“思維可視化”在核心概念“加速度”中的課堂實踐

摘 要：根據(jù)牛頓第二定律，設(shè)計并開發(fā)了可視化自制教具“水平加速度計”.通過該教具在課堂中的實際使用，將“思維可視化”應(yīng)用于高中物理核心概念“加速度”教學(xué)中，通過圖示技術(shù)推動學(xué)生的思考，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為可視化的思維過程，加深了學(xué)生對“加速度”概念定性與定量的理解.

關(guān)鍵詞：思維可視化;加速度;高中物理教學(xué);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2019）13-0002 中圖分類號：G6337 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：尹慶豐（1978-），男，江蘇常州人，本科，中學(xué)高級教師，常州市高中物理學(xué)科帶頭人，研究方向：理論研究、教學(xué)研究.

1 問題的提出

“加速度”是高中物理運動學(xué)中的重要概念，是動力學(xué)的核心概念，也是高中物理課程中極為抽象的概念之一.在學(xué)生以往的學(xué)習(xí)、生活與實踐中，與加速度有關(guān)的現(xiàn)象描述并不多，這給學(xué)生理解加速度概念帶來了一定的困難.趙凱華和羅蔚茵教授在《新概念物理教程·力學(xué)》中就明確指出：“這是人類認(rèn)識史上最難建立的概念之一，也是每個初學(xué)物理的人最不易真正掌握的概念.”

在傳統(tǒng)的加速度教學(xué)中，為了激起學(xué)生對這個概念的認(rèn)識并加深印象，教師一般會進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計：一方面采用“汽車、輪船與火車”啟動比賽視頻，增強感觀認(rèn)識;另一方面結(jié)合“速度”的概念采用類比的方法，讓學(xué)生更容易理解加速度的概念形成過程.而在教學(xué)過程中速度的變化方向（加速度方向）是難點之一，在借助加速運動與減速運動的基礎(chǔ)上，采用分析引導(dǎo)的方式，使學(xué)生更直觀地理解速度的變化及方向，這是常見的教學(xué)方法.

雖然上述教學(xué)方法也引入了多媒體的教學(xué)手段，試圖激發(fā)學(xué)生的思維，可是并沒有給予學(xué)生參與思考的機(jī)會，只是被動地接受，因此，教學(xué)效果大大地打了折扣，而學(xué)生對概念的理解也沒有變得更清晰.

可是，如何將這么抽象的一個物理核心概念轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識，將物理問題變得形象具體？這是筆者多年來在“加速度”課堂教學(xué)中一直反復(fù)思考的問題.

2 “思維可視化”的學(xué)習(xí)技術(shù)

思維可視化，顧名思義，就是指運用一系列工具，把發(fā)生在大腦中，原本處于混沌的、看不見摸不著的思維過程，以可視化的形式清晰地呈現(xiàn)出來，變得形象、具體、直觀，比如思維導(dǎo)圖就是其中的一種表達(dá)方式.

思維可視化的起源可以追溯到1967年，哈佛大學(xué)的“零點計劃”，由哲學(xué)家Nelson Goodman領(lǐng)銜，最初是希望通過對藝術(shù)教育的研究來提升思考能力和學(xué)習(xí)效率.到2017年，“零點計劃”的研究領(lǐng)域已經(jīng)從單純的藝術(shù)拓展到智力、理解、思維、創(chuàng)造力、跨學(xué)科和跨文化思維，以及道德的研究調(diào)查，從科學(xué)和藝術(shù)的角度，對思維進(jìn)行研究.

思維可視化的主旨，就是通過畫圖等方式，教會學(xué)生一系列思考問題的正確方式，通俗地講，就是我們常說的思路：厘清或混沌未覺、或雜亂無章的思緒，反復(fù)訓(xùn)練，久而久之，內(nèi)化為固定的思維習(xí)慣.

掌握思維可視化的學(xué)生，會在大腦里架起一條條清晰的思路，這些思路或從思維的深度，或從思維的廣度，或從創(chuàng)造力等方面入手，對問題和知識點進(jìn)行高效而深度的處理.

因此，“思維可視化”的培養(yǎng)應(yīng)該引起教育者的重視，尤其是在學(xué)科核心素養(yǎng)物理觀念的教學(xué)中，如果能夠?qū)⑺季S可視化合理引入并應(yīng)用，將為學(xué)生抽象思維能力的提升奠定基礎(chǔ).

