基于發(fā)展科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“速度變化快慢的描述——加速度”為例

孫春成 周慶衛(wèi)

(江陰市青陽中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

1 引言

教育部頒發(fā)的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)方面.其中，科學(xué)思維是指學(xué)生具有構(gòu)建理想模型的意識(shí)和能力，能從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度進(jìn)行推理論證并解釋現(xiàn)象和解決問題，具有科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，富有批判性思維的意識(shí).我們認(rèn)為，科學(xué)思維應(yīng)該貫徹在平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐中，尤其是概念教學(xué)的過程中.

“速度變化快慢的描述——加速度”是在學(xué)生完成了“速度”等概念的學(xué)習(xí)之后，對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的進(jìn)一步深化.與“速度”的學(xué)習(xí)相比，加速度這一概念顯得比較抽象，學(xué)生缺少必要的生活經(jīng)驗(yàn)，而且，剛剛進(jìn)入高一的學(xué)生，還處在從形象思維到抽象思維的過渡過程中，因此，“加速度”概念的形成和理解，是學(xué)生進(jìn)入高中階段學(xué)習(xí)物理時(shí)遇到的第一個(gè)重要難點(diǎn).

教學(xué)實(shí)踐中，我們往往會(huì)忽視“加速度”概念的建構(gòu)過程，經(jīng)常是在簡(jiǎn)單地拋出概念和定義之后，試圖通過大量的練習(xí)讓學(xué)生掌握這個(gè)難點(diǎn).這樣的教學(xué)方式看似快速突破了教學(xué)難點(diǎn)，且似乎能取得良好的教學(xué)效果，實(shí)際上，這種灌輸式的教學(xué)方式錯(cuò)過了概念構(gòu)建過程中的眾多思維生長(zhǎng)點(diǎn)，忽視了學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展，違背了新課改的教學(xué)理念，不利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的良好形成.本文是筆者在工作實(shí)踐中，試圖基于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維而進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì).

2 “加速度”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)入口

教學(xué)片斷1:

教師介紹賽車和戰(zhàn)斗機(jī)的最大速度，讓學(xué)生猜測(cè)：如果兩者進(jìn)行比賽，誰會(huì)獲勝？學(xué)生根據(jù)直覺思維，認(rèn)為由于戰(zhàn)斗機(jī)的最大速度遠(yuǎn)大于賽車的最大速度，因此必然是戰(zhàn)斗機(jī)獲勝.此時(shí)，教師播放兩者加速比賽的視頻，發(fā)現(xiàn)在前600 m的加速過程中，賽車獲得了勝利.

學(xué)生的判斷依據(jù)實(shí)際上是生活經(jīng)驗(yàn)中的速度概念，而視頻中觀察到的現(xiàn)象與根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)論明顯沖突.教師正是試圖通過設(shè)計(jì)這樣巧妙的認(rèn)知沖突以引發(fā)學(xué)生的積極思考.

教師：生活中是否還有類似的情況——A物體的最大速度遠(yuǎn)小于B物體的最大速度，但是在某些情境下，A物體卻能夠超在B物體的前面？

學(xué)生：紅燈變綠燈的時(shí)候，自行車能夠超過大貨車；站臺(tái)送別時(shí)，站臺(tái)上的人能夠追上緩緩加速的火車.

教師：在這些情境中，比較的是最大速度嗎？不是！那么，比較的是什么呢？

教師的追問，能夠引發(fā)學(xué)生的深層次思考，要求學(xué)生必須從生活直覺的表象中抽取信息，建立加速運(yùn)動(dòng)的模型.經(jīng)過討論，學(xué)生得出結(jié)論：在這些情境中，比較的是速度變化的快慢，或者說，比較的是它們的加速性能.這樣的思考與討論，為加速度的概念引入做了比較自然而充分的鋪墊.

教學(xué)片斷2：

通過表格呈現(xiàn)7種較為常見的汽車品牌如奔馳、寶馬、桑塔納、奇瑞QQ等.

教師：這些車?yán)锩?，哪些車加速性能較好，哪些車加速性能相對(duì)較弱？你是怎么判斷的？

學(xué)生：奔馳、寶馬加速性能好，因?yàn)閮r(jià)格貴；QQ加速性能差，因?yàn)閮r(jià)格最便宜.

我們可以看到，學(xué)生的思維方式依舊是根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)而形成的直覺性思維.教師首先肯定了學(xué)生的判斷依據(jù)具有合理性，但是不夠“物理”，并進(jìn)一步提供了表格數(shù)據(jù)，展示了各種品牌的車均從速度為零加速到100 km/h所用的時(shí)間.通過分析數(shù)據(jù)，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)，各品牌汽車車的加速時(shí)間不相同，很快得出正確結(jié)論：由于速度變化量是一樣的，因此，加速時(shí)間越短則加速性能越好.

