基于核心概念建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)與探討

摘 要：本文以“速度變化快慢的描述——加速度”一節(jié)為例，指出教師在教學(xué)過(guò)程中可從核心概念的地位、學(xué)情、目標(biāo)等方面深度分析教學(xué)內(nèi)容，并按照情境導(dǎo)入、深度解構(gòu)、有效比較、探究圖像和總結(jié)升華等環(huán)節(jié)來(lái)組織教學(xué)，促使學(xué)生建構(gòu)核心概念，落實(shí)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)和關(guān)鍵能力發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心概念；加速度；教學(xué)設(shè)計(jì)

發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)是課程改革的基本目標(biāo)，“是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)”^［1］，也是教學(xué)設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)?！霸谥袑W(xué)物理教學(xué)中，使學(xué)生形成清晰的物理概念，并使他們的智力、能力得到充分的發(fā)展，是教學(xué)的核心問(wèn)題，也是培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵?！?sup>［^2］核心概念是位于物理研究主軸上的概念。在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的過(guò)程中，教師要注重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)核心概念，并以相關(guān)概念為結(jié)點(diǎn)搭建物理知識(shí)體系，厘清核心概念和與其相近、相關(guān)概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，提升學(xué)生對(duì)物理的體系化認(rèn)識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。對(duì)諸多物理情境而言，核心概念是有效解釋的關(guān)鍵詞；而且其相關(guān)概念的作用和價(jià)值也超越課堂，能夠向?qū)W生的生活延伸?！皬闹R(shí)認(rèn)知角度來(lái)說(shuō)，核心概念是居于學(xué)科中心，具有超越課堂之外的持久價(jià)值和遷移價(jià)值的關(guān)鍵性概念?！?sup>［3^］核心概念建立的背后也蘊(yùn)含著大量的科學(xué)方法和思想，這些方法和思想是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要土壤。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師不僅要讓學(xué)生研究相關(guān)概念的內(nèi)涵和外延，也要引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)隱含在概念建構(gòu)過(guò)程中的思想和方法，以此提升學(xué)生的相關(guān)素養(yǎng)。本文以“加速度”這一核心概念的教學(xué)為例，以“加速度”為結(jié)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生深入理解加速度、速度、速度變化量等物理量之間的聯(lián)系，也為后續(xù)學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)、向心加速度等內(nèi)容做鋪墊。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

“速度變化快慢的描述——加速度”一節(jié)是人教版高中物理必修第一冊(cè)“運(yùn)動(dòng)的描述”一章的最后一節(jié)。就高中物理的教學(xué)內(nèi)容而言，“加速度”應(yīng)該是學(xué)生進(jìn)入高中階段之后接觸到的一個(gè)難度較大的概念，其抽象性相對(duì)較強(qiáng)，雖然在生活中也有體現(xiàn)，但是學(xué)生卻很難自發(fā)地將其提煉出來(lái)。這就需要教師有策略地組織、引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系感性素材進(jìn)行總結(jié)，從而形成對(duì)加速度這一物理概念的理解。

就整個(gè)高中物理的學(xué)習(xí)而言，加速度是聯(lián)系力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的橋梁，是研究動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。它是動(dòng)力學(xué)體系中最重要的核心概念之一。本節(jié)內(nèi)容安排在“位置變化快慢的描述——速度”一節(jié)之后，學(xué)生已經(jīng)建立了“速度”的概念，并且在實(shí)驗(yàn)中感受過(guò)速度變化的場(chǎng)景，也能夠結(jié)合速度—時(shí)間圖像描述速度的變化。在此基礎(chǔ)上，教師能較為簡(jiǎn)單地引導(dǎo)學(xué)生探索速度變化的快慢。

