高中物理概念轉變教學研究
——以“運動快慢的描述——速度”的教學設計為例

黃端文

(浙江省景寧中學 浙江 麗水 323500)

基于認知主義學習理論、建構主義學習理論、科學哲學發展而來的概念轉變理論，對于當前的高中物理概念教學具有重要的指導意義.相關研究表明，學生的概念學習是一個發展過程，學生頭腦中的前科學概念在這個過程中占據重要的影響.著名教育心理學家奧蘇貝爾曾說，“假如讓我把全部教育心理學僅僅歸結為一條原理的話，那么，我將一言以蔽之曰：影響學習的唯一重要因素就是學習者已經知道了什么.要探明這一點，并據此進行教學.”物理概念教學在很大程度上應該依靠學生頭腦中原有的前科學概念，通過概念的轉變，形成科學概念，但目前運用概念轉變對高中物理教學進行教學設計還很少見到，這一案例是想引起廣大高中物理教師對概念轉變在教學中的應用給予關注.

1 教學設計思路

在教學過程設計中，主要采取“問題情境引入、探測已有概念、產生認知沖突、解構迷思概念和建構科學概念、形成新的認知平衡”的概念轉變教學策略.整節教學內容是“速度(平均速度和瞬時速度)”(注：人教版教材本節的內容安排是“坐標與坐標的變化量”、“速度”、“平均速度與瞬時速度”).

對于“速度”這一內容，具體的設計思路是：通過問題情境引入“速度”的學習任務；通過學生完成的關于“速度”的概念圖和二段式測驗情況來探測學生已有概念；呈現問題情境和小組討論促進學生產生認知沖突；以學生的前概念為切入點，進一步強化學生的認知沖突，對已有的概念產生不滿，教師在此基礎上解構迷思概念,所謂“迷思概念”就是頭腦中存在的與科學概念不一致的認識.通過有效策略引導學生解決認知沖突，幫助學生建構科學概念；進而結合前面所學知識引導學生辨析平均速度和瞬時速度，最后通過課堂形成性練習促進學生形成新的認知平衡，完成概念轉變.

2 學習者分析

一般而言，高一學生在經歷了初中階段的學習后，思維能力得到了較好的發展，抽象邏輯思維逐漸取代形象思維占據主要地位.學生的一般特征主要表現為以下幾個方面：

(1)學生能夠按照探究性學習的過程利用假設思維進行學習；

(2)學生在學習過程中自我調控能力得到了進一步加強，學習過程更加具有目的性；

(3)在某種程度下學生思維不再是“抱殘守缺”，而是較為容易接受新事物；

(4)學生學習動機由興趣支撐逐漸轉變為由意志支撐，學習的目的性更加明確；

(5)學生之間的交流對于學生學習具有一定的影響.

關于“速度”的學習，學生在初中階段科學學科中所接受的定義是，單位時間內通過的路程.這與高中對于“速度”的定義截然不同，學生雖然通過初中階段的學習具備了一定的基礎，但這個基礎里大部分仍然是迷思概念.如何將初中階段所接受到的關于“速度”的迷思概念轉變為科學概念，達到一個新的認知平衡是本節課的一條主線.同時也應該認識到學生在初中階段的學習以及前面關于“位移”、“路程”的學習為本節課奠定了一個很好的基礎.

本節課可能存在的問題有兩個，一是學生根據初中階段的學習積累對于“速度”難以產生正確、客觀的認識，其中所存在的迷思概念需要在教學過程中進行轉變；二是學生對于“平均速度”、“瞬時速度”兩個概念可能會有所混淆，教師應該利用課堂呈現的問題情境引導學生進行有效區分.

