創(chuàng)設(shè)問題鏈促進物理概念教學(xué)

蘇元宗

摘 要：物理概念具有高度的抽象性和概括性，一般高于學(xué)生的認(rèn)知，概念教學(xué)是物理教學(xué)的核心之一。本研究采用“問題-發(fā)現(xiàn)”模式創(chuàng)設(shè)問題鏈，讓學(xué)生“參與”概念的建立；采用“精加工”策略創(chuàng)設(shè)問題鏈促進概念的鞏固；采用認(rèn)知沖突策略創(chuàng)設(shè)問題鏈，“誘出”前概念，引發(fā)認(rèn)知沖突，促進概念的正確運用。最后，闡明創(chuàng)設(shè)問題鏈?zhǔn)谴龠M物理概念教學(xué)的一種有效策略。

關(guān)鍵詞：物理概念；問題鏈；“問題-發(fā)現(xiàn)”模式；精加工；前概念；認(rèn)知沖突

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）8-0077-4

學(xué)習(xí)物理，概念是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在物理概念的形成過程中，科學(xué)思維最重要，因此物理概念的教學(xué)應(yīng)該著眼于發(fā)展學(xué)生的思維。著名的瑞士心理學(xué)家皮亞杰從認(rèn)知發(fā)生和發(fā)展的角度提出認(rèn)知的主要過程是同化、順應(yīng)和平衡。由于物理概念形成的復(fù)雜性，皮亞杰認(rèn)知理論可以把物理概念的建立、發(fā)展和完善的過程用下面的模式來概括（圖1）：

新的刺激可以來自教師創(chuàng)設(shè)的問題鏈。問題鏈?zhǔn)墙處煾鶕?jù)學(xué)生的原有知識或前概念，預(yù)計學(xué)生可能產(chǎn)生的困惑或錯誤，把教學(xué)內(nèi)容分解成一連串的教學(xué)問題；這些教學(xué)問題具有系統(tǒng)性，層次鮮明，互相聯(lián)系又相對獨立。本文以認(rèn)知心理學(xué)理論為指導(dǎo)，以具體概念的教學(xué)為案例，探討如何創(chuàng)設(shè)問題鏈，以建立、鞏固、運用物理概念。

1 運用“問題-發(fā)現(xiàn)”模式創(chuàng)設(shè)問題鏈，促進物理概念的建立

“問題-發(fā)現(xiàn)”教學(xué)模式的目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的思維能力、科學(xué)態(tài)度和意志力，具體做法是教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、解決問題。物理概念學(xué)習(xí)的主要障礙是感性認(rèn)識不足。運用該模式在新概念的教學(xué)中可以讓學(xué)生增加感性認(rèn)識。下面以“位移”的教學(xué)為案例，在該模式下創(chuàng)設(shè)問題鏈，讓學(xué)生在問題發(fā)現(xiàn)、解決過程中參與概念的建立。

1.1 教材、學(xué)情分析

位移是高中生要學(xué)習(xí)的第一個描述運動的矢量概念。雖然描述運動的日常語言非常豐富，但不如矢量語言準(zhǔn)確、簡潔，且矢量語言不依賴選擇坐標(biāo)系?；谶@些優(yōu)點，物理概念中有大量的矢量。對第一次接觸矢量的高中學(xué)生，學(xué)習(xí)、掌握矢量工具比較困難。初學(xué)者既感到奇怪又難以理解，這些不僅有大小還有方向的矢量運算法則還和標(biāo)量不同。因此，在矢量教學(xué)中要重點展現(xiàn)和標(biāo)量的不同。

1.2 直接講解的弊端

因為學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中缺乏相應(yīng)的知識儲備，如果運用“傳遞-接受”模式，直接按照課本內(nèi)容提問“北京到重慶有什么不同和相同”，然后倉促得出位移的概念，會導(dǎo)致感性認(rèn)識不足，在后繼的學(xué)習(xí)和應(yīng)用中容易重復(fù)犯錯，并且負(fù)遷移到其他矢量的學(xué)習(xí)，忽略矢量的方向性。久而久之，極易造成被動學(xué)習(xí)、機械學(xué)習(xí)，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的發(fā)揮。