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)，重點(diǎn)任務(wù)是全方位理解“加速度”這一核心概念，突破錯(cuò)誤前概念，正確理解加速度的物理意義，明白加速度描述的是速度變化的快慢。這里的“快慢”不是速度的快慢，而是速度變化的快慢。教師引導(dǎo)學(xué)生分析“速度”“速度的變化量”“速度變化快慢”“加速度”等概念之間的關(guān)聯(lián)和差異，同時(shí)要求學(xué)生結(jié)合圖像來(lái)研究加速度，理解在圖像中如何表征加速度，并據(jù)此來(lái)分析物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)“加速度”這一核心概念的深層次理解和認(rèn)識(shí)。

2 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

“物理教學(xué)離不開(kāi)真實(shí)的物理情境，情境應(yīng)凸顯本學(xué)科的‘共同屬性’和‘本質(zhì)特征’?！?sup>［4^］物理核心概念教學(xué)更離不開(kāi)真實(shí)的物理情境。為了破除學(xué)生的錯(cuò)誤的認(rèn)知前概念，促進(jìn)學(xué)生正確建構(gòu)核心概念，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境，并基于該情境設(shè)置問(wèn)題和任務(wù)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考。按照“制造沖突，引發(fā)思考；設(shè)置問(wèn)題，引入概念；層層剖析，建構(gòu)概念；概念辨析，認(rèn)清本質(zhì)；應(yīng)用概念，升華認(rèn)知”等環(huán)節(jié)組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.1 制造沖突，引發(fā)思考

學(xué)生在學(xué)習(xí)加速度之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了“速度”，知道“速度”是描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的快慢和速度的變化，學(xué)生也累積了不少感性經(jīng)驗(yàn)，但這些經(jīng)驗(yàn)是雜亂的，甚至存在理解錯(cuò)誤。只有破除前概念，學(xué)生才能順利建構(gòu)新的科學(xué)概念。破除前概念最有效的方法就是制造認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生思考，以思考促進(jìn)知識(shí)和認(rèn)知重構(gòu)?！凹铀俣取边@一核心概念的教學(xué)，需要幫助學(xué)生理順對(duì)“快慢”的理解，破除學(xué)生的一些理解誤區(qū)。教師可設(shè)置如下問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考。

問(wèn)題1 短跑運(yùn)動(dòng)員與戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行50米競(jìng)速比賽，運(yùn)動(dòng)員能贏嗎？

在學(xué)生討論、回答后，教師并沒(méi)有急于給出評(píng)價(jià)，而是播放了中央電視臺(tái)《加油！向未來(lái)》欄目中男子短跑運(yùn)動(dòng)員與山鷹教練機(jī)賽跑的視頻，讓學(xué)生通過(guò)觀看視頻得到答案。

設(shè)計(jì)意圖：真實(shí)的視頻和顛覆學(xué)生認(rèn)知的比賽結(jié)果，讓學(xué)生感到震撼和疑惑。短跑運(yùn)動(dòng)員贏得競(jìng)速比賽的結(jié)果與學(xué)生原有認(rèn)知不同，讓學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生思考。

問(wèn)題2 運(yùn)動(dòng)員能達(dá)到教練機(jī)起飛時(shí)的速度嗎？在50米競(jìng)速比賽中誰(shuí)的速度增加得多？誰(shuí)的速度增加得快？如果運(yùn)動(dòng)員和教練機(jī)進(jìn)行100米比賽，結(jié)果會(huì)如何？

學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考和互相討論，能夠回答上述問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)視頻情境，設(shè)置層層遞進(jìn)的問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到“速度快慢”和“速度變化快慢”有所不同，平均速度快速度變化未必快等。這一系列問(wèn)題將為后續(xù)歸納出速度變化快慢的本質(zhì)特征以及建構(gòu)“加速度”這一核心概念奠定基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)置問(wèn)題，引入概念

教師基于視頻中運(yùn)動(dòng)員、教練機(jī)、轎車(chē)加速過(guò)程的真實(shí)情況設(shè)置數(shù)據(jù)，提出問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考。具體數(shù)據(jù)設(shè)置如表1所示。

