基于“問題鏈”的物理概念教學(xué)研究

摘 要：“問題鏈”教學(xué)法是物理教學(xué)中常用的教學(xué)方法之一。教學(xué)中，教師基于教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)一系列由環(huán)環(huán)相扣、層層遞進的問題構(gòu)成的“問題鏈”，助力學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，發(fā)展高階思維能力，落實課程標(biāo)準(zhǔn)對物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。本文以職業(yè)學(xué)校物理“速度”教學(xué)為例，對教學(xué)過程精心設(shè)計，探索了應(yīng)用“問題鏈”有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的實施途徑。

關(guān)鍵詞：問題鏈；思維能力；高職物理；深度學(xué)習(xí)

1 引言

《中等職業(yè)學(xué)校物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，物理教學(xué)要聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，落實課程立德樹人根本任務(wù)。物理核心素養(yǎng)的提出，對物理課堂教學(xué)提出了更高的要求，也為物理教學(xué)改革指明了方向。物理概念和規(guī)律的建立，本質(zhì)上是“提出問題—探究問題—解決問題”的過程，這為物理課程開展基于“問題鏈”的教學(xué)改進提供了基礎(chǔ)?；凇皢栴}鏈”的教學(xué)，是教師在充分了解學(xué)生已有認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中可能遇到的難點或產(chǎn)生的困惑，設(shè)計一系列融合學(xué)習(xí)內(nèi)容的有指向性的問題，帶領(lǐng)學(xué)生逐步完成學(xué)習(xí)活動，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的過程。［1］實踐表明，物理教學(xué)中巧妙創(chuàng)設(shè)“問題鏈”，以問題為核心組織教學(xué)，可點燃學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動的熱情，驅(qū)動學(xué)生積極思考、主動探索、實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)、發(fā)展高階思維能力，助力核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。［2］問題的設(shè)置是教學(xué)活動順利實施的關(guān)鍵，問題應(yīng)遵循情境性、啟發(fā)性、探究性、層次性、開放性等特征，以保證學(xué)生有效建構(gòu)和理解新的知識和技能。［3］本文以高職物理“速度”這一核心概念教學(xué)為例，探討了利用“問題鏈”實施概念教學(xué)的途徑。

2 教材分析

本節(jié)內(nèi)容選自蘇州大學(xué)出版社2019年版高職物理第一冊修訂版第3章“勻變速運動”第二節(jié)“速度”，內(nèi)容包括速度、平均速度、瞬時速度，屬于運動描述的基礎(chǔ)知識。該節(jié)內(nèi)容是在初中物理的基礎(chǔ)上進一步研究速度，也是后續(xù)研究加速度、勻變速直線運動等內(nèi)容的基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。教材在定義速度時，用“位移”代替初中的“路程”，強調(diào)速度的矢量性，并用比值法來定義物理量。在變速直線運動中，教材引入“平均速度”的概念，從整體角度研究物體的運動。教材引出“瞬時速度”的概念時，利用極限思想展開，促使學(xué)生深刻理解概念內(nèi)涵。教材的突出特點是重視研究過程和研究方法的教育，同時關(guān)注課程育人，將生產(chǎn)生活實例和思想教育貫徹教學(xué)始終。

3 學(xué)情分析

課前，學(xué)生已學(xué)習(xí)過位移、路程、時間等概念，知道可以用路程除以時間代表速度的大小，對于物體的運動有豐富的感性認(rèn)識，具備一定的實驗探究能力，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。但是，由于初中物理知識水平的限制，學(xué)生

理解

速度具有“方向”性具有一定的難度，需要教師結(jié)合真實情境揭示速度方向的重要性。此外，學(xué)生抽象思維能力欠佳，對“平均速度”的極限“瞬時速度”這一概念的理解可能會有一定困難。教學(xué)中，教師應(yīng)充分結(jié)合生活實例、數(shù)學(xué)圖像和實驗探究，使學(xué)生獲取感性認(rèn)識，理解物理思想，建構(gòu)物理概念。本節(jié)課，教師應(yīng)該在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生用氣墊導(dǎo)軌測量滑塊的瞬時速度，幫助學(xué)生理解物理概念、體會極限思想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。此外，教師在教學(xué)中要積極選取與本節(jié)內(nèi)容高度契合的生產(chǎn)生活實例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 教學(xué)目標(biāo)