1.3 運用“問題-發(fā)現(xiàn)”模式讓學(xué)生參與概念的建立

由于開學(xué)前剛經(jīng)歷過軍訓(xùn)，感性認(rèn)識較為豐富，因此筆者以教官指揮學(xué)員行走為問題情境，創(chuàng)設(shè)了如下的問題鏈：設(shè)一學(xué)員處于位置O，東西南北方位如圖2所示。聽從教官的下列指令后，他的位置會在哪里？

問題①：“行走8米”。學(xué)生沉思一會，發(fā)現(xiàn)這個指令不明確，只是交代路程8米，沒有具體行走方向，末位置不能確定。經(jīng)交流討論后，得出他可能處于以O(shè)為圓心、半徑8米的圓面內(nèi)（如圖3）。這個問題可以使學(xué)生的發(fā)散性思維得到一定展現(xiàn)。

問題②：“直行8米”。有了第一個問題作為鋪墊，學(xué)生很快回答：他可能的位置在這個圓周上，但末位置還是不確定的。

問題③：“向東直行8米”。這次運動方向明確，因此有了明確的末位置A（如圖4）。

問題④：“沿著曲線走到A點”（圖5）。學(xué)生回答后，教師再提示比較③和④的不同：運動路徑不同（③是直線運動，④是曲線運動），路程不同，但位置變化相同。

經(jīng)過這幾個問題，學(xué)生充分感受到了位置變動方向的重要性，方向不同，到達的位置也不同。從認(rèn)知心理學(xué)角度理解，學(xué)生從最初試圖用路程同化位移，到后來發(fā)現(xiàn)兩者根本的不同，只好順應(yīng)，建立了新的命題網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生參與了位移概念的建立，明確了位移概念引入的必要性，位移的定義也可以順理成章的得出。

初步了解了位移和路程的區(qū)別后，繼續(xù)設(shè)問，加深位移具有方向性的理解。

問題⑤：“從A回到O”，位移和路程和④相比都相同嗎？此時起點為A，終點為O，位置變化方向與④相反，位移不同，但路程相同。

位移的學(xué)習(xí)在新知識構(gòu)建形式中，既不是上位學(xué)習(xí)，也不是下位學(xué)習(xí)，而是并列結(jié)合學(xué)習(xí)。學(xué)生在思考問題過程中新舊概念發(fā)生相互作用、建立實質(zhì)聯(lián)系，新的概念在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中基本形成。雖然所花時間是直接講解的幾倍，但學(xué)生經(jīng)歷了概念的形成過程，為長時記憶和遠遷移起到了較好的促進作用。關(guān)于矢量和標(biāo)量、一維直線運動的位移可以就這個情境繼續(xù)設(shè)問。

2 運用精加工策略創(chuàng)設(shè)問題鏈，促進物理概念的鞏固

“精加工”是鞏固陳述性知識的一個策略，是在具體情境中對要鞏固的知識精心增加相關(guān)額外的信息以達到記憶和理解的學(xué)習(xí)方法。相關(guān)額外的信息可以是知識的細(xì)節(jié)、應(yīng)用的例子和推論或與其他概念的區(qū)別等。這種方法可以用于平均速度、瞬時速度和速率這幾個概念的鞏固。

2.1 學(xué)情分析——初學(xué)者的困惑

《速度》這節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，從初中學(xué)的單一速度一下派生出平均速度、瞬時速度和速率這幾個既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。這幾個相關(guān)概念對于初學(xué)者來說是不容易清晰區(qū)分的，和生活現(xiàn)象發(fā)生聯(lián)系時如何辨別，都考驗著初學(xué)者對這幾個概念的理解和把握是否到位、深刻。對于極限思想是第一次接觸，這種理論推導(dǎo)有什么現(xiàn)實意義？對于瞬時速度的定義會有疑惑：某一個位置竟然會有速度？對于瞬時速度的矢量性（具有方向）會很不習(xí)慣，很容易忽略。瞬時速度和速率有什么區(qū)別和聯(lián)系？這些都需要補充相關(guān)的材料才能促進概念的鞏固。