筆者在2017年開始接觸 “思維可視化”的學(xué)習(xí)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)如果在課堂教學(xué)中能夠讓學(xué)生通過自己動手進(jìn)行實驗探究，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為可視化的體驗，“看得見，畫得出”，那么既可以加深學(xué)生對核心概念的理解，又可以培養(yǎng)學(xué)生的思維方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

其中，底座下方設(shè)有用于底座水平調(diào)節(jié)的調(diào)平螺絲，直桿一端固定在轉(zhuǎn)軸上可繞轉(zhuǎn)軸在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，另一端與用于指示加速度值的指針聯(lián)結(jié)固定.角度測量或加速度測量標(biāo)尺固定在立板中下部，為一以轉(zhuǎn)軸為中心、半徑不小于直桿長度的圓弧形，同時標(biāo)注有角度和與角度對應(yīng)的加速度值（為計算方便，此處g = 10 m/s2）.測量前，若指針與加速度標(biāo)尺中部的“0”刻度線位置之間有偏差，可通過調(diào)節(jié)底座下方的調(diào)平螺絲，進(jìn)行調(diào)零.

由于該教具適用于水平運動中加速度的測量，因此正式命名為“水平加速度計”.該教具結(jié)構(gòu)簡單直觀、成本低、不易損壞，可以直接從加速度標(biāo)尺上讀取水平加速度值，最為關(guān)鍵的是，可將其固定在任何水平運動物體上，為水平加速度的定性與定量研究提供了一種可視化的途徑，可以幫助學(xué)生通過圖示技術(shù)把學(xué)習(xí)過程中的思考方法和思考路徑呈現(xiàn)出來.

4 教學(xué)實踐對比與反思

在“速度變化快慢的描述——加速度”一節(jié)中，有以下幾個重點和難點：（1）加速度概念的建立，知道加速度的意義;（2）加速度是矢量，有大小和方向;（3）會正確區(qū)分速度、速度的變化量及速度的變化率.

而將水平加速度計應(yīng)用于這節(jié)課的目的就是為了通過“思維可視化”學(xué)習(xí)技術(shù)解決這些重點難點，化“難”為“易”的.

4.1 教學(xué)實踐對比

4.1.1 “加速度”概念的建立

【傳統(tǒng)教學(xué)：例題1】先觀看“汽車、輪船與火車”等啟動比賽視頻，然后給出材料，見表1.

由表1可知，自行車在4s內(nèi)速度從2m/s增加到11m/s，怎樣描述物體運動的速度增加的快慢呢？

思考：飛機(jī)在空中飛行的速度最大，它的加速度一定很大嗎？

教師說明：給出加速度表達(dá)式

分別求得自行車下坡時的加速度為2.25m/s2;公共汽車出站時的加速度為3.0m/s2;輪船出航時的加速度為0.3m/s2;火車出站時的加速度為0.2m/s2;飛機(jī)在空中飛行時的加速度為零.

由此可以看出，加速度和速度的區(qū)別：（1）速度大，加速度不一定大;加速度大，速度不一定大.

（2）速度變化量大，加速度不一定大.

（3）加速度為零，速度可以不為零;速度為零，加速度可以不為零.

【可視化教學(xué)：探究實驗1】實驗儀器：水平加速度計（20cm×20cm×20cm），可載人遙控小汽車（說明書標(biāo)注速度分高、中、低檔，最大速度范圍約為1.33-2.69 m/s）.

實驗內(nèi)容：首先，將水平加速度計固定在遙控小汽車的座椅上，并調(diào)零，如圖5（a）所示;其次，通過遙控器對小汽車進(jìn)行加速，運動方向為水平向右，達(dá)到穩(wěn)定（勻速運動）后持續(xù)一段時間.

需要說明的是，由于是演示實驗，所以筆者將加速度計的尺寸制作的稍微大一些（20cm×20cm×20cm），且實際操作中發(fā)現(xiàn)直桿會被車門擋住，影響學(xué)生的視線，因此將直桿上方再連動一個指針，標(biāo)尺做成圓形，上下對稱，這樣兩端均可讀數(shù)，如圖5（b）所示，更方便全班學(xué)生觀察.

實驗說明：觀察實驗過程并填寫表2.其中，水平加速度計可以直接讀出水平運動的加速度，為了提高讀數(shù)的精確度，我們先讀角度，然后通過公式（2），a = g tan φ，求出加速度的具體數(shù)值.

表格設(shè)計時，考慮到學(xué)情，先研究速度，再研究加速度.“加速度計的狀態(tài)”由學(xué)生作圖，表格內(nèi)容（斜體字部分）均由學(xué)生填寫或口頭回答，如果回答不出來，可以再重復(fù)一次實驗過程（探究實驗2、3亦采用相同方式）.值得一提的是，由于該演示實驗重現(xiàn)了乘坐汽車的過程，學(xué)生都有親身體會，因此更容易得到與實際相符的答案.