為了方便學(xué)生比較，表中運(yùn)動(dòng)員和教練機(jī)加速過(guò)程位移為50m，而轎車(chē)加速和減速過(guò)程的位移都不是50m。教師設(shè)置進(jìn)階問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生深入思考，從而為后續(xù)理解加速度的物理意義奠定基礎(chǔ)。具體問(wèn)題如下。

問(wèn)題3 加速過(guò)程中誰(shuí)的速度變化最大？

問(wèn)題4 加速過(guò)程中誰(shuí)的速度變化最快？誰(shuí)的速度變化最慢？

問(wèn)題5 轎車(chē)加速和減速過(guò)程中哪一過(guò)程速度變化更快？

問(wèn)題6 運(yùn)動(dòng)員加速過(guò)程和轎車(chē)減速過(guò)程比較，誰(shuí)的速度變化更快？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)提出問(wèn)題3～6，引導(dǎo)學(xué)生思考，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)比較速度變化快慢的模型。對(duì)于問(wèn)題3和問(wèn)題4，速度變化快慢的比較可以通過(guò)比較速度變化量的大小和用時(shí)得出結(jié)論。在加速過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員速度變化最大且用時(shí)最短，轎車(chē)速度變化最小且用時(shí)最長(zhǎng)，所以運(yùn)動(dòng)員速度變化最快，轎車(chē)速度變化最慢。對(duì)于問(wèn)題5，轎車(chē)的加速和減速速度變化量相同，減速階段用時(shí)更短，故減速過(guò)程速度變化更快。對(duì)于問(wèn)題6，運(yùn)動(dòng)員和轎車(chē)速度變化量不同，用時(shí)也不同，且速度變化大的用時(shí)長(zhǎng)，因此無(wú)法用分析問(wèn)題4和問(wèn)題5的方法解決。學(xué)生討論后，提出利用計(jì)算1秒時(shí)間內(nèi)的速度變化量來(lái)比較速度變化的快慢。通過(guò)這幾個(gè)進(jìn)階問(wèn)題，學(xué)生思維逐漸深入，觸及概念的本質(zhì)。學(xué)生能感受到以前學(xué)過(guò)的物理量，包括速度、速度變化量等都不能描述速度變化的快慢，需要引入一個(gè)新的物理量來(lái)描述速度變化的快慢這一特征。這使得加速度概念的引入水到渠成，且為加速度的定義、計(jì)算以及物理意義的理解等奠定基礎(chǔ)。

2.3 層層剖析，建構(gòu)概念

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)情境問(wèn)題進(jìn)行層層剖析，可使核心概念的建構(gòu)順其自然，學(xué)生對(duì)概念的理解更通透，運(yùn)用時(shí)會(huì)更加得心應(yīng)手。加速度概念的建構(gòu)可以基于前面的情境，設(shè)置進(jìn)階問(wèn)題鏈來(lái)引導(dǎo)學(xué)生層層分析。具體問(wèn)題如下。

問(wèn)題7 計(jì)算表1中各物體單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量。

學(xué)生計(jì)算后得到各物體1秒時(shí)間內(nèi)的速度變化量：運(yùn)動(dòng)員1.76m/s，教練機(jī)1.45m/s，轎車(chē)（加速）0.83m/s，轎車(chē)（減速）3.33m/s。

問(wèn)題8 單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量能夠反映速度變化的快慢，請(qǐng)嘗試將其定義為一個(gè)物理量。

在問(wèn)題7的計(jì)算中，學(xué)生已經(jīng)知道單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量是用速度變化量除以所用時(shí)間，這是生活中和數(shù)學(xué)上常見(jiàn)的變化率計(jì)算方法。有學(xué)生將其稱作“速度變化率”。教師順著這一思路進(jìn)行分析，得出“速度變化率”的概念、定義式、性質(zhì)（矢量性、方向）以及物理意義。

問(wèn)題9 我們定義的“速度變化率”這一概念名稱太長(zhǎng)，沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可；物理前輩們采用的名稱是什么？請(qǐng)閱讀課本回答。