4.1 物理觀念及應(yīng)用

第一，理解速度是描述物體運動狀態(tài)的物理量，理解速度的概念、公式、意義及矢量性。

第二，理解運動是一種客觀現(xiàn)象，描述運動是生活生產(chǎn)的需要，形成運動的物理觀念。

第三，能夠用速度描述物體的運動狀態(tài)，利用所學(xué)知識初步分析和解決生活中的問題。

4.2 科學(xué)思維與創(chuàng)新

第一，能夠從時空角度理解采用比值定義法定義速度的方法。

第二，理解平均速度與瞬時速度的關(guān)系以及引入瞬時速度的必要性。

第三，感受極限思想，體會數(shù)學(xué)與物理相結(jié)合的研究問題的方法。

4.3 科學(xué)實踐與技能

第一，通過用氣墊導(dǎo)軌測量瞬時速度，學(xué)會測量速度的方法，培養(yǎng)實驗操作技能。

第二，通過速度的測量，增強對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。

4.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

第一，了解速度在生活中的應(yīng)用，理解物理來源于生活又服務(wù)于生活的科學(xué)本質(zhì)。

第二，通過氣墊導(dǎo)軌測速度，培養(yǎng)實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，增強學(xué)習(xí)興趣。

第三，通過蘇炳添奪冠、中國速度、區(qū)間測速等實例，增強安全意識，激發(fā)愛國情懷。

5 教學(xué)設(shè)計

教師教學(xué)中，基于概念教學(xué)的要求，以“問題鏈”驅(qū)動教學(xué)活動，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，促進能力發(fā)展。教師通過“龜兔賽跑”的故事引入新課后，以4個核心問題“如何描述物體的運動狀態(tài)？如何描述物體做變速運動時的運動狀態(tài)？如何描述物體在某時刻或某位置的運動狀態(tài)？速度與現(xiàn)代社會有何聯(lián)系？”為主線，通過圖像法、比值定義法、實驗探究等方法，輔以極限思想，使學(xué)生逐步建構(gòu)速度、平均速度、瞬時速度等概念，理解速度與生活的聯(lián)系，增強學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提升育人成效，打造邏輯清晰的高效課堂。

6 教學(xué)過程

新課引入：“龜兔賽跑”這一故事中，烏龜和兔子誰運動得更快？為什么？

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的探究興趣，引入新課。

6.1 問題一：如何描述物體的運動狀態(tài)（速度）

情境1 教師通過課件展示生活中不同物體的運動情況。

問題1：如何描述物體的運動情況？比如，游泳比賽中，觀眾和裁判分別是如何判斷運動員運動快慢的？

結(jié)論：觀眾通常比較時間相同時，運動員運動路程的多少；而裁判通常比較路程相同時，運動員運動時間的多少。

問題2：若路程、時間均不相同，如何比較物體運動的快慢？比如，汽車在200秒內(nèi)直線行駛2000米，飛機在5秒內(nèi)直線行駛1000米，哪個物體運動得更快？

學(xué)生：結(jié)合初中學(xué)習(xí)的速度定義，計算汽車和飛機的速度，得出汽車的速度v1為10米每秒，飛機的速度v2為200米每秒?？偨Y(jié)得出，路程、時間都不相同時，可用單位時間內(nèi)運動的路程來比較物體運動的快慢。

問題3：同學(xué)們分別求出了汽車和飛機每秒內(nèi)運動的路程，但是，僅知道速度的大小，就能確定物體的運動狀態(tài)嗎？上述數(shù)值能確定飛機和汽車的運動方向嗎？

結(jié)論：我們描述物體的運動時，僅指出物體單位時間內(nèi)的路程，只能了解物體運動的快慢，并不能確定物體運動的方向，要精確描述物體的運動狀態(tài)，需要同時明確速度的大小和方向。

“問題鏈”設(shè)計意圖：教師通過創(chuàng)設(shè)良好的問題情境，建立物理與生活的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生思考的積極性，提升課堂學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)效果。初中物理中用單位時間內(nèi)的路程來表示速度的大小，對速度的方向性沒有過多關(guān)注。這里通過飛機和汽車速度的計算以及“僅知道速度的大小，就能確定物體的運動狀態(tài)嗎？”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生意識到“用單位時間內(nèi)的路程”這一方法表示的速度在處理實際問題時的不足，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生探究“如何定義速度”的興趣。在此基礎(chǔ)上，師生共同討論得出，速度不但要體現(xiàn)“運動的快慢”，還要體現(xiàn)“運動的方向”，為下一步速度公式的建立打下基礎(chǔ)。