學(xué)生分析總結(jié)：從加速度計可以讀出指針偏轉(zhuǎn)角度，從而得到加速度的大小.從表2可以看出，速度為零的時候，加速度不為零;而速度最大的時候，加速度為零.這說明，加速度與速度大小無關(guān).加速度的“加”字，并不是“增加”的意思，“加速度”也不是“增加速度”的意思，它反映的是速度變化快慢的程度.

4.1.2 明確“加速度是矢量”的概念

【傳統(tǒng)教學(xué)：例題2】做加速度不變運動的火車，在40s內(nèi)速度從10 m/s增加到20 m/s，求火車加速度的大小.汽車緊急剎車時做減速運動，在2s內(nèi)速度從10 m/s減小到零，求汽車的加速度大小.

解析： 根據(jù)加速度公式求解得.

教師說明：（1）加速度是矢量.加速度的方向與速度變化量的方向相同，在直線運動中，如果速度增加，則加速度方向與速度方向相同;如果速度減小，則加速度方向與速度方向相反.因而加速度方向與速度方向無關(guān).

（2）加速度的正負(fù)僅表示方向，不表示大小.若取v0的方向為正方向，則加速運動，a > 0;減速運動，a < 0.

【可視化教學(xué)：探究實驗2】實驗儀器：同探究實驗1.

實驗內(nèi)容：首先，通過遙控器對小汽車進(jìn)行加速啟動，運動方向為水平向右，達(dá)到穩(wěn)定（勻速運動）后持續(xù)一段時間，再通過遙控器進(jìn)行制動減速，直到小汽車速度為零.

教師說明：實驗開始前，提醒學(xué)生重點觀察啟動和制動兩個過程加速度計的指針變化，并將其畫下來，然后進(jìn)行分析，見表3所示.

學(xué)生分析總結(jié)：由表3“加速度計狀態(tài)”可以看出，在遙控小汽車啟動和制動兩個過程中，加速度的大小和正負(fù)都不同.而正負(fù)是用來說明加速度方向的，這就可以體現(xiàn)加速度是一個矢量，既有大小，又有方向.正，說明加速度的方向與約定的正方向相同，為水平向右;負(fù)，則相反，說明加速度的方向為水平向左.再結(jié)合速度的方向，可以進(jìn)一步說明，加速度方向與速度方向無關(guān)，而與速度變化量的方向相同.如果加速度與速度方向相同，就是做加速運動;如果加速度與速度方向相反，就是做減速運動.這個結(jié)論跟學(xué)生看到的探究實驗實際情況完全吻合.

4.1.3 “速度變化量與速度變化率”的區(qū)分

【傳統(tǒng)教學(xué)：例題3】閱讀教科書P27“一些運動物體的加速度a /（m·s-2）”.

教師提問：速度、速度的變化量及加速度有什么區(qū)別？

學(xué)生分析回答：速度是用來表示物體運動快慢的物理量，它等于位移和所用時間的比值;而加速度是用來表示物體的速度變化快慢的物理量，它等于速度的變化量和發(fā)生這一變化所用時間的比值（速度的變化率）.

【可視化教學(xué)：探究實驗3】實驗儀器：水平加速度計，可載人遙控小汽車，秒表.

實驗內(nèi)容：同探究實驗2.

教師說明：實驗開始前，提醒學(xué)生測量啟動和制動兩個過程的時間.啟動時間：小汽車接通電源到加速度計指針為零;制動時間：斷開電源到小汽車停止.然后進(jìn)行分析，見表4所示.

學(xué)生分析總結(jié)：進(jìn)一步對比啟動和制動兩個過程，由表4可以看出，兩個過程的速度變化量大小相同，而加速度的大小不同，說明加速度大小與速度的變化量大小無關(guān).根據(jù)秒表所測啟動與制動的時間，可以發(fā)現(xiàn)，在速度的變化量大小相等的情況下，加速度大小與速度變化時間成反比，說明加速度在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)速度的變化，即速度對時間的變化率.由此可以說明速度、速度的變化量以及速度的變化率是三個不同的概念.

4.2 教學(xué)反思

“加速度”涉及運動觀以及力和運動的關(guān)系等物理觀念，教師應(yīng)該讓學(xué)生初步建立“概念、結(jié)論要與可觀察的事實相符合，而且要用簡明的數(shù)學(xué)語言來表達(dá)它的結(jié)果”這樣的觀念，才能在課堂教學(xué)中落實物理核心素養(yǎng)之物理觀念.

