基于發(fā)展科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計
——以“速度變化快慢的描述——加速度”為例

2019-04-16 10:13:40孫春成周慶衛(wèi)

物理通報 2019年4期

孫春成周慶衛(wèi)

(江陰市青陽中學(xué) 江蘇無錫 214401)

1 引言

教育部頒發(fā)的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個方面.其中，科學(xué)思維是指學(xué)生具有構(gòu)建理想模型的意識和能力，能從定性和定量兩個角度進行推理論證并解釋現(xiàn)象和解決問題，具有科學(xué)證據(jù)的意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力，富有批判性思維的意識.我們認為，科學(xué)思維應(yīng)該貫徹在平時的教學(xué)實踐中，尤其是概念教學(xué)的過程中.

“速度變化快慢的描述——加速度”是在學(xué)生完成了“速度”等概念的學(xué)習(xí)之后，對物體運動狀態(tài)描述的進一步深化.與“速度”的學(xué)習(xí)相比，加速度這一概念顯得比較抽象，學(xué)生缺少必要的生活經(jīng)驗，而且，剛剛進入高一的學(xué)生，還處在從形象思維到抽象思維的過渡過程中，因此，“加速度”概念的形成和理解，是學(xué)生進入高中階段學(xué)習(xí)物理時遇到的第一個重要難點.

教學(xué)實踐中，我們往往會忽視“加速度”概念的建構(gòu)過程，經(jīng)常是在簡單地拋出概念和定義之后，試圖通過大量的練習(xí)讓學(xué)生掌握這個難點.這樣的教學(xué)方式看似快速突破了教學(xué)難點，且似乎能取得良好的教學(xué)效果，實際上，這種灌輸式的教學(xué)方式錯過了概念構(gòu)建過程中的眾多思維生長點，忽視了學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展，違背了新課改的教學(xué)理念，不利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的良好形成.本文是筆者在工作實踐中，試圖基于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維而進行的教學(xué)設(shè)計.

2 “加速度”教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)入口

教學(xué)片斷1:

教師介紹賽車和戰(zhàn)斗機的最大速度，讓學(xué)生猜測：如果兩者進行比賽，誰會獲勝？學(xué)生根據(jù)直覺思維，認為由于戰(zhàn)斗機的最大速度遠大于賽車的最大速度，因此必然是戰(zhàn)斗機獲勝.此時，教師播放兩者加速比賽的視頻，發(fā)現(xiàn)在前600 m的加速過程中，賽車獲得了勝利.

學(xué)生的判斷依據(jù)實際上是生活經(jīng)驗中的速度概念，而視頻中觀察到的現(xiàn)象與根據(jù)生活經(jīng)驗產(chǎn)生的結(jié)論明顯沖突.教師正是試圖通過設(shè)計這樣巧妙的認知沖突以引發(fā)學(xué)生的積極思考.

教師：生活中是否還有類似的情況——A物體的最大速度遠小于B物體的最大速度，但是在某些情境下，A物體卻能夠超在B物體的前面？

學(xué)生：紅燈變綠燈的時候，自行車能夠超過大貨車；站臺送別時，站臺上的人能夠追上緩緩加速的火車.

教師：在這些情境中，比較的是最大速度嗎？不是！那么，比較的是什么呢？

教師的追問，能夠引發(fā)學(xué)生的深層次思考，要求學(xué)生必須從生活直覺的表象中抽取信息，建立加速運動的模型.經(jīng)過討論，學(xué)生得出結(jié)論：在這些情境中，比較的是速度變化的快慢，或者說，比較的是它們的加速性能.這樣的思考與討論，為加速度的概念引入做了比較自然而充分的鋪墊.

教學(xué)片斷2：

通過表格呈現(xiàn)7種較為常見的汽車品牌如奔馳、寶馬、桑塔納、奇瑞QQ等.

教師：這些車?yán)锩妫男┸嚰铀傩阅茌^好，哪些車加速性能相對較弱？你是怎么判斷的？

學(xué)生：奔馳、寶馬加速性能好，因為價格貴；QQ加速性能差，因為價格最便宜.