2.2 貼近生活的問題——讓概念更生動

受教材里“STS”欄目費恩曼所舉的有趣實例的啟發(fā)，筆者創(chuàng)設(shè)了與學(xué)生生活經(jīng)驗有關(guān)的道路限速、測速的問題情境。

問題①：“這是我們校門口的交通標(biāo)志，你們知道是表示什么意思嗎？”出示圖片（圖6，紅圈黑字），絕大多數(shù)學(xué)生都知道這是限速標(biāo)志，已有的生活經(jīng)驗被調(diào)動起來。

問題②：“限的是平均速度還是瞬時速度？說出你的理由?！背^半數(shù)學(xué)生回答是瞬時速度，少數(shù)認(rèn)為是平均速度。有的學(xué)生舉出了道路測速儀為佐證，測速儀測的是該位置的速度，超過50 km/h即為超速，因此這個路段限速50 km/h指的是任何一個位置速度都不能超過50 km/h，所以是瞬時速度。教師贊賞學(xué)生的觀察力和推理能力，接著播放視頻（關(guān)于某司機超速被抓拍的新聞片段，如圖7），為缺乏該生活經(jīng)驗的學(xué)生補充鮮活材料，并提出下個問題。

問題③：“視頻測速的原理是什么？”這個問題有點難，對學(xué)生要求有些高，只有個別學(xué)生才能回答。學(xué)生回答后，出示圖片（如圖8），再次說明瞬時速度的測量完全是通過平均速度的測量進行替換的?！鱰越小，兩者越接近。設(shè)計這個問題，一方面是從應(yīng)用角度詮釋極限思想的實際意義，另一方面為光電門測速和利用打點計時器測速作好鋪墊。

問題④：“如果視頻兩次拍到同一輛車以相同速度經(jīng)過同一位置，一次拍到車頭，一次拍到車尾，說明該車——”反應(yīng)快的學(xué)生馬上接話“這輛車逆行了！”教師贊揚該學(xué)生“你可以做偵探了！”接著問：“從物理角度看，這兩次速度相同嗎？”因為有了照片的比對，學(xué)生很容易回答出“不同，因為方向相反”。生活中的速度和物理學(xué)的速度存在很多不一致的地方，強調(diào)速度的矢量性是物理的特征，這也是科學(xué)研究追求精確的要求。

問題⑤：“那么，開這輛車的司機能從駕駛室的速度計上看出兩次的不同嗎？”不能，因為速度計表示的是速率，即瞬時速度的大小。這個問題是把生活中的速度和物理中的速率之間的聯(lián)系建立起來，有利于該知識的同化。

問題⑥：“只在一個位置安裝測速儀，有什么缺點？”頭腦靈活見識廣泛的學(xué)生馬上說，裝上“電子狗”，有測速的地方開慢一點，沒有的地方就開快一點。“你能想到有什么辦法防止這個現(xiàn)象發(fā)生嗎？”學(xué)生議論紛紛，各抒己見。

此時，教師打開新聞鏈接（2015-02-16 08：58：29杭州網(wǎng)）：浙江高速在上三線24公里新昌段試行區(qū)間測速，在同一段路安裝兩個監(jiān)控點，記錄同一輛車通過兩個監(jiān)控點的時間，計算該車在這一路段的平均行駛速度，判定車輛是否超速。新昌段限速90公里/小時，以這個速度行駛，至少需要16分鐘。如果某車輛跑完這段路程的時間在16分鐘內(nèi)，說明該車平均速度超過了90公里/小時，就會被認(rèn)定超速。