情境2 教師展示物體做直線運動時位置的變化情況。

問題1：如果物體做直線運動，如何描述物體的位置變化情況？

結(jié)論：可以用位移反映物體位置的變化情況。

問題2：物體做直線運動時，位移的大小與路程的大小有什么關(guān)系？位移方向與運動方向有什么關(guān)系？

結(jié)論：位移的大小與路程的大小相等，位移方向與物體運動方向相同。

問題3：應(yīng)如何計算速度才能同時體現(xiàn)物體運動的快慢和方向？

結(jié)論：可用“位移時間

”來表示速度。

問題4：如果用t表示運動時間，s表示t時間內(nèi)物體運動的位移，你能寫出速度的表達(dá)式嗎？

問題5：這種定義速度的方法叫什么方法？你還知道哪些物理量是用這種方法定義的？

問題6：結(jié)合表達(dá)式分析，速度是矢量還是標(biāo)量？為什么？

問題7：速度的物理意義是什么？

問題8：速度的國際單位是什么？常用單位是什么？二者有何關(guān)系？

問題9：甲、乙兩人從同一地點出發(fā)，均做直線運動，甲經(jīng)過20s到達(dá)正東方向100m處，乙經(jīng)過30s到達(dá)正西方向150m處，他們的速度相同嗎？為什么？

“問題鏈”設(shè)計意圖：教學(xué)中，教師要找準(zhǔn)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，基于學(xué)生已有經(jīng)驗和認(rèn)知水平進行啟發(fā)和提問。同時，教師提問時要確保問題在難度上有較強的層次性，由淺入深，由易到難，由感性到理性，啟發(fā)學(xué)生邏輯遞進地思考問題，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。學(xué)生已學(xué)習(xí)過位移，理解位移是反映物體位置變化情況的物理量。教師通過提問，引導(dǎo)學(xué)生思考得出，直線運動中位移的大小表示路程的大小，位移的方向與速度方向一致，順理成章引入用“位移時間

”來表示物體的速度。最后，教師設(shè)計了“速度大小相等，方向相反”的題目，帶領(lǐng)學(xué)生再次理解速度方向的重要性。

6.2 問題二：如何描述物體做變速運動時的運動狀態(tài)（平均速度）

情境1 教師通過視頻展示蘇炳添在2021年東京奧運會男子百米半決賽比賽時的場景。

問題1：中國選手蘇炳添在東京奧運會男子百米半決賽比賽中以9秒83的成績打破亞洲紀(jì)錄，在這100米中，他的速度約是多少？假如你參加100米短跑比賽，成績可能是幾秒？假設(shè)你和蘇炳添均做直線運動，你能求出兩人的速度嗎？你和蘇炳添誰運動得更快？

學(xué)生：計算兩人的速度，比較兩人運動的快慢。

問題2：假設(shè)兩人均做直線運動，做的是勻速直線運動還是變速直線運動？

問題3：求得的速度是兩人在100米運動過程中任一時刻或任一位置時的速度嗎？

結(jié)論：兩人均做變速直線運動，這種情況下，“位移時間

”求得的速度，僅可粗略表示物體運動的快慢，并不能精確反映物體在任一時刻或任一位置時的運動狀態(tài)。

問題4：變速直線運動中，位移與相應(yīng)時間的比值求得的速度稱為平均速度。為了區(qū)分平均速度和速度，物理學(xué)中通常用v表示平均速度。你能給出平均速度的表達(dá)式嗎？

問題5：平均速度是矢量還是標(biāo)量？其物理含義是什么？國際單位和常用單位是什么？

情境2 教師視頻展示區(qū)間測速場景。

問題：汽車行駛時要遵守規(guī)定的車速，你知道區(qū)間測速的原理嗎？

“問題鏈”設(shè)計意圖：學(xué)習(xí)了用“位移時間

”來計算速度后，教師緊接著讓學(xué)生計算具體情境下的速度，在計算和對比過程中建立學(xué)習(xí)自信。教師通過問題“求得的速度是兩人在100米運動過程中任一時刻或任一位置時的速度嗎？”啟發(fā)學(xué)生意識到變速直線運動中，“位移時間

