初中物理概念教學(xué)五步法的探討

摘 要：本文以蘇科版物理“速度”的概念教學(xué)為例，對(duì)物理教學(xué)五步法進(jìn)行探討.五步法教學(xué)融學(xué)科課程和活動(dòng)課程于一體，融品格教育與“STEM”教育[1]于一體.前三步（啟發(fā)、探尋、反思）立足于課內(nèi)，第四步（設(shè)計(jì)）橫跨于課內(nèi)外，第五步（實(shí)踐）著眼于課外.其教育宗旨是：為了提升學(xué)生適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要所具備的品格和關(guān)鍵能力[2]，為了科技創(chuàng)新型人才能夠脫穎而出.其概念教學(xué)的策略是：在“啟發(fā)”中引入概念，開發(fā)學(xué)生智力，在“探尋”中建立概念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，從“反思”中鞏固概念，內(nèi)化為學(xué)生品格，在“設(shè)計(jì)”中深化概念，提升學(xué)生動(dòng)手操作能力，在“實(shí)踐”中創(chuàng)新概念，升華為學(xué)生的創(chuàng)造品質(zhì).

關(guān)鍵詞：初中物理;概念教學(xué);五步法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）02-0029-04

基金項(xiàng)目：南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“指向科學(xué)素養(yǎng)的初中實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)型研究”（項(xiàng)目編號(hào)：GH2018081）;江蘇省“十三五”教育科學(xué)研重點(diǎn)資助課題“生本理念下的初中課堂問題鏈設(shè)計(jì)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：E-a/2018/02）.

作者簡介：陸建忠（1970-），男，江蘇海門人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：初中物理課堂教育、實(shí)驗(yàn)教育實(shí)踐研究.

習(xí)近平總書記最新指出：我國要在科技創(chuàng)新方面走在世界前列，必須大力培養(yǎng)造就規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的創(chuàng)新型科技人才[3].

物理學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，以其自身特點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、探索精神以及創(chuàng)造性思維等方面都具有其他學(xué)科無法比擬的獨(dú)特魅力.因此，物理教學(xué)對(duì)科技創(chuàng)新人才的早期培養(yǎng)責(zé)無旁貸.而“速度“是蘇科版物理教材中第一個(gè)以公式呈現(xiàn)的核心概念[4]，它對(duì)科技創(chuàng)新人才的早期培養(yǎng)起到首輪效應(yīng)的作用.本文以速度的概念教學(xué)為例，對(duì)融學(xué)科課程和活動(dòng)課程于一體的物理教學(xué)五步法（啟發(fā)、探尋、反思、設(shè)計(jì)、實(shí)踐）進(jìn)行探討.

1 啟發(fā)——引入概念

1.1 設(shè)計(jì)意圖

教師應(yīng)當(dāng)在啟發(fā)引導(dǎo)的過程中培養(yǎng)學(xué)生觀察、記憶、思維和想象等思維過程，在引入概念中開發(fā)學(xué)生智力.

1.2 教學(xué)片段

教師：同學(xué)們能否各用一個(gè)字說出“雷厲風(fēng)行”和“慢條斯理”的含義？（啟發(fā)思維）

生1：雷厲風(fēng)行隱含“快”，慢條斯理表示“慢”，可進(jìn)行快慢比較.

教師：說得好.這兩個(gè)成語分別表達(dá)不同個(gè)體性格特征的不同，其關(guān)鍵詞就是快慢.其實(shí)，快慢比較在日常生活中屢見不鮮，請(qǐng)同學(xué)們舉一些具體實(shí)例加以說明.

生2：在上星期的校運(yùn)動(dòng)會(huì)上，第三跑道的原百米冠軍王強(qiáng)卻跑在其他人后面，跑在后面顯然說明他跑得比別人慢.（觀察法）[在觀察中發(fā)現(xiàn)]

生3：從獵豹追趕鹿的圖片中，可以想象出獵豹能追上鹿，說明獵豹在相同的時(shí)間里比鹿跑的路程多，因此，獵豹比鹿跑得快. [在想象中思維]

生4：劉翔在雅典奧運(yùn)會(huì)上打破110米跨欄的世界紀(jì)錄，為中國人爭光.劉翔在相同的路程里，跑的時(shí)間短，說明劉翔比其他運(yùn)動(dòng)員跑得快.[從記憶中提煉]

教師：同學(xué)們是否能從上述例子中歸納出比較運(yùn)動(dòng)快慢的方法？[在思維中歸納]

生5：觀眾采用相同時(shí)間比路程的方法，判斷跑在前面的運(yùn)動(dòng)員跑得快;裁判是用相同路程比時(shí)間的方法，判斷跑到終點(diǎn)用時(shí)少的運(yùn)動(dòng)員跑得快.（控制變量法）

教師：這是相同地點(diǎn)不同物體之間進(jìn)行的比較.那么不同地點(diǎn)不同物體之間又該如何比較？（在激疑中進(jìn)入五步法教學(xué)的第二步）

2 探尋——建立概念

2.1 設(shè)計(jì)意圖

教師從激發(fā)學(xué)生的動(dòng)機(jī)、興趣、情感中探尋，在建立概念中力圖使學(xué)生將所學(xué)知識(shí)內(nèi)化為學(xué)習(xí)動(dòng)力.

