以“慣性”的教學為例談概念的變式教學設計

徐志平

物理教學的一項重要內容是讓科學的物理概念和學生的前概念相互斗爭，激起認知沖突，從而讓科學的物理概念取代那些膚淺的、錯誤的前概念.要實現這一目的，教師不僅要在教學中積極引導學生進行實驗探究、現象分析和邏輯推理以外，更要運用一些藝術化的教學手段.例如采用變式教學就能幫助學生更加有效地厘清概念的本質和內涵，推進學生認識的進步.

1物理概念教學存在的問題

1.1問題表象

學生學習物理概念時存在的問題主要表現在如下幾個方面：一是缺乏進行定性分析判斷解決物理問題的思路；二是處理物理問題的思路方法不到位；三是物理情景混亂；四是表達不規范.這些問題的產生顯然與概念教學中存在的脫離實際、教學方法單一的狀況密切相關.這些困難古今中外都普遍存在，好像總沒有得到真正有效的解決，其原因應從教師與學生兩方面去分析.

1.2成因分析

在教師方面，教師在物理教學中引入一個新的物理概念時，往往直接給出概念的定義，很少涉及建立這一概念的前因后果；只關注學生做練習，而忽略了讓學生形成正確、穩定的物理概念.

在學生方面，學生往往只重視背定義、記公式、做習題，卻忽視了對物理概念正確的理解，概念不清不牢.這樣必然導致的結果是，豐富的物理含義隱含在許多數學符號中，以致越學越困難.

1.3解決辦法

在物理概念的教學過程，教師不斷變換提供給學生的感性素材，創設合適的變化情境，能夠成功地消除相關前概念的影響，進而實現科學而嚴謹的物理概念的構建，這一概念教學的操作方式就是變式教學.這一教學方法有利于學生多角度地認識物理概念的本質.以下是筆者結合教學實例來談談自己的有關教學設計.

2案例

必修1第四章第一節《牛頓第一定律》中“慣性”的概念教學結合變式教學的設計.

學情分析

學生在初中階段已經學習過牛頓第一定律的部分內容，對“慣性”這一概念，他們無論是在課本上，還是在生活中都有過一些接觸，但是僅限于知道這個詞.至于“慣性”到底是什么，很多學生說不出個所以然，有的會認為這是“習慣”的一個近義詞，亦或會在某些物理問題的分析中借用“慣性”這個概念做出錯誤的解釋，例如為什么汽車超速很危險？一種典型的錯誤解釋是，速度越大，慣性越大，車子更難停下.

教學目標

讓學生理解“慣性”這一概念的內涵和外延.慣性可定義為：物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的一種性質.它反映物體運動狀態改變的難易程度，質量是慣性大小的唯一量度.

教學策略[HT]結合學情分析和教學目標，筆者認為可以用變式教學法通過以下流程來實施.

2.1為學生提供感性素材，讓學生通過變式來進行概念構建和消化

在幫助學生對“慣性”這一概念進行構建時，教師可遵循從定性到定量的順序有梯度地將相關變式材料提供給學生：

師：請同學們設想一下，當你所乘坐的公交車突然剎車時，正處于站立姿態的你會有怎樣的感覺，這說明什么？

生：人的上身會往前方傾斜，甚至摔倒.這是慣性的表現.

師：再請同學們來回憶一下，體育課上，你在進行鉛球訓練時，以一定速度助跑后，拿有鉛球的那只手往前用力一推之后，那只鉛球還在你手上嗎？

生：鉛球以某一速度飛出，這也是慣性的表現.

師追問：脫手而出的鉛球速度上有何特點？

[HJ2.4mm]生答：鉛球會保持脫手那一瞬間的速度.

師：請再設想這樣一個場景：讓身形較為苗條的你和日本職業相撲手，來一次迎面相撞，誰更容易摔倒，為什么？

生：當然是質量較小的我們更加吃虧，那些相撲手像一座座肉山一樣.質量更大的物體運動狀態更容易保持，所以慣性大.

師：戰斗機在進行空中格斗前要扔掉副油箱，這是為什么？

生：質量減輕后，運動狀態更容易改變，也可以說它的慣性變小了.

師：一只氣球以1 m/s的速度向你迎面飛來，你敢用頭頂嗎？

生：敢！

師：換個鉛球試試呢？

生：……

一系列變式素材以問題的形式呈現出來，學生對答如流，貌似他們對慣性的概念已經徹底掌握，其實他們的認識還很膚淺，我們所提供的素材只是幫助他們建立“慣性”的概念，而且這些素材很可能被學生已有的前概念所同化，換言之，我們的教學還沒有激起他們的認知沖突，徹底實現概念的更新，因此有必要進行第二步教學設計.

2.2提供深層次的問題，讓學生在變式訓練中理解概念的內涵和外延

在這一階段，教師圍繞與概念相關的變式設計問題，通過問題的解決，讓學生來進一步熟悉和理解“慣性”的概念.

例題1通過慣性的學習，我們已經可以解釋相同速度行駛的火車和汽車同時剎車，汽車更容易停下的原因在于汽車的質量較小，慣性相應較小；但是如果有兩輛相同的小車同時剎車，速度小的那個小車更容易停下，是否說明速度越小，慣性也越小呢？

學生思考并討論后，能得出結論，小車停下的時間不是直接對應其運動改變的難易程度，因此不能從耗時長短來說明慣性大小，即慣性與速度無關.

例題2如圖1所示，一只平放的玻璃瓶中的水和氣泡都處于靜止狀態，此時突然給瓶子一個推力，使其向右加速運動，請問氣泡的移動方向會朝哪兒？

學生會不假思索地答道：氣泡的慣性作用，導致向左運動啊，這不和汽車加速時人要往后倒差不多嗎？這充分暴露出前概念對學生思維的干擾，教師要因勢利導，就把水瓶類比為汽車，但是類比為乘客的是什么呢？是瓶子中的氣泡嗎？氣泡是什么，是瓶中水沒有填滿區域的空氣.那么汽車中也有空氣，那才是汽車中的“氣泡”，能夠和乘客形成類比的是瓶子中水.正確的解釋應該是，與空氣相比，水的質量更大，它的慣性也更大，在瓶子加速時，水因為慣性會往后擠占空間，則氣泡向前.

例題3有一小車上放置一個注滿水的容器，通過細線的作用，有一實心鐵球P和木球Q懸于水的中部，初始狀態靜止如圖2中的甲圖所示，現在，小車以一定的加速度向右加速，問連接球與容器壁的細線會呈現怎樣的姿態，在乙圖中做出選擇？

有了例題2做鋪墊，學生應該逐漸意識到，這個問題表面看來是鐵球和木球兩個慣性大小的對比，其實還有一個“水球”的概念藏在背后，通過對比，鐵球質量更大，慣性比水大，它會相對向后擠占水的空間，木球會因為慣性較小而向前，它的位置被質量更大的水球所占據.

以上的教學過程以變式教學來展開，通過提供大量源于學生生活的感性素材，創設了較為生動的物理情境，讓學生從感性認知中提煉出“慣性”的概念；再通過對有關素材的非本質因素進行改造，變換所研究的對象，將定性認識發展為定量比較，強化了“質量是慣性唯一量度”這一認識.以上教學過程成功地消除了前概念的負面影響，有效實現了學生“慣性”概念的認知，是一次將變式教學法運用于物理概念教學的成功實踐.