經(jīng)過教學(xué)設(shè)計的對比，可以看出，傳統(tǒng)教學(xué)的特色是情景導(dǎo)入、習(xí)題導(dǎo)學(xué)，引入具體的情境讓學(xué)生自主探究，可是僅僅通過表格呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式，并不能做到將抽象的概念具體化.且整個過程中，概念由教師給出，公式由教師給出，結(jié)論也由教師給出，學(xué)生的主要探究就在解題，不能體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，無法讓學(xué)生自己理解和消化“加速度”這個核心概念.

而筆者根據(jù)“水平加速度計”的特點設(shè)計的教案，選用“思維可視化”的學(xué)習(xí)技術(shù)為主線，創(chuàng)設(shè)問題情境，引入探究實驗，讓學(xué)生感同身受，突破抽象思維的瓶頸，從而推動學(xué)生的學(xué)習(xí)過程.將整節(jié)課的內(nèi)容匯總后，可以得到表格5.

表5列出了3個探究實驗的結(jié)果，將本節(jié)課的3個重點和難點用“可視化的思維”解釋清楚，更是讓學(xué)生對“加速度”的概念一目了然，記憶深刻.“思維可視化”不僅使得“加速度”看得見畫得出，將難懂的物理概念由淺入深、由簡單到復(fù)雜，由現(xiàn)象到本質(zhì)、由具體到抽象，層層深入，環(huán)環(huán)相扣，體現(xiàn)誘思、探究、自主、合作，不斷小結(jié)，突出重點.而且，在探究過程中，注重物理過程和物理方法，所有表格由學(xué)生填寫，避免直接得出結(jié)論，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)其求知的欲望，大大提高學(xué)生參與度.

需要說明的是，此加速度計為機(jī)械式純手工制作，角度的最小分度值為1°，若要提高精度，可以使用傳感器等，進(jìn)行智能化制作和操控.

5 結(jié)束語

實際課堂教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)，真實的實踐情境所蘊含的知識能夠加深學(xué)生對概念的理解，學(xué)習(xí)情境越真實，學(xué)生主體概念構(gòu)建越可靠.因此，筆者通過自制教具“水平加速度計”，幫助學(xué)生親身感受“速度”“速度的變化”“速度變化快慢”三者的關(guān)系，逐步解析“加速度”這一核心概念，有利于轉(zhuǎn)化迷失概念，有利于內(nèi)化物理觀念的形成.

隨著先進(jìn)教學(xué)方法和理念的推廣，高中物理課堂已經(jīng)有所轉(zhuǎn)變，但是如何讓學(xué)生養(yǎng)成學(xué)習(xí)物理的主動性，并有持續(xù)學(xué)習(xí)物理的愿望和動力，現(xiàn)狀不容樂觀.要改變現(xiàn)狀，就需要一線教師不斷地對教學(xué)方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新，提高課堂教學(xué)的實效性，而“思維可視化”正是有助于改變現(xiàn)狀的方法之一，尤其是對于處在銜接環(huán)節(jié)的高一學(xué)生而言，將抽象變?yōu)榫唧w、將概念變得可視，讓學(xué)生感受到物理學(xué)習(xí)的趣味性、實用性，自然就能提升他們學(xué)習(xí)物理的意愿.

參考文獻(xiàn)：

[1]汪振城. 視覺思維中的意象及其功能——魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ芬曈X思維理論解讀[J]. 學(xué)術(shù)論壇，2005（02）：129-133.

[2]尹晗，張際平. 思維可視化視角下的未來課堂架構(gòu)研究[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2016（02）：106-112.

[3]尹慶豐. 提升學(xué)生抽象思維能力的“可視化方法”的思考與實踐[J]. 物理教師，2016（07）：29-32.

[4]左祥勝. 基于促進(jìn)學(xué)生物理概念形成與發(fā)展的教學(xué)實踐——以人教版高中物理必修I“速度變化快慢的描述——加速度”為例[J]. 中學(xué)物理，2016（10）：14-16.

[5]趙子瑩，張軍朋. 基于“核心概念”的物理教學(xué)初探——以《速度變化的快慢 加速度》為例[J]. 物理教學(xué)探討，2015（09）：11-13.

[6]郭本剛. 指向核心素養(yǎng)的高中物理單元設(shè)計之核心概念“加速度”[J]. 物理教師，2017（03）：18-21.

[7]陶兆寶. 高中物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)的思考[J]. 物理教學(xué)，2018（07）：9-12.

（收稿日期：2019-05-08）