學(xué)生在觀察、思考和判斷的過程中，提取了關(guān)鍵信息——速度變化量相同，并順勢(shì)使用了控制變量法，從而得出了結(jié)論.相對(duì)于根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的直覺判斷，學(xué)生的思維層次有了明顯的提升.

教學(xué)片斷3：

如表1所示，逐次展示5種交通工具初、末速度及加速時(shí)間，并要求學(xué)生依次兩兩比較加速性能.

表1 5種交通工具初、末速度及加速時(shí)間

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，構(gòu)建出合理的比較模型，并形成“速度變化量相同時(shí)比時(shí)間”“時(shí)間相同時(shí)比速度變化量”這一比較合理的思維路徑.沿著這一路徑，學(xué)生很快兩兩比較出前面四者的加速性能強(qiáng)弱.由于前面四者比較過程中的思維鋪墊，在比較磁懸浮列車起步和戰(zhàn)機(jī)空中加速時(shí)，雖然兩者初速度、末速度、加速時(shí)間均不相同，但學(xué)生還是很快發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)斗機(jī)速度變化量大而所用時(shí)間短，因此戰(zhàn)斗機(jī)加速性能更好.此后教師追問：在比較加速性能的時(shí)候，是否有更加簡(jiǎn)潔的辦法？由于引入新課的整個(gè)過程中，我們不斷地進(jìn)行了科學(xué)思維的鋪墊，因此學(xué)生十分順利地得出：用速度變化量除以發(fā)生這個(gè)變化所用的時(shí)間——這個(gè)比值反應(yīng)了速度變化的快慢.由此順利地得出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題——加速度.

2.2 教學(xué)過程

教學(xué)片斷4:

教師：如果想測(cè)量某個(gè)運(yùn)動(dòng)的加速度，需要測(cè)量哪些物理量？

學(xué)生：初速度、末速度、加速時(shí)間.

教師將小車沿軌道加速下滑時(shí)打出的紙帶發(fā)給每一個(gè)學(xué)生，并在PPT上展示這張紙帶,如圖1所示.

圖1 小車沿軌道加速下滑時(shí)打出的紙帶

教師提問：要測(cè)量A,G兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)過程中的加速度，需要測(cè)量vA,vG，那么，vA和vG，誰是初速度，誰是末速度呢？有學(xué)生脫口而出：vA是初速度、vG是末速度，因?yàn)槭菑腁向G運(yùn)動(dòng).這實(shí)際上也是學(xué)生直覺思維的體現(xiàn)，按照字母順序想當(dāng)然地認(rèn)為肯定是A點(diǎn)在前G點(diǎn)在后.由于學(xué)生結(jié)論正確，所以很多教師會(huì)放過學(xué)生的這一思維漏洞.實(shí)際上，給出條件中并未明確A點(diǎn)在前而G點(diǎn)在后，vA，vG誰是初速度誰是末速度，是需要根據(jù)點(diǎn)跡間距來進(jìn)行判別的——由于是加速過程，A點(diǎn)附近點(diǎn)跡密集，說明速度相對(duì)較小，而G點(diǎn)附近點(diǎn)跡相對(duì)稀疏，說明速度較大，由此方可得出結(jié)論：在這個(gè)加速過程中，vA是初速度,而vG是末速度.

教學(xué)片斷5：

思考1：物體的速度大，其加速度一定大？

作為教師，我們覺得舉出一個(gè)反例是十分簡(jiǎn)單的事情，但是在教學(xué)實(shí)踐中我們看到，學(xué)生在回答問題時(shí)舉出的反例雖然有一定道理，但是并沒有緊扣邏輯，思維往往顯得十分跳躍和散亂.這時(shí)，需要教師進(jìn)行必要的邏輯思維的指導(dǎo)：確認(rèn)前提，否定結(jié)論.因此，列舉的反例應(yīng)該是,雖然物體的速度很大，其加速度卻很小.在這樣的指導(dǎo)下，學(xué)生很快舉出反例：勻速飛行的飛機(jī)，雖然速度很大，但是加速度卻為零.

對(duì)稱思維是一種重要的科學(xué)思維，教師進(jìn)一步提出問題：根據(jù)對(duì)稱性，各位同學(xué)是否可以提出該命題的“對(duì)稱命題”？學(xué)生在思考后提出“對(duì)稱命題”：物體的速度小，其加速度一定小.當(dāng)然，這是一個(gè)錯(cuò)誤的命題，學(xué)生也很快給出了正確的反例.