通過(guò)查閱課本，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)物理概念從“速度變化率”到“加速度”的轉(zhuǎn)化和升級(jí)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)讓學(xué)生計(jì)算不同物體在加速或減速階段單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量，教師強(qiáng)化了學(xué)生在生活中和數(shù)學(xué)上所認(rèn)知的“變化率”的概念，并將其遷移到新概念的定義中。定義新物理量時(shí)，教師首先基于學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將其定義為“速度變化率”，以此為支點(diǎn)，幫助學(xué)生順利構(gòu)建“加速度”的概念，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。教師讓學(xué)生計(jì)算的問(wèn)題情境中有加速過(guò)程也有減速過(guò)程，且先引入“速度變化率”，幫助學(xué)生正確理解“變化”——增加、減少都可能。避免了學(xué)生想當(dāng)然地認(rèn)為“加速度”只描述加速運(yùn)動(dòng)，也避免學(xué)生創(chuàng)造“減速度”來(lái)描述減速運(yùn)動(dòng)。

2.4 概念辨析，認(rèn)清本質(zhì)

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，“加速度”是一個(gè)相對(duì)陌生的概念。由于名稱上的相近，他們很容易將其與“速度”“速度的變化量”這2個(gè)概念混淆，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中，要引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)比較，以此來(lái)幫助學(xué)生理解概念的本質(zhì)。教學(xué)中，教師可讓學(xué)生完成表2，對(duì)這3個(gè)物理量進(jìn)行辨析。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)概念辨析，比較相近概念的物理意義、定義式、決定因素、方向，梳理它們之間的關(guān)系，可以讓學(xué)生更深入理解“加速度”這一物理量的本質(zhì)。

2.5 應(yīng)用概念，升華認(rèn)知

應(yīng)用新概念解決物理問(wèn)題是促進(jìn)學(xué)生透徹理解概念，認(rèn)知升華的重要手段。對(duì)“加速度”這一重要的核心概念，學(xué)生在學(xué)習(xí)中困惑多、障礙多。教師有必要在課堂上結(jié)合具體場(chǎng)景給學(xué)生呈現(xiàn)系列進(jìn)階習(xí)題任務(wù)，讓學(xué)生熟悉概念內(nèi)涵和基本公式，尤其是強(qiáng)化學(xué)生對(duì)加速度矢量性的理解。

例1 下列描述的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中，可能存在的有（" ）。

A. 物體的速度變化量很大，但加速度卻很小

B. 物體速度變化量的方向?yàn)檎?，但加速度方向卻為負(fù)

C. 物體的速度變化越來(lái)越快，但加速度卻越來(lái)越小

D. 物體的速度越來(lái)越大，但加速度卻越來(lái)越小

例2 火車(chē)的速度從10m/s增加到30m/s，所用時(shí)間為400s，請(qǐng)計(jì)算其加速度為多少。

例3 現(xiàn)有一物塊從固定的光滑斜面上某點(diǎn)以4m/s的速度向上滑，經(jīng)過(guò)4s后物塊沿斜面下滑的速度大小為8m/s，求該過(guò)程中物塊的加速度。

例4 分別建立坐標(biāo)系作出例2中火車(chē)和例3中物塊運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖像，并說(shuō)明圖線截距、斜率、與橫軸所圍面積的含義。

設(shè)計(jì)意圖：例1到例4，問(wèn)題分析上從定性到定量，難度逐漸增大。例1為概念辨析題，強(qiáng)化學(xué)生理解速度變化量與加速度的大小關(guān)系、方向關(guān)系，速度變化大小、變化快慢與加速度的關(guān)系，強(qiáng)化對(duì)概念本質(zhì)的理解。例2為計(jì)算加速度的問(wèn)題，相對(duì)簡(jiǎn)單，學(xué)生出錯(cuò)的概率較小。即使學(xué)生沒(méi)有選取正方向，也能算出正確結(jié)果。例3相對(duì)復(fù)雜，如果學(xué)生不重視加速度的矢量性，沒(méi)有選取正方向，那么學(xué)生必然會(huì)得到錯(cuò)誤結(jié)果。通過(guò)例3，可強(qiáng)化加速度計(jì)算的規(guī)范性，加深學(xué)生對(duì)加速度矢量性質(zhì)的理解。例4讓學(xué)生作出物體運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖像，將上一節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)用到新知識(shí)的學(xué)習(xí)中，強(qiáng)化知識(shí)之間的聯(lián)系，也提升了問(wèn)題的綜合性。