3 學習任務分析

“運動快慢的描述——速度”是人教版高中《物理·必修1》模塊第一章“運動的描述”中的第三節內容.這一節內容涉及到的具體概念較多，本節課的主要內容在于正確理解“速度”(包括“平均速度”、“瞬時速度”)并學會運用這些物理概念，分一課時進行.物理學中，要比較物體運動的快慢有兩種方法，一種是位移相同，比較物體運動所用時間的長短，時間短的物體運動得快；另一種方法是時間相同，比較物體運動位移的大小，位移大則代表物體運動得快些.但是為了尋求一個統一的標準，一般用速度這一物理量來描述質點運動的快慢和方向，其大小等于位移與發生該位移所用時間的比值，方向就是物體運動的方向.高中物理關于速度的定義與學生在初中科學中所接觸的定義不一樣，初中科學將“單位時間內通過的路程的多少”定義為速度，初中的這一定義沒有全面、客觀地反映速度的物理本質，不能凸顯速度具有矢量性.與速度容易混淆的速率其實是瞬時速度的大小，速率也可以等價于路程的變化率(其實初中關于速度的定義是對平均速率的定義)，即運動物體經過的路程與發生這段路程所用時間的比值，速率只有大小而不具有方向，因此是一個標量.值得一提的是,平均速度的大小并不等于平均速率，若質點做往返直線運動或圓周運動，平均速度為零，平均速率卻不為零，在單向直線運動中，平均速度的大小等于平均速率.因此,將學生初中所接受的關于速度的概念轉變成高中關于速度的科學概念,是課堂中的概念轉變教學的重點.

重點:速度的概念(包括平均速度與瞬時速度的理解及區分).

難點：平均速度與瞬時速度的區別與聯系.

4 教學目標

4.1 知識與技能

(1)解釋速度的概念，能夠概括速度的定義、公式、符號、單位和物理意義.

(2)解釋平均速度、瞬時速度的定義并學會辨析.

(3)能夠說出速率的概念并辨認速度與速率.

4.2 過程與方法

(1)在概念轉變的教學過程中形成全面、正確的關于速度的概念.

(2)通過平均速度引出瞬時速度的過程，鍛煉使用極限思維法.

(3)通過對平均速度與瞬時速度、速度與速率的區別和分辨，學會運用辨析的方法.

4.3 情感態度與價值觀

(1)對速度全面正確地解釋來積極培育自身科學嚴謹的態度.

(2)積極將自己的觀點及見解與老師、同學進行交流.

(3)通過本節課的學習嘗試體會物理學中蘊含的對立統一美.

5 教學準備

師：寫出自己關于速度的定義，即你認為速度是什么？回顧上節課所學的“路程”和“位移”、“矢量”和“標量”的內容并將其寫出.

教師準備多媒體課件(包括關于臺風登陸的動畫)，在教學過程中將抽取若干學生回答問題.

6 概念轉變的教學過程設計

6.1 問題情境引入

問題情境：呈現演示文稿如圖1所示，問題：臺風位于中國東海，3個時間點臺風的中心位置分別位于A，B，C這3點，為了知道臺風何時登陸溫州，我們還要知道什么信息？

圖1 臺風位置

學生小組討論后請學生回答，由此引入學習任務——“速度”，教師根據學生的回答請學生填寫以下概念圖.

6.2 探測學生已有概念

概念圖是一種表征、檢查、修正、完善知識的認知工具，它把知識高度濃縮，將各種概念及其關系以類似于人腦對知識儲存的層級結構形式排列，清晰地揭示了意義建構的實質[1].因此要有效探測學生已有概念，概念圖是一種有效途徑，如圖2所示.

圖2 “速度”概念圖

為了更好地收集學生的前概念，案例中還采用了“速度的二段式測驗”，具體如下.

(1)某人爬山，從山腳爬上山頂，然后又從原路返回到山腳，上山的平均速度為v，下山的平均速度也為v，則全程往返的平均速度大小是

A.vB.零

你選擇了上題的答案，原因是

B.由于全程的位移為零，所以全程的平均速度也為零

C.其他答案，請具體說明____________

(2)如圖3所示，A,B是兩朵花所在的位置，兩點的直線距離為3 m，圖中曲線所代表的是一只蜜蜂的飛行路線.蜜蜂在A位置的花采蜜后在30 s時間里沿曲線飛行9 m到達B朵花所在位置進行采蜜，請問在此情形下蜜蜂的平均速度為

