讓學生體驗概念建構過程 提高科學思維素養(yǎng)
——以速度概念建構為例

葉晟波

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

中美貿易的根本問題還是科技教育水平，要提高我國的國際競爭力和教育水平，物理教師必須是為發(fā)展學生的核心素養(yǎng)而教.而科學思維作為物理核心素養(yǎng)之一，對其理解和把握的程度會直接影響教學改革的效果.物理概念是人們在認識世界的過程中對客觀事物共同屬性和本質特征的抽象形成的，它的形成與科學研究方法相對應，在物理教學過程中，掌握物理概念建立過程中的科學研究方法對發(fā)展學生的科學思維起到至關重要的作用.本文以速度概念建構過程的研究方法為例，從4個方面去發(fā)現概念形成的背后所隱藏著的科學研究方法，發(fā)揮這些科學方法的教育價值，把科學方法教育落到實處，從而使物理教學過程成為提高學生科學思維素養(yǎng)的形成過程.

1 速度的定義

初高中對速度的定義都用到了比值定義法，它是物理概念中常用的一種定義新物理量的方法.用兩個已知物理量的比值表示一個新的物理量，這個方法利用了控制變量的思維，它的特點是：

(1)被定義的物理量往往是反映物質的最本質的屬性.

(2)比值法不隨定義所用的物理量的大小取舍而改變，與原來的物理量完全不同.

根據其特點，我們可知物體的速度由物體本身決定，不會隨著位移的增大而增大，也不會隨著時間的增大而減小.所有的比值法定義的物理量有相同的特點，如電場強度E和密度ρ，通過展開類比與想象，進行邏輯推理、控制變量等思維活動達到初中向高中知識的遷移，提高學生科學思維素養(yǎng).

2 瞬時速度的建構

在人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修1》中對瞬時速度的闡述是： “平均速度只能粗略地描述運動的快慢.為了使描述精確些，可以把Δt取得小一些，物體在從t到t+Δt這樣一個較小的時間間隔內，運動快慢的差異也就小一些.Δt越小，運動的描述就越精確.當Δt非常非常小時，我們把這個速度稱做物體在時刻t的瞬時速度.”定義中 “當Δt非常非常小時”實際采用了平均速度無限逼近的極限思想方法，它是物理學習中的一種十分重要的科學思想方法，通常是把某一個物理量推向極端，即極大極小或者極左極右，并依此做出科學的推理分析，從而給出判斷或導出一般結論的思想方法.數學中的極限思想方法，在物理學習中會逐步滲透.

以上從平均速度的大致描述物體運動的快慢情況到瞬時速度精確地描述物體運動快慢情況，經歷了從粗略到精細的研究物理問題的一種方法——修正與逼近.即在分析變速運動的瞬時速度時,采用無限取微元逐漸逼近的方法,即當Δt非常非常小時，在物體經過的某點后面取很小的一段位移,這段位移取得越小,或時間Δt取得越小，物體在該段位移的平均速度越能精確地描述包括該點的運動快慢情況.以上采用無限逼近的極限思想，對培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)有非常大的幫助.高中習題中計算平均速度比較方便，只要已知位移和時間即可，那瞬時速度如何計算呢？

3 瞬時速度的計算

復雜的變速運動的瞬時速度比較難計算，高中階段主要研究了比較簡單的勻變速直線運動和勻變速曲線運動瞬時速度的計算公式.

3.1 勻變速直線運動瞬時速度的計算公式

所謂勻變速直線運動就是沿著一條直線運動，且加速度a不變的運動，根據牛頓第二定律，即質點受到的力為恒力，且速度方向與合外力的方向在同一條直線上.清楚勻變速直線運動定義后，可以定量分析其計算公式，物理研究方法中定量分析比定性要難，當然也更精確.初中科學中對許多物理問題往往重在定性分析，即使進行定量計算，一般也是比較簡單的，而高中物理，大部分問題不單是定性分析，而且可能要求大量復雜的定量計算.

為了尋求勻變速直線運動的速度特點和規(guī)律，可以從具體事例開始.用打點計時器研究小車在重物牽引下的運動如圖1所示，此時小車所受的力是恒力，做勻變速直線運動.

圖1 用打點計時器研究小車的運動

為了研究實驗中速度和時間的關系，先將其在坐標系中描點，然后用一條光滑曲線(包括直線)“擬合”這些點，得到了如圖2所示的小車的v-t圖像，我們發(fā)現勻變速直線運動的v-t圖像是一條傾斜的直線，該圖像直觀地描述了勻變速直線運動的速度v與時間t的關系，將一個較復雜的物理問題簡單化、形象化.

圖2 小車的v-t圖像

利用圖像處理物理問題可以使學生加強對于知識的融會貫通,提高自主學習的能力,對教學也有促進的作用.除了圖像方法，根據學生所學的數學知識，可以用公式表達物體運動速度與時間的關系，即速度v和時間t存在一次函數關系，瞬時速度v=v0+at，此公式適用勻變速直線運動.

以上勻變速直線運動瞬時速度計算公式的得出，利用圖像法讓數形結合，使學生形象思維、靈活處理物理問題的能力得到培養(yǎng)，學生從定性分析運動跨步到了定量研究，這是研究方法和思維上的一個飛躍，大大提高了高中生的物理科學思維.

