物理概念教學(xué)中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的問題設(shè)計策略

摘要：核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理概念教學(xué)，不能只教給學(xué)生“是什么”，更應(yīng)關(guān)注學(xué)生概念形成的過程.在物理概念教學(xué)中，如何設(shè)置問題探查學(xué)生的前概念，厘清學(xué)生的迷思概念，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷概念形成的一系列思維活動，感悟物理的思想方法，最終形成對概念的理解.

關(guān)鍵詞：物理概念教學(xué)；科學(xué)思維；問題設(shè)計

作者簡介：付鸝娟（1973-），女，湖北人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

建構(gòu)主義教學(xué)觀認(rèn)為，學(xué)習(xí)者本身并不是“一張白紙”，他們有著豐富的存在著相互差異的經(jīng)驗(yàn)世界，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)習(xí)者已有的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置問題，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自我建構(gòu).

概念需要解釋事物的本質(zhì)特征，它具有高度的抽象性和嚴(yán)密的邏輯性，所以我們在進(jìn)行概念教學(xué)時，要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同概念的產(chǎn)生價值，關(guān)注概念的本質(zhì)特征，經(jīng)歷概念的形成過程.

物理概念的習(xí)得過程，應(yīng)是學(xué)生自我建構(gòu)的過程.學(xué)生從已有的認(rèn)知出發(fā)，往往要經(jīng)歷 “觀察—比較—概括—抽象—表征—遷移應(yīng)用”的科學(xué)思維過程，有時要反復(fù)經(jīng)歷，不斷嘗試，才能習(xí)得科學(xué)的物理概念.

在物理概念教學(xué)中，如何設(shè)置問題促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展？本文以《物體運(yùn)動快慢的描述——速度》一節(jié)為例，談物理概念教學(xué)中問題設(shè)計的策略.

1探查學(xué)生前概念的認(rèn)知程度，問題情境具有綜合性

前測問題的目的并不是指向答案，而是指向?qū)W(xué)習(xí)者認(rèn)知程度的探查，探查學(xué)生原有概念的認(rèn)知起點(diǎn).問題情境的創(chuàng)設(shè)綜合性較強(qiáng)，讓學(xué)生在解決復(fù)雜問題的過程中展示思維的起點(diǎn).

通過前測，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于速度等于路程除以時間這一公式非常熟悉，如果教師的問題是“初中我們學(xué)習(xí)過速度，什么是速度？”，多數(shù)學(xué)生能順利說出答案.但是學(xué)生在回答這一問題的過程中，僅僅是通過記憶回顧知識，沒有深層次的思維活動.

教學(xué)之初利用一段新聞視頻提出問題：北京高速公路實(shí)行區(qū)間測速，參訪中發(fā)現(xiàn)很多司機(jī)對區(qū)間測速這一新事物并不了解，“如果你是交警，如何向司機(jī)解釋區(qū)間測速呢？”

學(xué)生首先要把這個實(shí)際問題抽取為一個物理問題；其次，要應(yīng)用物理規(guī)律分析原理，根據(jù)速度等于路程除以時間，已知區(qū)間的距離，測出汽車通過的時間，就可以知道汽車的速度；最后，要把這個物理問題還原于實(shí)際——測的是汽車的平均時速.這個過程看似簡單，學(xué)生卻經(jīng)歷了建模、遷移和應(yīng)用等高階的思維活動.并且通過學(xué)生對這個問題的回答，了解到學(xué)生很好地掌握了速度公式，對平均速度有一些模糊的認(rèn)識，認(rèn)為變速運(yùn)動的物體路程除以時間就是平均速度.這樣可以更加明確這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)起點(diǎn).

2揭示物理概念的本質(zhì)，問題條件具有隱蔽性

概念的本質(zhì)往往和概念建立的實(shí)際價值密不可分，問題的設(shè)計要讓學(xué)生在應(yīng)用概念的過程中主動體會概念的價值.這種體驗(yàn)是學(xué)生從概念建立的原因去思考，主動認(rèn)識得到的.因此，問題的設(shè)計應(yīng)具有一定的隱蔽性.

速度的方向性是描述位置變化的一個重要維度.在速度矢量性的教學(xué)過程中，如果教師的問題是“一個物體以10m/s的速度向東運(yùn)動，另一個物體以10m/s的速度向西運(yùn)動，它們的速度是否相同？”這個問題中“方向”這一要素提示得太明顯，沒有體現(xiàn)速度的方向性在描述物體位置變化時的實(shí)際意義.

教師利用新聞視頻提問：“如果已知汽車的平均時速是90km/h，從學(xué)校出發(fā)，你能否預(yù)測1小時之后汽車的位置？”

學(xué)生1：平谷（北京市的郊區(qū)）.

學(xué)生2：學(xué)校到平谷的距離是直線距離，你去平谷不能走直線.