圖3

A.0.1 m/s B.0.3 m/s

C.0.1 m/s方向為A指向B

你選擇了上題的答案，原因是

D.其他答案，請具體說明________________

(3)如圖4所示，一輛汽車繞矩形路線運動，假定車內速度計一直顯示為30 km/h，在汽車運動的過程中，請問每一時刻速度都一樣嗎

A.是 B.不是

圖4

你選擇了上題的答案，原因是

A.題中速度大小一直不變，因此速度一直不變

B.速度具有方向，速度大小相等，但是速度方向會發生變化

C.其他答案，請具體說明____________

通過上述概念圖和二段式測驗，教師可以由學生完成的情況較為全面地了解學生的前概念，同時也有利于學生回顧和整理已有的知識(前概念).

6.3 產生認知沖突

教師引導學生重新回答臺風問題，提問學生:要是知道臺風每小時運動多少距離，氣象臺能否提前預報臺風何時到達溫州？(請學生進行小組討論，這樣更加有利于認知沖突的產生)

討論后請學生回答，預設若學生回答能提前預報，教師提問:若臺風在C點或者C點之后方向發生改變怎么辦？持這一答案的學生開始產生認知沖突.若學生回答不能提前預報，教師提問:臺風每小時運動多少距離不就是你們在概念圖中所填寫的“速度”嗎？為何知道了臺風的“速度”還不能提前預報？持這一答案的學生也開始產生認知沖突.

6.4 強化認知沖突 解構迷思概念

為了使認知沖突更加強烈，在前一個問題情境的基礎上引入以下兩個問題情境.

教師提供的第一個問題情境是“家訪問題”.如圖5所示，張強家和李明家距離學校都是15 km，張強家位于學校的正北方向，李明家位于學校的正東方向.張強和李明在同一個班，現在班主任林老師要去家訪，已知林老師的轎車每小時能行駛60 km，林老師中午12點從學校出發，我們可以推測出12時15分林老師到達李明家，提問學生這樣的推測對嗎？

圖5 家訪問題

圖6 走私船問題

另一個問題情境如圖6所示，有一走私船出現在我國某海域，我方軍艦在接到上級指示后立即展開行動，為了較好地阻止走私船的前進，我方軍艦決定采用水炮進行打擊.假設兩船在運動過程中保持相對靜止，走私船在我方軍艦東北方，請問我方軍艦在設定水炮“速度”后能夠準確打到走私船嗎？

6.5 解決認知沖突 建構科學概念

正如前文所述，學生通過討論產生了認知沖突. 針對以上3個問題情境所產生的認知沖突，解決的策略分別如下.

臺風問題：在學生產生認知沖突的前提下教師再次引導學生分小組討論，討論后請各小組代表回答如何有效解決這個問題，此后教師進行針對性講解.

家訪問題：教師進行針對性講解，在講解過程中突出問題矛盾所在并且提出解決的辦法，從而有效解決這個問題.

走私船問題：教師可以請兩位對該問題持肯定答案的學生進行課堂模擬演示，一位學生模擬我方軍艦，另一位學生模擬走私船，并請模擬我方軍艦的學生伸出手臂持水平方向代表水炮.通過學生的親身模擬體驗真切感受到只設定速度的大小無法有效打擊走私船，更重要的是還要設定水炮射擊的方向.

教師小結：若是像初中科學所學的那樣，“速度”等于路程除以時間，以上問題我們僅僅知道“速度”還不能夠解決，因為臺風問題中的臺風運動方向、家訪問題中林老師的開車方向、走私船的題中水炮的打擊方向我們不清楚，問題也就不能解決.

教師講解：其實現實生活中很多問題都與我們剛剛接觸到的問題類似，除了知道物體速度的大小，還需要知道物體運動的方向.因此有些學生之前認為“速度等于路程除以時間”是片面的，只知其一不知其二，我們今天就來全面認識一下速度(教師的講解有利于解構迷思概念，為下一步建構科學概念做好鋪墊).

