問學(xué)生:要是知道臺風(fēng)每小時(shí)運(yùn)動多少距離，氣象臺能否提前預(yù)報(bào)臺風(fēng)何時(shí)到達(dá)溫州？(請學(xué)生進(jìn)行小組討論，這樣更加有利于認(rèn)知沖突的產(chǎn)生)

討論后請學(xué)生回答，預(yù)設(shè)若學(xué)生回答能提前預(yù)報(bào)，教師提問:若臺風(fēng)在C點(diǎn)或者C點(diǎn)之后方向發(fā)生改變怎么辦？持這一答案的學(xué)生開始產(chǎn)生認(rèn)知沖突.若學(xué)生回答不能提前預(yù)報(bào)，教師提問:臺風(fēng)每小時(shí)運(yùn)動多少距離不就是你們在概念圖中所填寫的“速度”嗎？為何知道了臺風(fēng)的“速度”還不能提前預(yù)報(bào)？持這一答案的學(xué)生也開始產(chǎn)生認(rèn)知沖突.

6.4 強(qiáng)化認(rèn)知沖突 解構(gòu)迷思概念

為了使認(rèn)知沖突更加強(qiáng)烈，在前一個(gè)問題情境的基礎(chǔ)上引入以下兩個(gè)問題情境.

教師提供的第一個(gè)問題情境是“家訪問題”.如圖5所示，張強(qiáng)家和李明家距離學(xué)校都是15 km，張強(qiáng)家位于學(xué)校的正北方向，李明家位于學(xué)校的正東方向.張強(qiáng)和李明在同一個(gè)班，現(xiàn)在班主任林老師要去家訪，已知林老師的轎車每小時(shí)能行駛60 km，林老師中午12點(diǎn)從學(xué)校出發(fā)，我們可以推測出12時(shí)15分林老師到達(dá)李明家，提問學(xué)生這樣的推測對嗎？

圖5 家訪問題

圖6 走私船問題

另一個(gè)問題情境如圖6所示，有一走私船出現(xiàn)在我國某海域，我方軍艦在接到上級指示后立即展開行動，為了較好地阻止走私船的前進(jìn)，我方軍艦決定采用水炮進(jìn)行打擊.假設(shè)兩船在運(yùn)動過程中保持相對靜止，走私船在我方軍艦東北方，請問我方軍艦在設(shè)定水炮“速度”后能夠準(zhǔn)確打到走私船嗎？

6.5 解決認(rèn)知沖突 建構(gòu)科學(xué)概念

正如前文所述，學(xué)生通過討論產(chǎn)生了認(rèn)知沖突. 針對以上3個(gè)問題情境所產(chǎn)生的認(rèn)知沖突，解決的策略分別如下.

臺風(fēng)問題：在學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的前提下教師再次引導(dǎo)學(xué)生分小組討論，討論后請各小組代表回答如何有效解決這個(gè)問題，此后教師進(jìn)行針對性講解.

家訪問題：教師進(jìn)行針對性講解，在講解過程中突出問題矛盾所在并且提出解決的辦法，從而有效解決這個(gè)問題.

走私船問題：教師可以請兩位對該問題持肯定答案的學(xué)生進(jìn)行課堂模擬演示，一位學(xué)生模擬我方軍艦，另一位學(xué)生模擬走私船，并請模擬我方軍艦的學(xué)生伸出手臂持水平方向代表水炮.通過學(xué)生的親身模擬體驗(yàn)真切感受到只設(shè)定速度的大小無法有效打擊走私船，更重要的是還要設(shè)定水炮射擊的方向.

教師小結(jié)：若是像初中科學(xué)所學(xué)的那樣，“速度”等于路程除以時(shí)間，以上問題我們僅僅知道“速度”還不能夠解決，因?yàn)榕_風(fēng)問題中的臺風(fēng)運(yùn)動方向、家訪問題中林老師的開車方向、走私船的題中水炮的打擊方向我們不清楚，問題也就不能解決.

教師講解：其實(shí)現(xiàn)實(shí)生活中很多問題都與我們剛剛接觸到的問題類似，除了知道物體速度的大小，還需要知道物體運(yùn)動的方向.因此有些學(xué)生之前認(rèn)為“速度等于路程除以時(shí)間”是片面的，只知其一不知其二，我們今天就來全面認(rèn)識一下速度(教師的講解有利于解構(gòu)迷思概念，為下一步建構(gòu)科學(xué)概念做好鋪墊).

教師提問：我們應(yīng)該如何定義速度，才能在上述的臺風(fēng)問題中，只要知道臺風(fēng)的速度就可以馬上預(yù)報(bào)臺風(fēng)何時(shí)到達(dá)溫州？

為了讓學(xué)生理解新的科學(xué)概念能夠適用更大范圍，教師可以將新概念放置前文所述的問題情境中，條件允許的情況下還可以引入新的問題情境，通過新概念去解決.通過這一步驟科學(xué)概念得以初步建構(gòu)，教師進(jìn)行進(jìn)一步講解，明確速度的矢量性后總結(jié)并板書(略).

