高中物理“速度”概念的高端備課①

(1. 首都師范大學物理系，北京　100048；2. 首都師范大學教育學院，北京　100048)

①本文系人民教育出版社課程教材研究所“十二五”課題“高中物理必修教科書中科學方法的呈現研究”(KC2014-049)階段性成果之一.

邢紅軍1　胡揚洋2

高中物理“速度”概念的高端備課①

(1. 首都師范大學物理系，北京100048；2. 首都師范大學教育學院，北京100048)

①本文系人民教育出版社課程教材研究所“十二五”課題“高中物理必修教科書中科學方法的呈現研究”(KC2014-049)階段性成果之一.

邢紅軍1胡揚洋2

名師簡介：邢紅軍，首都師范大學物理系教授，博士，物理課程與教學論博士生導師.教育部全國高校教師網絡培訓中心特聘教授，北京市教委高師培訓中心“大學教學技能”主講教師.1986年以來，先后在《教育研究》、《課程·教材·教法》等刊物上發表論文210篇，出版著作12部.1996年被授予河南省優秀教學標兵，1997年獲河南省優質課教學“特等獎”.2013年獲北京市基礎教育教學成果二等獎.

摘要：高中物理速度概念的引入存在“相同位移比時間”和“相同時間比位移”兩種思路，研究表明，以時間作為直接比較對象是不符合學生認知規律的.在比值定義法的內涵與邏輯下，位移應作為定義速度的比較對象，而時間是比較的標準，其背后有著深刻的心理學原因.

關鍵詞：速度；位移；優勢維度；比值定義法

1教材分析

高中物理“速度”一節是高中物理教材首章“運動的描述”中的核心內容之一，也是學生學習質點、位移、坐標系之后遇到的第一個“復合”物理量.由于該節是高中物理“開局之章”的關鍵一節，關乎學生對高中物理學習內容與方法體系的適應和接受，以及物理學習信心的建立.因此，本節教學就很有必要彰顯物理學的知識內涵、方法特征與物理思想.如何有效達成以上目標，還需要教學設計的系統思考.

怎樣引入速度概念？現行教材從比較不同物體運動的快慢入手，提出一種觀點：不同的運動，位置變化的快慢往往不同，也就是說，運動的快慢不同.要比較物體運動的快慢，可以有兩種方法：一種是相同時間，比較物體運動位移的大小，位移大，運動得快；另一種是相同位移，比較所用時間的長短，時間短的，運動得快.認真分析上述觀點，我們發現，“比較物體運動的快慢可以有兩種方法”的觀點雖然在物理本質層面是正確的，但這種觀點卻不符合物理的教學規律，也不符合學生的學習規律.

這是因為，當深入分析學生建立速度概念的認知機制時，首先需要思考學生建立速度概念時的感覺、知覺乃至表象是以位移為支撐，還是以時間為支撐？顯然，學生所觀察到的物體運動快慢主要是物體位移的變化，這一變化具有直觀性.與位移相比較，學生對時間的感知卻遠遠不如所“觀察”到的位移變化更明顯，同時也難以精確衡量.這樣，就決定了速度概念定義的最佳方式只能是在相同時間內比較物體位移的大小，而不是采用位移相同，比較所用時間長短來定義的方式.

“比較要選取相同的標準”是比值定義法的根本要求，但并非比值定義法應用的首要步驟，這是在應用比值定義法定義物理量時需要明確的一點.現行教材在應用比值定義法定義速度時提出：“那么，怎樣比較汽車與百米賽跑運動員的快慢呢？這就要找出統一的比較標準.物理學中用位移與發生這個位移所用時間的比值表示物體運動的快慢，這就是速度(velocity)，通常用字母v代表.”

顯然，教材的這一陳述缺乏關鍵話語的呈現——汽車運動的快慢需要比較的對象是什么？在沒有明確提出比較對象的前提下，就直接提出統一的比較標準，這就存在著邏輯斷裂.

有鑒于此，對于速度這個貌似沒有任何問題的物理概念定義進行重新梳理，就顯得尤為必要.

2教學設計

速度概念須經由比值定義法得出已被普遍認同，但怎樣在速度概念建立過程中真正體現出比值定義法的精髓，還需要認真研究.以下是體現比值定義法邏輯并彰顯速度特征的教學設計，共分為兩個教學環節.