3 教學(xué)后記

核心概念對(duì)學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)有著非常重要的作用，但是學(xué)習(xí)難度較大。由于概念高度概括和濃縮的特點(diǎn)，其具有很強(qiáng)的抽象性，是學(xué)生在概念學(xué)習(xí)時(shí)不可忽視的障礙，學(xué)生不理解物理概念及其內(nèi)涵已成為物理學(xué)習(xí)中的一種普遍現(xiàn)象。^［5］如果對(duì)概念的理解存在缺陷，相關(guān)問(wèn)題在初學(xué)階段可能還不明顯，但隨著學(xué)習(xí)的深入，就會(huì)愈發(fā)突顯，并且到了學(xué)習(xí)后期，想要彌補(bǔ)這些漏洞將會(huì)非常困難。所以，在學(xué)生第一次系統(tǒng)化學(xué)習(xí)概念時(shí)，教師就要妥善進(jìn)行設(shè)計(jì)，要結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，充分利用多樣化的教學(xué)手段，多角度地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解概念。教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師不但要引導(dǎo)學(xué)生深入地把握概念的內(nèi)涵，同時(shí)還要激起他們的認(rèn)知興趣，提升他們的內(nèi)驅(qū)力，并引領(lǐng)學(xué)生深度發(fā)掘隱含在物理知識(shí)中的科學(xué)思想和方法，為以后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。為了讓學(xué)生更好地建構(gòu)核心概念，教學(xué)設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面。

3.1 重視核心概念的地位

教師需要充分認(rèn)識(shí)到核心概念在高中物理知識(shí)體系中的重要地位，認(rèn)識(shí)到其對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)新知識(shí)和建構(gòu)完善知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的重要性。一方面，教師要花費(fèi)更多精力完成教學(xué)設(shè)計(jì)，追求教學(xué)過(guò)程精益求精；另一方面，教師重視的態(tài)度會(huì)感染學(xué)生，使得學(xué)生更加重視對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)，更有韌勁去突破學(xué)習(xí)中的疑難。

3.2 準(zhǔn)確把握學(xué)生的前概念

學(xué)生在學(xué)習(xí)核心概念之前一般都有前概念，其中不少是錯(cuò)誤的，錯(cuò)誤的前概念會(huì)成為學(xué)生準(zhǔn)確建構(gòu)科學(xué)概念的障礙。教師只有找準(zhǔn)學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，制造認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知矛盾，破除錯(cuò)誤的前概念，才能幫助學(xué)生順利建構(gòu)正確的概念。

3.3 重視物理情境創(chuàng)設(shè)

對(duì)學(xué)生而言，物理核心概念的學(xué)習(xí)抽象難懂、障礙多。通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情境，激活學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)他們從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，從具體事物抽象出普遍規(guī)律，這樣才能更有效地為學(xué)生搭建起建構(gòu)正確概念的支架，從而降低學(xué)生學(xué)習(xí)物理核心概念的難度。

3.4 多設(shè)計(jì)進(jìn)階型問(wèn)題和任務(wù)

核心概念教學(xué)是教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。越是難，越是重要，越需要學(xué)生充分發(fā)揮主動(dòng)性，調(diào)動(dòng)自身學(xué)習(xí)的積極性，從而突破重難點(diǎn)，取得好的教學(xué)效果。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)多設(shè)計(jì)進(jìn)階型的問(wèn)題和任務(wù)，給學(xué)生思考的契機(jī)，通過(guò)問(wèn)題和任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生思維逐漸向深處拓展，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的透徹理解。

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