搭建問題支架，高效開展物理概念教學(xué)

何盼盼

摘要：在物理概念教學(xué)中，教師可通過搭建直通學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的問題支架，建立新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，將任務(wù)以問題的形式進(jìn)行分解，幫助學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)物理概念的構(gòu)建。本文以“速度變化快慢的描述——加速度”教學(xué)為例，分析如何在課堂教學(xué)中搭建問題支架，幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念，形成清晰的知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞：物理概念 問題支架 高中物理

物理概念是物理學(xué)的基礎(chǔ)，是人們對(duì)物理現(xiàn)象和物理過程等本質(zhì)屬性的精確概括。李政道強(qiáng)調(diào)說：“學(xué)習(xí)物理的首要問題是要弄清物理學(xué)中的基本概念?！钡P者在日常教研活動(dòng)中，通過聽課、訪談、試卷分析等方式了解到，當(dāng)前教學(xué)普遍存在教師注重概念記憶、忽視概念構(gòu)建過程的情況。為此筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開探索，尋找一種能幫助學(xué)生更有效構(gòu)建概念的支架教學(xué)模式。本文主要探討其中一種支架形式——問題支架——在“速度變化快慢的描述——加速度”概念教學(xué)中的應(yīng)用。

所謂問題支架，是指在學(xué)生原有的認(rèn)知水平和將要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)之間找到學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，并借助一個(gè)個(gè)有梯度、有層次、有連貫性的問題串搭建不斷向上攀升的學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生逐步跨越，抵達(dá)“最近發(fā)展區(qū)”，并在問題解決的過程中逐步歸納出事物的本質(zhì)屬性，構(gòu)建出物理概念。

一、結(jié)合沖突性問題搭建問題支架，激發(fā)前概念

前概念是指學(xué)習(xí)者在正式接受科學(xué)教育之前通過長期的生活經(jīng)驗(yàn)積累和辨別式學(xué)習(xí)獲得的某些感性印象，積累的缺乏概括性和科學(xué)性的經(jīng)驗(yàn)，以及某些與科學(xué)知識(shí)相?；虿煌耆恢碌挠^念和規(guī)則。

加速度是高中課程中比較抽象難懂的概念，同時(shí)也是連接力與運(yùn)動(dòng)兩大模塊的重要概念。在生活中，學(xué)生對(duì)加速度這一概念的印象并不清晰，分不清平時(shí)所說的“快”是指“速度快”還是“速度變化快”，故本節(jié)就從學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的地方設(shè)置問題支架，引發(fā)學(xué)生對(duì)速度和速度變化快慢的思考，進(jìn)而調(diào)出學(xué)生的前概念。

問題1：人與戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行競速比賽，哪個(gè)會(huì)贏？

設(shè)計(jì)說明：對(duì)于學(xué)生來說，戰(zhàn)斗機(jī)與人進(jìn)行速度競賽，是實(shí)力懸殊較大的較量，學(xué)生多半認(rèn)為二者沒有可比性，戰(zhàn)斗機(jī)的優(yōu)勢非常明顯，學(xué)生心中覺得答案顯而易見。但學(xué)生并沒有意識(shí)到：雖然長距離運(yùn)動(dòng)過程中戰(zhàn)斗機(jī)的平均速度快，但不代表短距離比賽中戰(zhàn)斗機(jī)速度變化就快。

在學(xué)生充分討論回答后，筆者播放中央電視臺(tái)播出的《加油！向未來》中短跑名將張培萌與山鷹FTC-2000教練機(jī)進(jìn)行的50米競速比賽的視頻。這個(gè)真實(shí)情境下的競速比賽對(duì)學(xué)生來說很震撼，比賽結(jié)果和他們原先的設(shè)想也不同。筆者借機(jī)引發(fā)學(xué)生思考，教練機(jī)起飛過程中速度肯定比人的速度快，但是起飛初期的速度增加得沒有人起跑速度增加快。學(xué)生初步意識(shí)到速度和速度增加是不同的概念。

問題2：假如讓張培萌和戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行100米的競速比賽，結(jié)果又如何？你為什么這樣想？