教師：很好，這個同學(xué)其實(shí)談到了位移和路程的區(qū)別.如果假設(shè)北京到平谷的距離就是90公里，1小時后汽車一定在平谷嗎？

學(xué)生3：不一定，因?yàn)椴恢婪较?

教師：汽車可能的位置在哪？

學(xué)生4：以學(xué)校為圓心，以90公里為半徑的圓上（全班笑）.

教師：可見，要更好地描述物體位置變化的快慢，應(yīng)該把位移和時間的比值定義為速度.

這一問題，把速度的方向性這一要素隱藏了起來，學(xué)生在尋找答案的過程中發(fā)現(xiàn)，如果不知道方向就不能描述位置，因而速度的方向性必不可少.這個問題，還凸顯了引入速度這一物理量的實(shí)際意義——若物體的初始位置一定，只要已知速度和時間就能預(yù)測物體的位置，這也是研究物體機(jī)械運(yùn)動的價值.

3引領(lǐng)學(xué)生科學(xué)思維的提升，問題架構(gòu)具有層次性

問題的設(shè)置應(yīng)該遵循學(xué)生思維發(fā)展的序列，注重層次性.

在平均速度和瞬時速度的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)學(xué)生的思維設(shè)置問題串如下.

3.1有效觀察——基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計問題

教師展示演示實(shí)驗(yàn)：用細(xì)線穿著一個珠子，給珠子一個初速度，讓學(xué)生觀察珠子沿水平細(xì)線的運(yùn)動.接著，讓水平細(xì)線穿過如圖1所示的雙激光測速儀兩端的探頭.學(xué)生通過觀察，發(fā)現(xiàn)珠子在離開手之后運(yùn)動一段時間停了下來.珠子通過儀器兩桿之后，左端屏幕上迅速顯示一個數(shù)值.

問題1：儀器上顯示的數(shù)據(jù)是什么？請設(shè)計方案驗(yàn)證你的猜想.

設(shè)計意圖：一是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效的觀察.珠子離開手之后運(yùn)動一段距離停下來，說明珠子在做減速運(yùn)動，儀器顯示的是一個恒定的數(shù)值，一般計時儀器都是連續(xù)記錄，數(shù)值應(yīng)該不斷變化，因此猜測測量的是速度；二是培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析和解釋是基本的科學(xué)能力.

如果教師的問題是“這是一個測速儀，請問它的原理是什么？”這樣的問題，沒有留給學(xué)生思維的空間.教師在實(shí)驗(yàn)之初并沒有強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生觀察什么，但是學(xué)生觀察的細(xì)致與否很大程度上決定了其能否順利解決問題.

對于儀器顯示的數(shù)據(jù)，有的學(xué)生猜測記錄的是時間，也有的學(xué)生猜測記錄的是速度.提出的驗(yàn)證方案是：可以做兩次實(shí)驗(yàn)，一次珠子出手時速度大，一次珠子出手時速度小.如果測量數(shù)據(jù)變小，說明測的是速度，如果數(shù)據(jù)變大，說明測的是時間.然后學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己方案的可行性，發(fā)現(xiàn)測量的是速度.教師追問，測量的是什么物體的速度？學(xué)生答，是珠子通過兩桿之間的平均速度.教師繼續(xù)追問：是如何實(shí)現(xiàn)的？學(xué)生答，兩桿之間的距離是一定的，只要測出珠子通過兩桿的時間，就可以計算珠子通過兩桿之間的平均速度，直接顯示在屏幕上.

3.2思維過程可視化——基于多重表征設(shè)計問題

珠子在做變速運(yùn)動，測量的是一個恒定的值，這個恒定的數(shù)值和變速運(yùn)動的速度之間有什么樣的聯(lián)系呢？需要學(xué)生經(jīng)歷比較、概括、抽象等一系列的思維活動進(jìn)行分析.

問題2：請畫出珠子離開手之后的速度—時間圖象，并把平均速度定性地在圖象上表示出來.

設(shè)計意圖：一是建立物體的實(shí)際運(yùn)動和圖象語言的聯(lián)系；二是體會對于一個變速運(yùn)動的過程，為什么在通過雙激光測速儀的過程中只測出了一個“恒定的數(shù)據(jù)”，初步體會等效思想，從而為理解瞬時速度做好鋪墊.

要求學(xué)生畫出速度—時間圖象符合學(xué)生的認(rèn)知.學(xué)生雖然還沒有瞬時速度的概念，但對珠子做變速運(yùn)動有直觀的認(rèn)識，而且在初中對于圖象也有定性的了解，因此畫出珠子的速度—時間圖象并不困難，難點(diǎn)在于真正理解圖線上每一個點(diǎn)的物理意義.

圖2是學(xué)生的典型答案，通過學(xué)生的答案可以分析學(xué)生理解平均速度時的思維障礙.