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

教師可以讓同學(xué)列舉一些不同地點(diǎn)不同物體的具體實(shí)例加于說明.（激發(fā)動(dòng)機(jī)——求知欲）

2.2.1 探尋方案

方案一：創(chuàng)設(shè)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)會(huì)的情境（激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣）：來自于海陸空三軍代表隊(duì)冠軍之戰(zhàn).海軍代表隊(duì)的旗魚、陸軍代表隊(duì)的獵豹和空軍代表隊(duì)的褐海燕，比賽成績見表1.

控制時(shí)間相同，采取路程比時(shí)間的方法.用表1數(shù)據(jù)的比值進(jìn)行比較，由比值的計(jì)算可知：旗魚、獵豹和褐海燕的比值分別為30、40和83.3.其比較的本質(zhì)就是相同時(shí)間內(nèi)比較三者通過的路程，顯然比值大的運(yùn)動(dòng)快，褐海燕飛得快，旗魚游得慢.

方案二：創(chuàng)設(shè)國際奧運(yùn)會(huì)的情境（激發(fā)學(xué)生情感）：來自中國的110米跨欄、400米自由泳和10000米長跑這三個(gè)項(xiàng)目的金牌得主之賽.劉翔的成績?yōu)?2秒9，孫楊的成績?yōu)?分43秒68，王軍霞的成績?yōu)?0分49秒30.控制路程相同，采取時(shí)間比路程的方法.用三位世界冠軍破記錄成績的比值進(jìn)行比較.可得劉翔、孫楊和王軍霞的比值分別為0.11、0.56和0.18，其本質(zhì)是相同路程比時(shí)間.顯然比值小的運(yùn)動(dòng)快，劉翔跑得快，孫楊游得慢.

2.2.2 科學(xué)比較

方案一得出的結(jié)論為：比值越大，運(yùn)動(dòng)越快，方案二得出的結(jié)論為：比值越小，運(yùn)動(dòng)越快.與方案二相比，方案一比較符合人們常規(guī)的思維習(xí)慣，由此建立速度的概念（對(duì)比法）.

2.2.3 建立概念

定義方法：速度是通過科學(xué)比較后得到的新發(fā)現(xiàn)，生成的一個(gè)新概念，它用單位時(shí)間內(nèi)通過的路程加以定義.采用的是比值定義法[5]，就是用兩個(gè)已知物理量相比的方式來定義一個(gè)新的物理量的方法（比值法）.

統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：在使用公式v=s/t的計(jì)算過程中，v、s、t這三個(gè)物理量的單位應(yīng)統(tǒng)一.速度的國際單位是m/s，常用單位是km/h，二者之間換算關(guān)系為1m/s=3.6km/h（公式法）.

物理意義：速度是描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，是路程隨時(shí)間的變化率.轎車在高速公路上的運(yùn)動(dòng)可視為是速度不變的勻速直線運(yùn)動(dòng)（模型法），若其速度為120km/h，則表示小轎車在1h內(nèi)通過的路程為120km.

實(shí)驗(yàn)測量：讓二位學(xué)生（一男一女）相向站立在講臺(tái)前地面上鋪有皮尺的0和5米的刻度處（實(shí)驗(yàn)法），六位學(xué)生（代號(hào)分別為A、B、C、D、E、F）的左右手各持一個(gè)秒表，分別側(cè)向站立在皮尺的0、1、2、3、4和5米的刻度處，教師發(fā)出命令的同時(shí)六位學(xué)生開始調(diào)零，二位學(xué)生相向出發(fā)，做緩慢的運(yùn)動(dòng)，即勻速直線運(yùn)動(dòng)，六位學(xué)生左、右手所持的秒表分別記錄男、女同學(xué)經(jīng)過該處的時(shí)間，還有2位學(xué)生分別將測量數(shù)據(jù)記錄在黑板上已經(jīng)設(shè)計(jì)好的表格中，見表2（表格法）.