設(shè)計(jì)說明：通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生開始思考速度變化這一更深層的問題。

在學(xué)生思考討論后，筆者播放張培萌與殲-10戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行的100米競速比賽的視頻，一方面可以讓學(xué)生感受到祖國的強(qiáng)大，另一方面讓學(xué)生看到速度的變化。筆者借機(jī)設(shè)置問題，幫助學(xué)生分析原因。

問題3：你能在生活中找到速度在變化的運(yùn)動(dòng)嗎？

設(shè)計(jì)說明：通過感性材料的分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到速度和速度變化是不同的物理量，再結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生感受變速運(yùn)動(dòng)在生活中的普遍性，為加速度概念教學(xué)進(jìn)行鋪墊。

二、結(jié)合平行性問題搭建問題支架，引入概念

在提供了加速度概念的引入階段，筆者為學(xué)生提供了生活中常見的交通工具啟動(dòng)階段的速度變化情況（如表1），然后設(shè)置問題讓學(xué)生分別進(jìn)行比較。

問題1：比較自行車和小汽車啟動(dòng)階段速度變化的快慢。

問題2：比較小汽車和火車啟動(dòng)階段速度變化的快慢。

問題3：比較自行車和火車啟動(dòng)階段速度變化的快慢。

設(shè)計(jì)說明：筆者利用三個(gè)平行性問題，幫助學(xué)生建立比較速度變化快慢的模型。在前兩個(gè)問題中，學(xué)生能很容易地建立起比較模型：當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同時(shí)，速度變化快慢可以通過速度變化量大小來比較；速度變化量相同時(shí)，速度變化快慢可以通過運(yùn)動(dòng)時(shí)間長短來比較。在第三個(gè)問題中，各交通工具的速度變化量和運(yùn)動(dòng)時(shí)間都不相同。有的學(xué)生通過分別計(jì)算出1秒內(nèi)速度的變化量來比較速度變化快慢，有的學(xué)生通過其他方法來解決問題。問題解決的過程讓學(xué)生體會(huì)到：需要引入一個(gè)新的物理量來描述速度的變化。此時(shí)教師順理成章地引入加速度概念，同時(shí)也為后面加速度定義式的引入降低了難度。

三、結(jié)合遞進(jìn)式問題搭建問題支架，促概念形成

在本節(jié)中，加速度概念的構(gòu)建和對(duì)加速度方向的理解都是難點(diǎn)。筆者通過一系列有梯度的、緊密相連的問題串，讓學(xué)生自主生成并逐漸形成概念。

問題1：表1中三種交通工具的運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間是固定的數(shù)值，大家都能進(jìn)行比較。假如給你一個(gè)任意的運(yùn)動(dòng)，你能不能找到它的加速度？例如某飛機(jī)加速階段的初始速度為v0，最終速度為vt，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，求它的加速度。

設(shè)計(jì)說明：該問題設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生經(jīng)歷由特殊到一般的過程。概念教學(xué)中，我們不僅要讓學(xué)生知道這個(gè)概念是什么，更重要的是讓學(xué)生知道到為什么要引入這個(gè)概念。這樣做才能讓學(xué)生對(duì)概念的理解更加全面。

問題2：根據(jù)上面的計(jì)算，結(jié)合前面速度、密度、壓強(qiáng)等概念定義的方法，給出加速度的定義式。

問題3：根據(jù)加速度的定義式，推導(dǎo)出加速度的單位。

問題4：結(jié)合加速度的定義式，分析加速度是矢量還是標(biāo)量。

設(shè)計(jì)說明：加速度定義式的引入用到的是比值定義法。比值定義法是中學(xué)階段物理概念構(gòu)建的重要方法。針對(duì)上面的三個(gè)問題，有學(xué)生用類比的方法獨(dú)立給出了答案。

問題5：加速度的方向由什么決定？

設(shè)計(jì)說明：加速度是矢量，但其方向并不直觀，學(xué)生很容易判斷錯(cuò)，所以筆者就將這個(gè)問題單獨(dú)拎出來進(jìn)行重點(diǎn)研究。