3.2 勻變速曲線運動瞬時速度的計算公式

勻變速曲線運動也是加速度不變的運動，但是其速度和加速度不在一條直線上，所以運動軌跡是曲線,相對勻變速直線運動更加復雜.怎樣把復雜問題簡單化呢？我們以比較特殊的勻變速曲線運動——平拋運動為例，可以利用運動的合成與分解的思想來處理.首先建構物體運動的圖形，如圖3所示，可以把勻變速曲線運動分解成水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動兩個相對簡單的直線運動.

圖3 分解勻變速曲線運動

如果已知初始時刻的水平速度v0,經過時間t，水平速度v0不變， 水平方向分速度vx=v0，豎直方向分速度vy=gt，則其合速度

設速度方向與x軸成β角，滿足

所以合速度v與x軸之間的夾角

應用合成與分解的思想得出了瞬時速度的大小和方向，通過這樣的處理讓學生認識到無論如何復雜的運動，都可以看成幾個簡單運動的合成，合運動的效果和幾個分運動的效果相同，學生體會到運動的合成與分解是一種分析解決復雜運動的基本方法.這種具體分析問題、解決問題的科學方法，是高中教育給與學生最具有生命力的教育內容，也是學生離開學校后學習和工作的有力工具，因此掌握科學方法，提高學生的思維素養(yǎng)，比掌握具體的知識更具有長遠意義.

3.3 瞬時速度的測量

高中是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力的最佳時機，高中學生動手能力和實驗設計能力不斷提高，實驗中通過瞬時速度的測量可以滲透多種科學方法.

(1)用打點計時器結合紙帶可以測瞬時速度，實驗器材如圖4所示，實驗原理如下.

圖4 測量瞬時速度實驗器材示意圖

圖5 紙帶計數點時間間隔取0.1 s

圖6 紙帶計數點間的時間間隔取0.06 s

我們對實驗進一步思考，本實驗是用極短時間內的平均速度代替瞬時速度的大小，但是平均速度和瞬時速度是兩個不同的概念.這個實驗的最小時間間隔只能是0.02 s，并不滿足 “非常小非常小”的要求，況且時間太小對應的位移也很小導致位移測量的不精確，所以該實驗無法揭示瞬時速度的本質.那么有沒有在測量過程中能揭示瞬時速度本質的實驗呢？用氣墊導軌和數字計時器探究瞬時速度可以做到.

(2)用氣墊導軌和數字計時器探究瞬時速度，儀器如圖7所示，控制擋光片寬度不變改變光電門位置，實驗原理如下.

圖7 用氣墊導軌和數字計時器探究瞬時速度實驗

如圖8測定滑塊通過A點時的瞬時速度，可把一個光電門固定在氣墊導軌上的A點，把另一個光電門置于氣墊導軌上的B點.研究時，通過改變B點的位置，逐次減少A與B間的距離Δx，分別測出Δx和Δt，計算出對應的平均速度，列出表格1進一步分析平均速度值的變化情況.從表中的實驗數據可以看出，隨著Δx(亦即Δt)的逐漸減小，各平均速度值也逐漸減小，而且隨之接近，Δx=5.00 cm以后，平均值已經趨向于一個定值了，即滑塊平均速度已趨向于它通過光電門A時的瞬時速度.不僅如此，我們還可以通過圖像法進行理想化外推，如圖9所示.從圖中可以看出，當光電門之間的距離變到無限小(即時間Δt無限短)時，平均速度的極限值就是擋光片中點通過A點的瞬時速度.Δv-Δx圖線在縱坐標軸上的截距29.917 m/s就是Δt→0時的平均速度的極限值——瞬時速度.

圖8 測量滑塊在A點時的速度

表1 測量數據

圖9 滑塊平均速度與光電門間距的關系圖像

同理，如果該實驗改成用一個光電門，控制光電門位置不變，逐次減小滑塊上的擋光片寬度d，分別測出擋光片寬度d和它與之對應的擋光時間Δt，計算出對應的平均速度，再通過Δv-Δd圖線的理想化外推，得出的縱坐標軸上的截距就是d→0時的平均速度的極限值——瞬時速度.我們不能讓光電門之間的距離Δx或者擋光片的Δd變到無限小(即時間Δt無限短)，通過直線的延長交于縱軸的交點，即為無限接近Δt=0，由此推導出來的瞬時速度值的方法，是理想化外推，也是高中階段重要的科學思維方法.

最有價值的知識是關于思維方法的知識，高中物理在速度概念的建構中應用到了各種科學思維方法，如對比法、比值定義法、極限思想方法、圖像法、合成與分解的思想、理想化外推等，它們普遍應用于人的各種思維活動.作為教師要不斷探索，根據學生的思維日趨發(fā)展，切實讓學生體驗概念建構過程，努力把前人研究物理現象的思想、方法轉化為學生的認識能力和思維方式，從中深刻理解概念的內涵，體會建構概念的外延，讓科學方法作為一種素養(yǎng)植根到學生的思想中，使物理教育做到教的是思維，收獲的是智慧，真正提高學生的科學思維素養(yǎng).