數(shù)據(jù)處理：讓學(xué)生用方格紙將表中的數(shù)據(jù)畫成路程隨時(shí)間變化的圖像，如圖1所示.兩圖像的交點(diǎn)為兩同學(xué)相向運(yùn)動(dòng)的相遇處.這是用圖像的方法來描述速度，圖像為直線，表示速度不變，兩位同學(xué)做勻速直線運(yùn)動(dòng) （圖像法）.

3 反思——鞏固概念

3.1 設(shè)計(jì)意圖

教師在知識(shí)、方法、思想、觀念的教育過程中使得學(xué)生有所反思，在鞏固概念中內(nèi)化為自身品格.

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

知識(shí)教育：由速度的定義—公式—單位—意義—測量—應(yīng)用，致力于幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)體系.

方法教育：從觀察法（通過觀察得出結(jié)論）—控制變量法（同中求異、異中求同）—對(duì)比法（科學(xué)比較二種探尋方案）—比值法（定義速度）—公式法（定量描述運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)空關(guān)系）—模型法（勻速直線運(yùn)動(dòng)）—實(shí)驗(yàn)法（實(shí)驗(yàn)探究運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)空關(guān)系）—表格法（用表格數(shù)據(jù)研究運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)空關(guān)系）—圖像法（用圖像研究運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)空關(guān)系），幫助學(xué)生形成方法線.

思想教育：將方法線濃縮，提升為由比較思想（控制變量法、比值法、對(duì)比法）—數(shù)學(xué)思想（表格法、公式法、圖像法）—理想化思想（模型法），引導(dǎo)學(xué)生形成思想線.

觀念教育：將思想線濃縮，錘煉為時(shí)空觀（比較思想、數(shù)學(xué)思想、理想化思想）.函數(shù)圖像的建立過程就是對(duì)時(shí)空觀教育的最好時(shí)機(jī).直角坐標(biāo)系描述的是最簡單的時(shí)空關(guān)系，其中橫軸描述時(shí)間，縱軸描述空間（路程），圖像描述的就是運(yùn)動(dòng)物體時(shí)空的定量關(guān)系（速度），是路程隨時(shí)間的變化率.

4 設(shè)計(jì)——深化概念

4.1 設(shè)計(jì)意圖

教師從滲透人文、科學(xué)、藝術(shù)等核心素養(yǎng)的理念中設(shè)計(jì)教學(xué)流程，學(xué)生在深化概念的過程中內(nèi)化為綜合能力.

4.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

4.2.1 速度的應(yīng)用（課內(nèi)計(jì)算）

（1）情境：引導(dǎo)學(xué)生在如圖2所示的國畫情境中，感悟藝術(shù)的魅力.體驗(yàn)李白詩句“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還，兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山”中的物理意境.

（2）創(chuàng)新：李白早晨乘船從白帝城出發(fā)，傍晚到達(dá)千里外的江陵，船速為多少？（滲透人文素養(yǎng)，內(nèi)化為學(xué)生的創(chuàng)新能力）

（3）概括：已知s=500km（千里），t=12h（一日），求v.（滲透數(shù)學(xué)素養(yǎng)，內(nèi)化為學(xué)生的概括能力）

（4）計(jì)算：v=s/t=500km/12h=41.7km/h.

4.2.2 速度的測量（可延伸至課外）

（1）器材：兩端開口、壁上標(biāo)有刻度、長度為80cm的玻璃管，兩個(gè)塞子可將玻璃管的兩端密封，內(nèi)部裝滿水，并恰好留下一個(gè)小氣泡.如圖3所示.

（2）測量：充水玻璃管中氣泡上升的速度.

（3）探究：充水玻璃管中氣泡的運(yùn)動(dòng)速度v與玻璃管水平傾角θ的關(guān)系.（滲透學(xué)科核心素養(yǎng)，內(nèi)化為學(xué)生的探究能力）

（4）結(jié)論：塞子可調(diào)節(jié)氣泡的大小，玻璃管的水平傾角可調(diào)節(jié)氣泡的速度，水平傾角θ越小，氣泡運(yùn)動(dòng)的速度就越小，氣泡的運(yùn)動(dòng)越接近于勻速直線運(yùn)動(dòng).

4.2.3 定義新概念（課外拓展）

（1）靈感：源于國際青少年創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽對(duì)南極科考站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原創(chuàng)性地利用比值法定義結(jié)構(gòu)模型并設(shè)計(jì)兩個(gè)指標(biāo)——承載率和容積率，本文只定義其中的承載率.

（2）定義：結(jié)構(gòu)模型能承載壓物的最大質(zhì)量M與其自身質(zhì)量m的比值（具有原創(chuàng)性）.

（3）公式：P=M/m，其單位為千（k）.