為了讓學(xué)生更好地理解和掌握加速度的概念以及矢量運(yùn)算的方法，筆者為教科書上例圖（加速度方向與速度方向的關(guān)系示意圖）中的速度賦上具體的數(shù)值，請(qǐng)學(xué)生結(jié)合給定的數(shù)值完成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程相關(guān)量的計(jì)算和比較。

問題6：如何用有向線段表示甲、乙兩車在運(yùn)動(dòng)過程的速度v1和v2？

問題7：如何計(jì)算甲、乙兩車運(yùn)動(dòng)過程的速度變化量Δv？兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的Δv一樣大嗎？Δv是矢量嗎？怎樣用有向線段來表示？

問題8：甲、乙在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度一樣嗎？

問題9：怎樣確定加速度的方向？

問題10：甲、乙在運(yùn)動(dòng)過程中速度變化規(guī)律相同嗎？其各有什么特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)說明：筆者為課本中的例子賦上數(shù)值的目的是方便學(xué)生理解，降低問題的難度，然后再通過一系列的問題串，將研究的問題不斷深化，也就是將加速度方向這個(gè)問題進(jìn)行細(xì)化，設(shè)置梯度，在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)設(shè)置問題，讓學(xué)生去構(gòu)建概念，進(jìn)而突破難點(diǎn)。

四、結(jié)合探究性問題搭建問題支架，促概念完善

v-t圖像能形象地描述物體運(yùn)動(dòng)過程中速度的變化，根據(jù)圖線的斜率可以得出加速度的大小。這種數(shù)理結(jié)合的方法在物理問題研究中有重要的應(yīng)用意義。為了讓學(xué)生能自然而然地得到v-t圖像，筆者通過設(shè)置探索性問題，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)探究過程中遇到的問題進(jìn)行思考，在問題解決的過程中，學(xué)生對(duì)加速度的概念有了更加全面深刻的理解。

問題1：一個(gè)在斜面上運(yùn)動(dòng)的小車，請(qǐng)測量出它在某一段運(yùn)動(dòng)中的加速度，并說明能不能直接測量。

設(shè)計(jì)說明：本節(jié)的教材中沒有安排探究實(shí)驗(yàn)。筆者設(shè)計(jì)這一問題是因?yàn)檫@個(gè)探究問題具有一定的開放性，探究方案多樣，能促使學(xué)生進(jìn)行發(fā)散遷移、拓展思維，同時(shí)也可以幫助學(xué)生了解傳感器。在科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)、自動(dòng)化程度越來越高的今天，傳感器的使用越來越廣泛。學(xué)生在學(xué)習(xí)中接觸傳感器有一定的現(xiàn)實(shí)意義，也為將來學(xué)習(xí)傳感器的知識(shí)進(jìn)行鋪墊。

問題2：如果不用直接測量的方式，要測量哪些量，每個(gè)量怎么測量？怎么用測出的量計(jì)算出加速度？

設(shè)計(jì)說明：探究過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)方案的選擇與制定，這能反映出學(xué)生對(duì)前面學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生有的會(huì)選擇打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，有的會(huì)利用光電門，實(shí)驗(yàn)器材選擇、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)的處理等都不盡相同。學(xué)生要想能完成方案設(shè)計(jì)，就需要綜合應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的知識(shí)。同時(shí)，在經(jīng)歷了小組合作探究之后，學(xué)生建構(gòu)的知識(shí)體系更加系統(tǒng)。

問題3：為了更直觀地顯示運(yùn)動(dòng)過程，可以用作圖法來表示物體運(yùn)動(dòng)過程嗎？以前有用建立坐標(biāo)系解決問題的例子嗎？

問題4：可以選取哪兩個(gè)量表示在坐標(biāo)系的橫、縱軸上？請(qǐng)將剛才實(shí)驗(yàn)過程中測量的物理量在坐標(biāo)系中描出來。