我們可以看到，學(xué)生的思維方式依舊是根據(jù)生活經(jīng)驗而形成的直覺性思維.教師首先肯定了學(xué)生的判斷依據(jù)具有合理性，但是不夠“物理”，并進一步提供了表格數(shù)據(jù)，展示了各種品牌的車均從速度為零加速到100 km/h所用的時間.通過分析數(shù)據(jù)，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)，各品牌汽車車的加速時間不相同，很快得出正確結(jié)論：由于速度變化量是一樣的，因此，加速時間越短則加速性能越好.

學(xué)生在觀察、思考和判斷的過程中，提取了關(guān)鍵信息——速度變化量相同，并順勢使用了控制變量法，從而得出了結(jié)論.相對于根據(jù)生活經(jīng)驗進行的直覺判斷，學(xué)生的思維層次有了明顯的提升.

教學(xué)片斷3：

如表1所示，逐次展示5種交通工具初、末速度及加速時間，并要求學(xué)生依次兩兩比較加速性能.

表1 5種交通工具初、末速度及加速時間

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，構(gòu)建出合理的比較模型，并形成“速度變化量相同時比時間”“時間相同時比速度變化量”這一比較合理的思維路徑.沿著這一路徑，學(xué)生很快兩兩比較出前面四者的加速性能強弱.由于前面四者比較過程中的思維鋪墊，在比較磁懸浮列車起步和戰(zhàn)機空中加速時，雖然兩者初速度、末速度、加速時間均不相同，但學(xué)生還是很快發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)斗機速度變化量大而所用時間短，因此戰(zhàn)斗機加速性能更好.此后教師追問：在比較加速性能的時候，是否有更加簡潔的辦法？由于引入新課的整個過程中，我們不斷地進行了科學(xué)思維的鋪墊，因此學(xué)生十分順利地得出：用速度變化量除以發(fā)生這個變化所用的時間——這個比值反應(yīng)了速度變化的快慢.由此順利地得出本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題——加速度.

2.2 教學(xué)過程

教學(xué)片斷4:

教師：如果想測量某個運動的加速度，需要測量哪些物理量？

學(xué)生：初速度、末速度、加速時間.

教師將小車沿軌道加速下滑時打出的紙帶發(fā)給每一個學(xué)生，并在PPT上展示這張紙帶,如圖1所示.

圖1 小車沿軌道加速下滑時打出的紙帶

教師提問：要測量A,G兩點之間運動過程中的加速度，需要測量vA,vG，那么，vA和vG，誰是初速度，誰是末速度呢？有學(xué)生脫口而出：vA是初速度、vG是末速度，因為是從A向G運動.這實際上也是學(xué)生直覺思維的體現(xiàn)，按照字母順序想當(dāng)然地認為肯定是A點在前G點在后.由于學(xué)生結(jié)論正確，所以很多教師會放過學(xué)生的這一思維漏洞.實際上，給出條件中并未明確A點在前而G點在后，vA，vG誰是初速度誰是末速度，是需要根據(jù)點跡間距來進行判別的——由于是加速過程，A點附近點跡密集，說明速度相對較小，而G點附近點跡相對稀疏，說明速度較大，由此方可得出結(jié)論：在這個加速過程中，vA是初速度,而vG是末速度.

教學(xué)片斷5：

思考1：物體的速度大，其加速度一定大？

作為教師，我們覺得舉出一個反例是十分簡單的事情，但是在教學(xué)實踐中我們看到，學(xué)生在回答問題時舉出的反例雖然有一定道理，但是并沒有緊扣邏輯，思維往往顯得十分跳躍和散亂.這時，需要教師進行必要的邏輯思維的指導(dǎo)：確認前提，否定結(jié)論.因此，列舉的反例應(yīng)該是,雖然物體的速度很大，其加速度卻很小.在這樣的指導(dǎo)下，學(xué)生很快舉出反例：勻速飛行的飛機，雖然速度很大，但是加速度卻為零.