教師提問：我們應該如何定義速度，才能在上述的臺風問題中，只要知道臺風的速度就可以馬上預報臺風何時到達溫州？

為了讓學生理解新的科學概念能夠適用更大范圍，教師可以將新概念放置前文所述的問題情境中，條件允許的情況下還可以引入新的問題情境，通過新概念去解決.通過這一步驟科學概念得以初步建構，教師進行進一步講解，明確速度的矢量性后總結并板書(略).

6.6 辨析平均速度與瞬時速度 完成概念轉變

教師提問：假如我們將時間間隔Δt取得更小一些，那么從t到t+Δt內，物體運動快慢的差異也就更小一些.那么Δt可以取到無窮小嗎？

教師呈現人教版教材第17頁“說一說”中的故事，學生通過這個故事仔細體會瞬時速度與平均速度的區別與聯系.

學生完成一定的課堂練習后，教師再次進行總結，促使學生形成新的認知平衡，完成概念轉變.

7 形成性評價

(1)坐標與坐標的變化量

物體沿直線運動，并以這條直線為x坐標軸，這樣，物體的位置就可以用______來表示，物體的位移就可以通過坐標的______來表示，Δx的大小表示位移的______，Δx的正負表示位移的______.

(2)速度

表示質點運動______和______的物理量.

1)定義：質點的位移跟發生這段位移所用時間的______.

2)定義式：v=______.

3)單位：______、______、______等.

4)矢量性：速度的大小用公式計算，在數值上等于單位時間內物體位移的大小，速度的方向就是物體的______.

(3)平均速度

1)定義：在變速運動中，運動質點的位移和所用時間的比值，叫做這段時間內的平均速度，平均速度只能______地描述運動的快慢.

2)理解：在變速直線運動中，平均速度的大小跟選定的時間或位移有關，不同______或不同______內的平均速度一般不同，必須指明求出的平均速度是哪段______或哪段______內的平均速度.

(4)瞬時速度

1)定義：運動質點在某一______或某一______的速度叫做瞬時速度.

2)理解：a.直線運動中，瞬時速度的方向與質點經過某一位置時的______ 相同.

b.瞬時速度與時刻或位置對應，平均速度跟______或______對應.

c.當位移足夠小或時間足夠短時，認為平均速度就等于______ .

d.在勻速直線運動中，______和瞬時速度相等.

(5)速率

速度的______叫做速率，只表示物體運動的______，不表示物體運動的______，它是______量.

A．24 km/h B．35 km/h

C．36 km/h D．48 km/h

(7)短跑運動員在100 m比賽中，以9 m/s的速度迅速從起點沖出，到60 m處的速度是9 m/s，10 s末到達終點的速度是10.5 m/s，則運動員在全程中的平均速度是

A．9 m/s B．10.2 m/s

C．10 m/s D．9.1 m/s

(8)(2010年海口市高一檢測題)下列關于平均速度和瞬時速度的說法正確的是

B．勻速直線運動的平均速度等于瞬時速度

C．瞬時速度和平均速度都可以精確描述變速運動

D．只有瞬時速度可以精確描述變速運動

(9)傍晚,張明在學校400 m的跑道上從跑道起點出發開始繞環形跑道散步，2 min后回到起點，則張明在這段時間內的平均速度是______，平均速率是______.

對于“運動快慢的描述——速度”這節課而言，概念轉變的教學策略與其他教學策略相比具有很強的優越性.整節課是在充分探測學生已有概念的前提下引導學生產生認知沖突，進而運用解決認知沖突的策略幫助學生解決認知沖突，解構迷思概念，完成由迷思概念向科學概念的轉變，整個教學過程中，學生的主體地位得到了充分的尊重.高中物理關于速度的科學定義并不是強制性地灌輸給學生，而是在概念轉變的教學過程中逐漸被學生欣然接受，因而整節課的重點得到了很好的落實.

參考文獻

1 蔡鐵權,姜旭英，胡玫.概念轉變的科學教學.北京:教育科學出版社,2009.129