設(shè)計(jì)說明：上一節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)了v-t圖像，這節(jié)繼續(xù)讓學(xué)生建立v-t圖像，一方面是因?yàn)槲锢韱栴}與數(shù)學(xué)方法結(jié)合，是將學(xué)生感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的一條重要途徑；另一方面也可以讓學(xué)生通過建立圖像的過程再次認(rèn)識(shí)圖像。

問題5：能根據(jù)圖像找到加速度嗎？

設(shè)計(jì)說明：在上一節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)能根據(jù)圖像判斷速度的變化，知道物體在做加速、減速還是勻速運(yùn)動(dòng)。結(jié)合加速度的定義，學(xué)生能自主在圖像中找到加速度。但不同學(xué)生的基礎(chǔ)和思路可能不同，所以他們解決問題的方法可能不同，有的可能在圖像中找到Δv和對(duì)應(yīng)的Δt，再利用加速度的定義式進(jìn)行計(jì)算；有的能發(fā)現(xiàn)圖線的斜率就是加速度的大小。

問題6：能找到圖線某一點(diǎn)的加速度嗎？

設(shè)計(jì)說明：筆者主要想讓學(xué)生仿照上節(jié)學(xué)習(xí)的瞬時(shí)速度和平均速度的定義，結(jié)合極限思想，理解“瞬時(shí)加速度”，讓學(xué)生注意到它與“平均加速度”的區(qū)別，這樣學(xué)生對(duì)加速度概念的認(rèn)識(shí)就更加立體。

五、結(jié)合生活中的問題搭建支架，促概念的應(yīng)用和升華

本節(jié)的學(xué)習(xí)會(huì)涉及速度、速度變化和速度變化率的概念，學(xué)生很容易混淆，特別是面對(duì)實(shí)際問題時(shí)，學(xué)生很容易理不清。為此筆者設(shè)計(jì)以下問題，讓學(xué)生結(jié)合生活中的運(yùn)動(dòng)實(shí)例進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生將概念應(yīng)用于生活之中。

問題1：請(qǐng)?jiān)谏钪姓页龇先缦逻\(yùn)動(dòng)條件的運(yùn)動(dòng)。

（1）物體運(yùn)動(dòng)速度小，加速度大。

（2）物體運(yùn)動(dòng)速度大，加速度小。

（3）物體運(yùn)動(dòng)速度變化小，加速度大。

（4）物體加速度方向與速度方向相同。

（5）物體加速度方向與速度方向相反。

（6）物體加速度大小在減少，速度大小在增加。

（7）物體加速度大小在增加，速度大小在減小。

設(shè)計(jì)說明：這樣設(shè)計(jì)是幫助學(xué)生辨析概念，構(gòu)建完整的概念體系。

問題2：分析張培萌和教練機(jī)競速過程中速度的大小，加速度大小變化的情況。

設(shè)計(jì)說明：物理來源于生活，也應(yīng)用于實(shí)際生活。實(shí)例分析能讓學(xué)生更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。

在物理概念引入、形成、完善、應(yīng)用和升華的學(xué)習(xí)階段，筆者在考慮學(xué)生原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，洞察學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，聯(lián)系新舊知識(shí)，讓在學(xué)生問題支架的幫助下去探索新知，讓學(xué)生在思考、質(zhì)疑的過程中形成概念、發(fā)散思維。需要注意的是，學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)是動(dòng)態(tài)的，問題支架必須結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況靈活調(diào)整。同時(shí)，隨著學(xué)生認(rèn)知水平和自主學(xué)習(xí)水平的發(fā)展，問題支架也要不斷修改、轉(zhuǎn)移或減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]李高峰，劉恩山.前科學(xué)概念的術(shù)語和定義的綜述［Ｊ］．寧波大學(xué)學(xué)報(bào)，２００６（６）：４３-４５.

[2]維果茨基.維果茨基教育論著選［M］.余震遠(yuǎn)，譯.北京：人民教育出版社，2005.

[3]姜琳.中學(xué)物理教學(xué)中運(yùn)用支架式教學(xué)的案例分析［J］.物理教師，2012（1）：13-14.

責(zé)任編輯：黃大燦