6.6 辨析平均速度與瞬時(shí)速度 完成概念轉(zhuǎn)變

教師提問：假如我們將時(shí)間間隔Δt取得更小一些，那么從t到t+Δt內(nèi)，物體運(yùn)動快慢的差異也就更小一些.那么Δt可以取到無窮小嗎？

教師呈現(xiàn)人教版教材第17頁“說一說”中的故事，學(xué)生通過這個(gè)故事仔細(xì)體會瞬時(shí)速度與平均速度的區(qū)別與聯(lián)系.

學(xué)生完成一定的課堂練習(xí)后，教師再次進(jìn)行總結(jié)，促使學(xué)生形成新的認(rèn)知平衡，完成概念轉(zhuǎn)變.

7 形成性評價(jià)

(1)坐標(biāo)與坐標(biāo)的變化量

物體沿直線運(yùn)動，并以這條直線為x坐標(biāo)軸，這樣，物體的位置就可以用______來表示，物體的位移就可以通過坐標(biāo)的______來表示，Δx的大小表示位移的______，Δx的正負(fù)表示位移的______.

(2)速度

表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動______和______的物理量.

1)定義：質(zhì)點(diǎn)的位移跟發(fā)生這段位移所用時(shí)間的______.

2)定義式：v=______.

3)單位：______、______、______等.

4)矢量性：速度的大小用公式計(jì)算，在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)物體位移的大小，速度的方向就是物體的______.

(3)平均速度

1)定義：在變速運(yùn)動中，運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的位移和所用時(shí)間的比值，叫做這段時(shí)間內(nèi)的平均速度，平均速度只能______地描述運(yùn)動的快慢.

2)理解：在變速直線運(yùn)動中，平均速度的大小跟選定的時(shí)間或位移有關(guān)，不同______或不同______內(nèi)的平均速度一般不同，必須指明求出的平均速度是哪段______或哪段______內(nèi)的平均速度.

(4)瞬時(shí)速度

1)定義：運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)在某一______或某一______的速度叫做瞬時(shí)速度.

2)理解：a.直線運(yùn)動中，瞬時(shí)速度的方向與質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過某一位置時(shí)的______ 相同.

b.瞬時(shí)速度與時(shí)刻或位置對應(yīng)，平均速度跟______或______對應(yīng).

c.當(dāng)位移足夠小或時(shí)間足夠短時(shí)，認(rèn)為平均速度就等于______ .

d.在勻速直線運(yùn)動中，______和瞬時(shí)速度相等.

(5)速率

速度的______叫做速率，只表示物體運(yùn)動的______，不表示物體運(yùn)動的______，它是______量.

A．24 km/h B．35 km/h

C．36 km/h D．48 km/h

(7)短跑運(yùn)動員在100 m比賽中，以9 m/s的速度迅速從起點(diǎn)沖出，到60 m處的速度是9 m/s，10 s末到達(dá)終點(diǎn)的速度是10.5 m/s，則運(yùn)動員在全程中的平均速度是

A．9 m/s B．10.2 m/s

C．10 m/s D．9.1 m/s

(8)(2010年海口市高一檢測題)下列關(guān)于平均速度和瞬時(shí)速度的說法正確的是

B．勻速直線運(yùn)動的平均速度等于瞬時(shí)速度

C．瞬時(shí)速度和平均速度都可以精確描述變速運(yùn)動

D．只有瞬時(shí)速度可以精確描述變速運(yùn)動

(9)傍晚,張明在學(xué)校400 m的跑道上從跑道起點(diǎn)出發(fā)開始繞環(huán)形跑道散步，2 min后回到起點(diǎn)，則張明在這段時(shí)間內(nèi)的平均速度是______，平均速率是______.

對于“運(yùn)動快慢的描述——速度”這節(jié)課而言，概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)策略與其他教學(xué)策略相比具有很強(qiáng)的優(yōu)越性.整節(jié)課是在充分探測學(xué)生已有概念的前提下引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而運(yùn)用解決認(rèn)知沖突的策略幫助學(xué)生解決認(rèn)知沖突，解構(gòu)迷思概念，完成由迷思概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生的主體地位得到了充分的尊重.高中物理關(guān)于速度的科學(xué)定義并不是強(qiáng)制性地灌輸給學(xué)生，而是在概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)過程中逐漸被學(xué)生欣然接受，因而整節(jié)課的重點(diǎn)得到了很好的落實(shí).

參考文獻(xiàn)

1 蔡鐵權(quán),姜旭英，胡玫.概念轉(zhuǎn)變的科學(xué)教學(xué).北京:教育科學(xué)出版社,2009.129