問題⑦：“新聞里平均速度和物理中平均速度含義一樣嗎？”學(xué)生經(jīng)過思考發(fā)現(xiàn)兩者不同，新聞里平均速度是以路程除以時間，物理中平均速度是位移除以時間。學(xué)生會疑惑了：“物理里有沒有概念對應(yīng)呢？”此時，教師適當(dāng)解釋平均速率的概念，只作了解。

新課標(biāo)注重滲透STS教育，強調(diào)讓學(xué)生在常見的生活現(xiàn)象中感受物理，將物理知識與熟悉的生活情境聯(lián)系起來，逐步學(xué)會從物理的視角觀察、分析社會生活與科學(xué)技術(shù)。以學(xué)生熟悉的道路這個情境作為創(chuàng)設(shè)問題鏈的背景，是秉承“從生活走進物理，從物理走向社會”的課程理念。經(jīng)過這7個問題，學(xué)生對平均速度、瞬時速度、速率等物理概念和生活相關(guān)現(xiàn)象建立了有效的聯(lián)系，知識得到了同化，概念得到了鞏固。并且通過分析、比較、推理這些邏輯思維，原來只是陳述性知識的概念向程序性知識轉(zhuǎn)化。

3 運用認(rèn)知沖突策略創(chuàng)設(shè)問題鏈，促進物理概念的運用

奧蘇貝爾在《教育心理學(xué)：一種認(rèn)知觀》說過：“影響學(xué)習(xí)的最主要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容”。通過生活經(jīng)驗和學(xué)習(xí)在學(xué)生頭腦中已經(jīng)形成的這些相關(guān)的已知內(nèi)容可能是不完整、有偏差、甚至錯誤的，即前概念。在教學(xué)中，教師必須首先設(shè)法讓學(xué)生暴露他們的前概念。即使在概念運用階段，比如在月地檢驗教學(xué)中，很多前概念仍然影響著學(xué)生的思維活動。因此，創(chuàng)設(shè)問題鏈，揭示前概念，引發(fā)認(rèn)知沖突，是行之有效的教學(xué)策略。

3.1 教材、學(xué)情分析

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是體現(xiàn)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)而又富有創(chuàng)造的科學(xué)態(tài)度的科學(xué)發(fā)展史，是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思辨能力的好素材。本章的教學(xué)應(yīng)該在歷史背景下，讓學(xué)生用已有的知識儲備，運用邏輯思維，自己“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律。

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程中，“月-地檢驗”是其中關(guān)鍵的一環(huán)。它統(tǒng)一了“人間”的力與“天上”的力，進而擴大到萬物之間的引力。牛頓從蘋果落地發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事影響巨大，教學(xué)中通常把月球和蘋果相比較。這部分內(nèi)容牽涉很多概念：引力、重力、勻速圓周運動、自由落體運動、向心加速度、重力加速度，以及由這些概念組成的規(guī)律——牛頓運動定律。而在進行兩者比較的時候，選擇的參考系也不同。研究月球的運動以地心為參考系，研究蘋果則是忽略地球的自轉(zhuǎn)，以地面為參考系。因此，這部分內(nèi)容的教學(xué)是個難點。

3.2 問題門檻太高，學(xué)生接不上茬

聽課時，筆者發(fā)現(xiàn)教師都是這樣問：“蘋果受到地球的重力而下落，如果蘋果樹長到月球一樣的高度，蘋果還會不會掉下來？”學(xué)生的反應(yīng)很是出乎意料，同聲回答“不會”。確實，月亮是“懸掛”在空中的，蘋果到月亮那個高度也是懸掛著的。為什么該縣最好的學(xué)生也會犯這樣明顯的錯誤呢？原因在于教師所提的問題。新課標(biāo)的編寫意圖是引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，科學(xué)家是經(jīng)常性甚至長年累月的思考相關(guān)問題，學(xué)生顯然不能在短時間內(nèi)思維層次達到科學(xué)家一樣的高度。但學(xué)生已經(jīng)學(xué)過牛頓運動定律和圓周運動，知識儲備已經(jīng)足夠了，為什么不能運用呢？很顯然，前概念起了干擾作用。