”求得的速度僅能粗略反映這段時間或這段位移內(nèi)物體的運動情況，激發(fā)學(xué)生尋找解決問題的方法，從速度的學(xué)習(xí)順勢過渡到平均速度內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在速度概念的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生得出平均速度的公式，理解其物理意義、單位及性質(zhì)，并通過討論區(qū)間測速的原理，使學(xué)生了解生活中的平均速度，同時對學(xué)生進行安全教育。

6.3 問題三：如何描述物體在某時刻或某位置的運動狀態(tài)（瞬時速度）

情境1 教師課件展示蘇炳添在2021年東京奧運會男子百米半決賽比賽中距離出發(fā)點30米處的場景。

問題1：變速直線運動中平均速度僅能粗略描述物體的運動情況，要精確描述物體的運動狀態(tài)，物理學(xué)中引入了瞬時速度的概念。物理學(xué)中，物體在某一時刻或某一位置時的速度稱為瞬時速度，如汽車某一時刻儀表盤上顯示的速度、子彈射出槍口時的速度等。那么，我們?nèi)绾未_定物體的瞬時速度呢？比如，我們?nèi)绾未_定蘇炳添在距離出發(fā)點30米這一位置A時的速度？

問題2：如果測量他通過位置A前1秒到通過該位置后1秒這2秒內(nèi)的平均速度，或測量他通過位置A前0.1秒到通過該位置后0.1秒這0.2秒內(nèi)的平均速度，哪種方法求得的速度更接近他在位置A時的真實速度？為什么？

結(jié)論：后一種方法更準(zhǔn)確，因為選取的時間間隔相對較短，這段時間內(nèi)研究對象的速度變化較小。

問題3：如果時間間隔再縮短呢？比如選取0.02秒或0.002秒為時間間隔，請作圖分析，你有什么發(fā)現(xiàn)？

探究：教師通過課件展示時間間隔t越來越小時的情況，學(xué)生觀看動畫，師生討論得出：當(dāng)t極小（趨近0）時，t時間內(nèi)的速度變化極小，t時間內(nèi)的平均速度與人在位置A時的瞬時速度更接近，如圖1所示。

問題4：若用s表示極短時間t內(nèi)的位移，你能給出瞬時速度的表達(dá)式嗎？

問題5：瞬時速度的物理意義是什么？

問題6：物體做什么運動，平均速度等于瞬時速度？

結(jié)論：物體做勻速直線運動。

問題7：瞬時速度是矢量還是標(biāo)量？國際單位和常用單位是什么？

情境2 教師動畫展示魏晉時期我國數(shù)學(xué)家劉徽的“割圓術(shù)”動畫，說明從平均速度到瞬時速度，滲透著極限的思想，幫助學(xué)生了解這一處理問題的方法。

“問題鏈”設(shè)計意圖：基于“問題鏈”的教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)的問題要有較強的探究性，以促使學(xué)生在探究中獲取知識，掌握方法，加深對概念和規(guī)律的理解，認(rèn)識事物和規(guī)律的本質(zhì)。針對“瞬時速度”這一教學(xué)重難點，教師教學(xué)中先讓學(xué)生結(jié)合具體數(shù)據(jù)對比兩種估測速度方法的優(yōu)劣，使學(xué)生初步得出“時間間隔越短，平均速度與瞬時速度越接近”的結(jié)論，建立感性認(rèn)識。隨后，教師通過動畫進一步探究，使學(xué)生感受到時間間隔越短，物體的速度變化越小，平均速度與物體真實速度越接近這一本質(zhì)，在建立瞬時速度表達(dá)式的同時幫助學(xué)生深度理解“瞬時”的含義。最后，教師通過問題“物體做什么運動，平均速度等于瞬時速度？”讓學(xué)生理解瞬時速度和平均速度的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生整體把握物理概念及其相互關(guān)系的能力，形成宏觀知識體系。