2.1通過直接比較兩質點的位移來定義速度

為什么要以位移作為直接比較的對象來定義速度而非把時間作為直接比較的對象？這是因為，如前所述，位移與時間雖然都可以作為直接比較的對象，但是位移與學生觀察到的運動現象聯系更為緊密、更為直觀，而時間則不易直接感知.因此，把位移作為速度大小的直接比較對象就順理成章.

具體來說，在高速公路上，汽車在2s內行駛了56m，百米賽跑運動員在10s內跑完了100m全程，誰的“速度”更大？顯然，直接比較兩者位移的結果是，高速公路上行駛的汽車反而比百米賽跑的運動員運動的慢(56m<100m).針對這一佯謬，教師可以引導學生分析原因：導致直接比較位移出現錯誤的原因是沒有選取相同的時間標準.于是，解決問題的方法就是在比較時選取相同的時間標準.

2.2選取相同的時間標準繼續比較兩質點的位移來定義速度

按照這一思路，汽車位移與時間的比值為27.8m/s，人的位移與時間的比值為10m/s，顯然，汽車在高速公路上行駛的速度比百米賽跑運動員的速度更快，這樣，位移與時間的的比值與我們的日常經驗就達成了一致，于是速度概念得以定義.

由速度概念的定義可以引申出對教學的思考，這就是物理概念的定義需要遵循內在的邏輯，也就是要符合物理學科內涵與學生學習規律的雙重要求.如前所述，現行教材在教學伊始就呈現兩條路線，對學生造成了信息的龐雜與干擾，這就有違教學邏輯的簡約性.爾后在關鍵環節缺失了“比較要選取相同的標準”的比較對象，有違教學邏輯的完整性.這個似乎并不起眼的問題，實則反映了教材編寫者對比值定義法本質的理解有所缺憾，從而可能導致學生學習過程邏輯思維環節的缺失，這是應當加以指出的.

3研究討論

從心理學的角度看，速度是一個基本且重要的科學概念，其定義是位移與時間的比值，即v=s/t.這在成人看來可能是個很簡單的概念，但對兒童來說卻并非如此.兒童最早產生的速度概念并非以度量形式出現，而是以序數形式出現的[1].首先提出這個觀點的是瑞士心理學家皮亞杰，他認為兒童對于速度的理解有種“超越”的直覺，即若某運動物體前一段時間落后于另一物體，而后一段時間卻超越了后者，兒童會認為超越物體的速度大于被超越物體的速度，若運動物體始終落在另一物體之后，兒童就認為它的速度一定比另一物體的速度小.也就是說,兒童在判斷運動快慢時表現出明顯的位置決定論傾向，他們關注的是物體位置的前后順序，因而兒童早期的速度概念是以序數形式出現的，直到10～11歲時才能達到度量形式的水平.皮亞杰之后，國外的學者Cross和Pitkethly[2]以及我國臺灣的學者黃湘武[3]、王幸雯和簡淑真[4]對兒童速度概念的發展進行了拓展性的研究.

最新研究表明，在速度概念的獲得中，位移概念處于優勢維度，時間概念處于非優勢維度.這在其他一些強度量概念的研究也有類似的發現.對于組成強度量的兩個廣延量，學生對待的程度是不一樣的，確有優勢維度和非優勢維度之分，比如，組成密度概念的質量和體積，質量之于體積就是優勢維度.也就是說，兒童在判斷運動快慢時表現出明顯的位置決定論傾向[5].因此，在速度概念定義中只能采用位移與時間的比值，而不能采用時間與位移的比值，其實有著深刻的心理學背景，這是我們在進行速度概念教學中需要認真考量的.

參考文獻：

[1] J·皮亞杰，B·英海爾德著，吳福元譯.兒童心理學[M].北京:商務印書館,1980.

[2] Cross, R.T., & Pitkethly, A. Speed, Education and Children as Pedestrians: a Cognitive Change Approach to a Potentially Dangerous Naive Concept. Inter. Journal of Science Education, 1988, 10(5): 531-540.

[3] Hsiang-WuHuang&Hui-Ting Chang.A Study of Chinese Student’s Conceptual Developmenton Motion. International Conference Physics Teacher Education beyond 2000 PHYTEB, Barcelona, 2000 August 27 to September 1, Department of Physics, Taiwan Normal University.

[4] 王幸雯,簡淑真.兒童速度概念發展之研究[C].第十八屆科學教育學術研討會論文匯編.2002,臺灣科學教育學會、彰化師范大學科學教育研究所.

[5] 吳嫻,趙光毅,羅星凱.一項關于低年級兒童速度概念發展的研究[J].廣西師范大學學報(哲學社會科學版)，2005，41(1)：95-98.

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