3.3 問題原始化，揭示前概念， 引發(fā)認(rèn)知沖突

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，失去了有助于回憶的編碼線索，長時記憶中信息不能提取。要想激活學(xué)生原有的知識儲備，必須設(shè)計適切的問題，“引誘”出學(xué)生的前概念，造成認(rèn)知沖突。因此，筆者設(shè)計了如下的問題鏈。

問題①：“蘋果受地球引力從樹上落下，月球也受地球引力，為什么不掉下來？”這個問題相當(dāng)“原始”，也許很多人孩童時代都曾經(jīng)產(chǎn)生過如此疑問。之所以這樣問，是對學(xué)生前概念的了解。果然，聲音最響亮的回答是“太陽對月球也有引力，把地球?qū)υ虑虻囊ζ胶饬恕??？磥?，剛學(xué)的天體間的引力相關(guān)知識產(chǎn)生了前攝抑制。并且他們的前概念是月球處于平衡狀態(tài)，真的是“懸掛”在空中。另外一個回答是“蘋果質(zhì)量小，會掉下來；月球質(zhì)量大，所以不掉下來。”第二個回答應(yīng)用了牛頓第二定律，值得肯定，但暫后回應(yīng)。

問題②對于第一個回答筆者將計就計，“既然兩個引力平衡了，那么月球處于哪個位置呢？”學(xué)生根據(jù)平衡條件（大小相等、方向相反）得出月球處于太陽和地球的連線上。在出示圖9的時候，就有學(xué)生反應(yīng)過來：“這是月球在發(fā)生日全食時的位置”。對于大小是否相等，比較復(fù)雜，不討論（實際上太陽對月球的引力是地球?qū)υ虑蛞Φ?.5倍）。

問題③：“月球處于平衡狀態(tài)嗎？”原來喊得最響的那些學(xué)生如夢初醒，“不對，月球在繞地球做勻速圓周運動?！背鍪緝蓚€數(shù)據(jù)：月球軌道半徑3.8×108 m，月球公轉(zhuǎn)周期是T=27.3天，讓學(xué)生計算月球繞地球的線速度有多大。

學(xué)生經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，肉眼看上去不怎么動的月球速度竟是如此之快。并且引發(fā)了聯(lián)想：“蘋果速度也這么快，也會繞地球做圓周運動，不掉下來了。”如圖10，這不就是牛頓的人造衛(wèi)星發(fā)射原理嗎？

問題④：“這位同學(xué)你剛才說月球質(zhì)量大，所以不掉下來，能具體解釋下嗎？”該同學(xué)振振有詞“根據(jù)牛頓第二定律F=ma”。有學(xué)生這樣反駁：月球質(zhì)量再大，也是有加速度的，盡管很小，經(jīng)過很長很長時間月球最終還是會掉下來的。但幾十億年過去了，月球還是在空中運動。

問題⑤：“看來地球的引力對月球產(chǎn)生的加速度不是讓它下落的加速度，那是什么？”討論到這里，排除了前概念的影響，學(xué)生原有知識被激活了，記憶中的正確的信息才能被有效提取。學(xué)生陸陸續(xù)續(xù)回答“向心加速度”。如果還有學(xué)生不明白，再演示小實驗過山車模型，當(dāng)小球以足夠速度經(jīng)過最高點時，盡管受到重力，也不會掉下來。

通過上述問題的解決，思維障礙被一一掃除，概念得到了正確的運用，規(guī)律的應(yīng)用水到渠成。

參考文獻：

[1]皮連生.學(xué)與教的心理學(xué)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1997.

[2]梁旭.普通高中物理新課程案例研究[M].杭州：浙江教育出版社，2010.

（欄目編輯 鄧 磊）