對稱思維是一種重要的科學(xué)思維，教師進一步提出問題：根據(jù)對稱性，各位同學(xué)是否可以提出該命題的“對稱命題”？學(xué)生在思考后提出“對稱命題”：物體的速度小，其加速度一定小.當(dāng)然，這是一個錯誤的命題，學(xué)生也很快給出了正確的反例.

思考2：速度的變化量大，其加速度一定大？

由于“思考1”的思維培養(yǎng)過程，學(xué)生很快舉出了反例：光帆飛船，速度變化量很大，但是加速時間長，因此加速度數(shù)量級只有10-6m/s2.學(xué)生也順利提出了“對稱命題”：速度的變化量小，其加速度一定小.同樣，學(xué)生也很快找到了反例：子彈被擊發(fā)的瞬間速度變化量小但是其加速度卻很大.

基于以上兩個“思考”，教師進行總結(jié)：我們在考慮加速度的時候，需要考察兩個方面，即速度的變化量以及發(fā)生這個變化所用的時間.實際上，比值法定義的物理量都要注意到這一點.

教學(xué)片斷6：

教師：生活中有一些籠統(tǒng)的說法，有的是描述運動速度大，有的是描述運動加速度大，我們一起來判斷.

(1)白駒過隙；

(2)這輛車起步很快；

(3)急湍甚箭，猛浪若奔；

(4)這位同學(xué)身體素質(zhì)好，爆發(fā)力強……

從生活現(xiàn)象中觀察和總結(jié)物理現(xiàn)象，再用形成的物理概念或規(guī)律來解釋生活現(xiàn)象，這既是科學(xué)思維的結(jié)果，也是科學(xué)思維的意義，在分析和解釋生活現(xiàn)象的過程中能夠進一步深化對概念或規(guī)律的理解，提升思維的品質(zhì)和思維的層次.

在定性分析的基礎(chǔ)上，教師舉出實例，要求學(xué)生進行定量計算，從而進一步體會生活中可能遇到的加速度數(shù)值.從定性分析到定量分析，從感性到理性，這也是科學(xué)思維形成的重要路徑.

例如，交通管理部門制定了死亡加速度5 000 m/s2這一數(shù)值以醒世人，意思是如果行車加速度超過此值，將有生命危險.假如一輛汽車以90 km/h(25 m/s)的速度行駛，因發(fā)生事故與高速公路隔離護欄發(fā)生碰撞，碰撞時間為0.004 s，碰撞后速度立即變?yōu)榱?，那么在碰撞過程中汽車的加速度有多大？

學(xué)生很快計算得出汽車的加速度大小為6 250 m/s2.

教師：該數(shù)值已經(jīng)超過死亡加速度，那么生活中是如何來保護駕駛員的生命安全的呢？

學(xué)生：系安全帶、配安全氣囊.

教師：這兩個措施沒有改變速度的變化量，是通過增大作用時間從而減小撞擊過程中的加速度.實際上，交通部門的限速，是從另一個角度，即減少速度變化量的角度來達成同樣的目的.

教學(xué)片斷7：

教師展示如圖2所示的v-t圖像，提出問題：圖像中的“運動1”和“運動2”，誰的加速度更大？

圖2 v-t圖像

學(xué)生根據(jù)前面的學(xué)習(xí)鋪墊，很快從“時間相同看速度變化量”和“速度變化量相同看時間”兩個角度得出結(jié)論：“運動1”的加速度大.教師引導(dǎo)學(xué)生再觀察兩個運動的v-t圖像，發(fā)現(xiàn)“運動1”的圖像更加陡峭，學(xué)生得出結(jié)論：v-t圖像的陡峭程度，反應(yīng)了加速度的大小.

圖像法是高中物理學(xué)習(xí)的重要方法，相比通過計算比較加速度大小，v-t圖像的陡峭程度能夠更加直觀地反應(yīng)加速度的大小.從生活經(jīng)驗到物理概念，再到物理圖像，這看上去似乎只是并不復(fù)雜的感性-理性-感性的轉(zhuǎn)變，實際上，這是一個思維層次和思維品質(zhì)不斷提升的過程.

3 結(jié)束語