問題8：如何通過實驗測量物體的瞬時速度呢？

情境3 教師展示氣墊導(dǎo)軌實驗裝置，結(jié)合動畫講解該裝置的計時原理和測速原理。

問題1：測量滑塊瞬時速度時，如何調(diào)節(jié)導(dǎo)軌使滑塊在上面做勻速直線運動？

問題2：為更好地完成實驗，滑塊的初速度最好是多少？為什么？

問題3：如何計算滑塊經(jīng)過光電門時的速度？

問題4：為了減小誤差，可以多測幾組數(shù)據(jù)，如何科學(xué)準(zhǔn)確地處理數(shù)據(jù)？

實驗：學(xué)生利用氣墊導(dǎo)軌測量滑塊的瞬時速度，實驗數(shù)據(jù)記錄表如表1所示，體會瞬時速度的物理意義，學(xué)習(xí)測量瞬時速度的方法。

問題5：實驗中測量的瞬時速度，真的是滑塊的瞬時速度嗎？

結(jié)論：測量瞬時速度時只是在測量精度范圍內(nèi)，盡可能測量時間間隔足夠短時的平均速度。

問題6：通過實驗探究和結(jié)果分析，你有什么心得和啟發(fā)？

“問題鏈”設(shè)計意圖：教師教學(xué)中要依托一定的情境創(chuàng)設(shè)問題，實現(xiàn)由形象思維向邏輯思維的過渡，建構(gòu)知識技能網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生對瞬時速度的“瞬時”這一含義的理解是難點。為了讓學(xué)生理解瞬時速度是平均速度的極限，教師指導(dǎo)學(xué)生用氣墊導(dǎo)軌測量滑塊的瞬時速度，帶領(lǐng)學(xué)生在實踐中領(lǐng)會“t→0時，平均速度可表示物體的瞬時速度”這一極限思想，將抽象的過程具體化，實現(xiàn)科學(xué)方法的可視化。

情境4 教師課件展示表格，引導(dǎo)學(xué)生對比速度、平均速度、瞬時速度概念的區(qū)別和聯(lián)系。

問題：通過分析三個概念的區(qū)別與聯(lián)系，你有什么心得？

“問題鏈”設(shè)計意圖：指導(dǎo)學(xué)生在分析對比中思考三個速度的區(qū)別，深刻認(rèn)識概念的本質(zhì)。

6.4 問題四：速度與現(xiàn)代社會有何聯(lián)系

情境1 課件展示生活中常見物體的速度值。

問題1：你知道這些物體的速度嗎？請連一連。

問題2：你還知道哪些物體的速度？展示空間站的運行速度、光的速度等。

問題3：某種意義上說，速度深刻改變著我們的生活。比如，中國高鐵技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)世界，坐上中國高鐵，能真切感受到“中國速度”。你是如何理解“中國速度”的？

情境2 播放人民日報視頻“我們這十年：2分鐘見證中國速度”。

問題：近年來，我國取得了許多重大標(biāo)志性成果，比如，出行速度享譽全球、基建速度驚艷世界、科技速度從趕超邁向引領(lǐng)。對此，你有什么啟發(fā)？

“問題鏈”設(shè)計意圖：課程標(biāo)準(zhǔn)提倡物理教學(xué)要“從生活走向物理，從物理走向社會”，因此物理教學(xué)要注重建立物理與生活的密切聯(lián)系，從生活中提煉物理問題，用物理知識來解釋生活現(xiàn)象。本部分的教學(xué)，目的是讓學(xué)生感受生活中不同物體速度的大小和豐富的運動世界；同時，使學(xué)生了解我國取得的重大成就，從不同維度感受中國速度，激發(fā)愛國情懷，增強民族自豪感，升華學(xué)習(xí)情感。

小結(jié)提升：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你有什么收獲？請用思維導(dǎo)圖總結(jié)你的收獲。

“問題鏈”設(shè)計意圖：回顧學(xué)習(xí)過程，分享學(xué)習(xí)體驗，內(nèi)化知識和技能，培養(yǎng)歸納總結(jié)能力。

7 結(jié)論

“問題鏈”教學(xué)法，是一種教學(xué)方法，更是一種教學(xué)理念。本節(jié)課的教學(xué)，以學(xué)生為主體，通過一系列準(zhǔn)確、靈活、有深度的問題激勵、喚醒和鼓舞學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動，促進學(xué)生理解并掌握“速度”的相關(guān)知識、物理學(xué)研究問題的方法，使學(xué)生感受物理與生活的聯(lián)系，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻

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