思考2：速度的變化量大，其加速度一定大？

由于“思考1”的思維培養(yǎng)過程，學(xué)生很快舉出了反例：光帆飛船，速度變化量很大，但是加速時(shí)間長(zhǎng)，因此加速度數(shù)量級(jí)只有10-6m/s2.學(xué)生也順利提出了“對(duì)稱命題”：速度的變化量小，其加速度一定小.同樣，學(xué)生也很快找到了反例：子彈被擊發(fā)的瞬間速度變化量小但是其加速度卻很大.

基于以上兩個(gè)“思考”，教師進(jìn)行總結(jié)：我們?cè)诳紤]加速度的時(shí)候，需要考察兩個(gè)方面，即速度的變化量以及發(fā)生這個(gè)變化所用的時(shí)間.實(shí)際上，比值法定義的物理量都要注意到這一點(diǎn).

教學(xué)片斷6：

教師：生活中有一些籠統(tǒng)的說法，有的是描述運(yùn)動(dòng)速度大，有的是描述運(yùn)動(dòng)加速度大，我們一起來判斷.

(1)白駒過隙；

(2)這輛車起步很快；

(3)急湍甚箭，猛浪若奔；

(4)這位同學(xué)身體素質(zhì)好，爆發(fā)力強(qiáng)……

從生活現(xiàn)象中觀察和總結(jié)物理現(xiàn)象，再用形成的物理概念或規(guī)律來解釋生活現(xiàn)象，這既是科學(xué)思維的結(jié)果，也是科學(xué)思維的意義，在分析和解釋生活現(xiàn)象的過程中能夠進(jìn)一步深化對(duì)概念或規(guī)律的理解，提升思維的品質(zhì)和思維的層次.

在定性分析的基礎(chǔ)上，教師舉出實(shí)例，要求學(xué)生進(jìn)行定量計(jì)算，從而進(jìn)一步體會(huì)生活中可能遇到的加速度數(shù)值.從定性分析到定量分析，從感性到理性，這也是科學(xué)思維形成的重要路徑.

例如，交通管理部門制定了死亡加速度5 000 m/s2這一數(shù)值以醒世人，意思是如果行車加速度超過此值，將有生命危險(xiǎn).假如一輛汽車以90 km/h(25 m/s)的速度行駛，因發(fā)生事故與高速公路隔離護(hù)欄發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間為0.004 s，碰撞后速度立即變?yōu)榱?，那么在碰撞過程中汽車的加速度有多大？

學(xué)生很快計(jì)算得出汽車的加速度大小為6 250 m/s2.

教師：該數(shù)值已經(jīng)超過死亡加速度，那么生活中是如何來保護(hù)駕駛員的生命安全的呢？

學(xué)生：系安全帶、配安全氣囊.

教師：這兩個(gè)措施沒有改變速度的變化量，是通過增大作用時(shí)間從而減小撞擊過程中的加速度.實(shí)際上，交通部門的限速，是從另一個(gè)角度，即減少速度變化量的角度來達(dá)成同樣的目的.

教學(xué)片斷7：

教師展示如圖2所示的v-t圖像，提出問題：圖像中的“運(yùn)動(dòng)1”和“運(yùn)動(dòng)2”，誰的加速度更大？

圖2 v-t圖像

學(xué)生根據(jù)前面的學(xué)習(xí)鋪墊，很快從“時(shí)間相同看速度變化量”和“速度變化量相同看時(shí)間”兩個(gè)角度得出結(jié)論：“運(yùn)動(dòng)1”的加速度大.教師引導(dǎo)學(xué)生再觀察兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的v-t圖像，發(fā)現(xiàn)“運(yùn)動(dòng)1”的圖像更加陡峭，學(xué)生得出結(jié)論：v-t圖像的陡峭程度，反應(yīng)了加速度的大小.

圖像法是高中物理學(xué)習(xí)的重要方法，相比通過計(jì)算比較加速度大小，v-t圖像的陡峭程度能夠更加直觀地反應(yīng)加速度的大小.從生活經(jīng)驗(yàn)到物理概念，再到物理圖像，這看上去似乎只是并不復(fù)雜的感性-理性-感性的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上，這是一個(gè)思維層次和思維品質(zhì)不斷提升的過程.

3 結(jié)束語

基于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的物理教學(xué)，既是教學(xué)實(shí)踐的需要，更是達(dá)成高中物理教學(xué)目標(biāo)的需要.這就要求我們?cè)诮虒W(xué)過程中，要尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，尊重學(xué)生的主體地位，精心預(yù)設(shè)情境，不斷發(fā)現(xiàn)和努力創(chuàng)設(shè)思維生長(zhǎng)點(diǎn).我們相信，注重發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，不僅有益于學(xué)生的終身發(fā)展，也有益于教師的專業(yè)發(fā)展.