（4）意義：承載率是描述結(jié)構(gòu)模型在承載測試情況下的壓力效應(yīng).就南極科考站結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)而言，其實(shí)際意義是對(duì)南極科察站抵抗屋頂積雪和其他設(shè)施自重能力的效益評(píng)價(jià).其設(shè)計(jì)目的是為了追求設(shè)計(jì)效益的最大化，凸顯的是用最少投入獲取最大效益的設(shè)計(jì)理念.

5 實(shí)踐——?jiǎng)?chuàng)新概念

5.1 設(shè)計(jì)意圖

教師在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）等教育理念的滲透中設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)，并將其內(nèi)化為學(xué)生的創(chuàng)造力.

5.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)模型承載率的實(shí)驗(yàn)探究.

猜想：承載率可能與結(jié)構(gòu)模型底面正多邊形的邊數(shù)、邊長、柱體的高度、制作的材料、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān).

器材：如圖4所示，為學(xué)生設(shè)計(jì)制作的A、B、C、D、E五組結(jié)構(gòu)模型;如圖5所示，為測試器的設(shè)計(jì)圖，安全支撐物是為防止結(jié)構(gòu)模型發(fā)生較大形變時(shí)被承重板壓壞而設(shè)計(jì).安全圓柱是為保證逐漸增加的杠鈴片始終位于被測試結(jié)構(gòu)模型的中心，用杠鈴片作為壓物的優(yōu)勢在于直接讀出壓物的質(zhì)量;如圖6所示，為測試器實(shí)物圖及其操作步驟.

測量：加載至模型變形、承重板落在安全支撐物上為止，數(shù)出杠鈴片有效片數(shù)和承重板質(zhì)量，計(jì)算出壓物的總質(zhì)量.再用電子秤測結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量，最后按公式P=M/m計(jì)算得出承載率，見表3.

結(jié)論：分析表3中的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：（1）結(jié)構(gòu)模型的承載率隨著正多棱柱棱數(shù)的增加而增大;（2）圓柱體可以看成是棱數(shù)無限多的正多棱柱，所以，圓柱體結(jié)構(gòu)模型的承載率最大，三棱柱結(jié)構(gòu)模型的承載率最小;（3）四棱柱、五棱柱、六棱柱結(jié)構(gòu)模型的承載率變化差距不大;（4）用承壓力大、密度小的材料制作的結(jié)構(gòu)模型，其承載率大;（5）高度低、邊長小、整體性好的結(jié)構(gòu)模型，其承載率也大.

應(yīng)用：根據(jù)上述探究結(jié)論，再對(duì)照實(shí)際，發(fā)現(xiàn)：（1）現(xiàn)實(shí)中基本不存在三棱柱結(jié)構(gòu)的建筑物或構(gòu)筑物;（2）四棱柱結(jié)構(gòu)的民居較為普遍，如住宅小區(qū)的建筑基本上是四棱柱結(jié)構(gòu);（3）五棱柱和六棱柱結(jié)構(gòu)在亭、臺(tái)、樓、閣中較為常見，如揚(yáng)州瘦西湖中的五亭橋;（4）高層建筑和大型建筑大多采取整體性好的框架結(jié)構(gòu)和具有強(qiáng)度高、密度小的新型材料;（5）在惡劣環(huán)境條件下施工的建筑，如高山上的廟宇或南極的科考站，通常采用梁柱結(jié)構(gòu)，但為了確保其具有較高的“承載率”，其外形通常接近于圓柱形，如南極的泰山科考站的主樓.

物理教學(xué)五步法是為科技創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)而設(shè)計(jì)的教學(xué)策略，它融學(xué)科課程和活動(dòng)課程于一體，融品格教育與“STEM”教育于一體.其中的“啟發(fā)”為概念的引入環(huán)節(jié)，通過啟發(fā)學(xué)生的觀察、記憶、思維和想象等思維以提高學(xué)生的智力水平;“探尋”為概念的建立環(huán)節(jié)，通過激發(fā)學(xué)生的動(dòng)機(jī)、興趣、情感來提升學(xué)生的動(dòng)力水平;“反思”為概念的鞏固環(huán)節(jié)，教師從知識(shí)、方法、思想、觀念等教育入手引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思，內(nèi)化為學(xué)生的必備品格;“設(shè)計(jì)”為概念的深化環(huán)節(jié)，是課堂教學(xué)的延伸;從人文、科學(xué)、藝術(shù)等核心素養(yǎng)的滲透中內(nèi)化為學(xué)生的綜合能力;“實(shí)踐”為創(chuàng)新概念環(huán)節(jié)，是對(duì)課堂教學(xué)的拓展，在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的滲透中內(nèi)化為學(xué)生的創(chuàng)造力.

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（收稿日期：2020-09-16）