圖2（a）中，學(xué)生用圖線②表示平均速度，反映出學(xué)生雖然能定性知道平均速度的大小，但表征平均速度時，無法將文字表征和圖象表征統(tǒng)一起來.

圖2（b）中，學(xué)生憑直覺認(rèn)為平均速度應(yīng)該在中間，但說不出理由.反映出學(xué)生僅僅是從數(shù)學(xué)的角度理解“平均”的含義.

圖2（c）中，學(xué)生畫出的速度—時間圖象是曲線，但認(rèn)為平均速度仍然在中間.反映出這個學(xué)生對珠子做變速運(yùn)動有更加深入的思考，但無法理解平均速度的意義.

教師追問：在畫平均速度時，你的依據(jù)是什么？

學(xué)生：面積相等.

教師追問：為什么？

學(xué)生：因?yàn)槲灰频扔谒俣瘸艘詴r間，所以面積代表位移，面積相等說明位移相等.

教師追問：哪兩部分的面積相等呢？

學(xué)生上黑板表示如圖2（d）中，長方形面積和陰影部分面積相等.

教師總結(jié)：一個物體做變速運(yùn)動，另一個物體做勻速運(yùn)動，如果兩個物體在相等的時間內(nèi)通過的位移相等，說明他們的位置變化得一樣快.我們就可以用這個勻速運(yùn)動物體的速度描述那個變速運(yùn)動物體在這段時間內(nèi)運(yùn)動的快慢，這就是平均速度.

從等效的角度理解平均速度，賦予了平均速度這一概念建立的價值.

3.3概念內(nèi)化——基于遷移應(yīng)用設(shè)計問題

能應(yīng)用概念解決陌生情境的問題，是衡量是否真正理解概念的重要標(biāo)準(zhǔn).

問題3：如果想測出珠子通過雙激光測速儀第一組桿時的速度，實(shí)驗(yàn)上應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)？

學(xué)生很快說出可以把第二組桿靠近第一組桿.因?yàn)樗矔r速度是Δt→0時的速度，當(dāng)兩組桿之間的距離很近時，珠子通過的時間很短，可認(rèn)為是瞬時速度.這說明學(xué)生能用日常語言和實(shí)物操作表征瞬時速度.

問題4：請在速度—時間圖象上表示珠子通過第一組桿時的速度.

學(xué)生對這一問題表現(xiàn)出無從下手，說明學(xué)生對前面學(xué)習(xí)的畫平均速度的方法還沒有達(dá)到遷移應(yīng)用的水平.

教師在黑板上畫出圖3（a）中，0—t1時間內(nèi)物體的平均速度如圖線②，因?yàn)榫匦蚊娣e和三角形面積相等，說明兩個物體在t1時間內(nèi)位移相等.

教師：如果要畫出0—t2時間內(nèi)物體的平均速度，應(yīng)該怎么辦？

學(xué)生：畫出圖3（b）中圖線③.

教師追問：圖線②和圖線③兩個平均速度誰更接近0時刻的瞬時速度？

學(xué)生：圖線③.

教師：請大家再思考剛才的問題，如何在圖中表示珠子通過第一組桿時的速度.

學(xué)生：就是圖3（b）中④那個點(diǎn).

教師：速度反映的是物體位置變化的快慢，一個點(diǎn)位置怎么會有變化？

學(xué)生：取一小段時間0—t3，如圖3（c）中⑤，這一小段時間平均速度可以認(rèn)為是0時刻的瞬時速度.

在上述學(xué)習(xí)畫平均速度圖象的活動中，學(xué)生經(jīng)歷了時間Δt→0的抽象過程，把極限思想用圖象形象地表征出來，最終實(shí)現(xiàn)對瞬時速度這一概念多種表征方式的統(tǒng)一，理解瞬時速度的本質(zhì)——在極短的時間內(nèi)描述物體位置變化的快慢.

這節(jié)課的設(shè)計和以往的教學(xué)方式相比，最大的不同在于教學(xué)過程中不是急于直接讓學(xué)生獲得正確的概念，而是通過學(xué)生已有的認(rèn)知分析生活中的現(xiàn)象，在分析的過程中不斷提出問題，在解決問題的過程中，促進(jìn)學(xué)生完善自己的思維發(fā)展路徑，最終形成概念的準(zhǔn)確定義.

筆者認(rèn)為，概念教學(xué)的核心就是形成概念，不斷尋找概念的邊界，在這個過程中，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維.正如學(xué)生在本節(jié)課最后所發(fā)出的感慨：如果把汽車通過測速區(qū)間的時間和整個宇宙的時間進(jìn)行對比，測的就是瞬時速度.可見，只有把物理知識上升到哲學(xué)層面才能使學(xué)生真正體會到物理學(xué)的魅力.

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