搭建問題支架，高效開展物理概念教學

何盼盼

摘要：在物理概念教學中，教師可通過搭建直通學生“最近發展區”的問題支架，建立新舊知識之間的聯系，將任務以問題的形式進行分解，幫助學生逐步實現物理概念的構建。本文以“速度變化快慢的描述——加速度”教學為例，分析如何在課堂教學中搭建問題支架，幫助學生建構物理概念，形成清晰的知識體系。

關鍵詞：物理概念 問題支架 高中物理

物理概念是物理學的基礎，是人們對物理現象和物理過程等本質屬性的精確概括。李政道強調說：“學習物理的首要問題是要弄清物理學中的基本概念。”但筆者在日常教研活動中，通過聽課、訪談、試卷分析等方式了解到，當前教學普遍存在教師注重概念記憶、忽視概念構建過程的情況。為此筆者帶領團隊展開探索，尋找一種能幫助學生更有效構建概念的支架教學模式。本文主要探討其中一種支架形式——問題支架——在“速度變化快慢的描述——加速度”概念教學中的應用。

所謂問題支架，是指在學生原有的認知水平和將要達到的教學目標之間找到學生的最近發展區，并借助一個個有梯度、有層次、有連貫性的問題串搭建不斷向上攀升的學習支架，幫助學生逐步跨越，抵達“最近發展區”，并在問題解決的過程中逐步歸納出事物的本質屬性，構建出物理概念。

一、結合沖突性問題搭建問題支架，激發前概念

前概念是指學習者在正式接受科學教育之前通過長期的生活經驗積累和辨別式學習獲得的某些感性印象，積累的缺乏概括性和科學性的經驗，以及某些與科學知識相悖或不完全一致的觀念和規則。

加速度是高中課程中比較抽象難懂的概念，同時也是連接力與運動兩大模塊的重要概念。在生活中，學生對加速度這一概念的印象并不清晰，分不清平時所說的“快”是指“速度快”還是“速度變化快”，故本節就從學生產生認知沖突的地方設置問題支架，引發學生對速度和速度變化快慢的思考，進而調出學生的前概念。

問題1：人與戰斗機進行競速比賽，哪個會贏？

設計說明：對于學生來說，戰斗機與人進行速度競賽，是實力懸殊較大的較量，學生多半認為二者沒有可比性，戰斗機的優勢非常明顯，學生心中覺得答案顯而易見。但學生并沒有意識到：雖然長距離運動過程中戰斗機的平均速度快，但不代表短距離比賽中戰斗機速度變化就快。

在學生充分討論回答后，筆者播放中央電視臺播出的《加油！向未來》中短跑名將張培萌與山鷹FTC-2000教練機進行的50米競速比賽的視頻。這個真實情境下的競速比賽對學生來說很震撼，比賽結果和他們原先的設想也不同。筆者借機引發學生思考，教練機起飛過程中速度肯定比人的速度快，但是起飛初期的速度增加得沒有人起跑速度增加快。學生初步意識到速度和速度增加是不同的概念。

問題2：假如讓張培萌和戰斗機進行100米的競速比賽，結果又如何？你為什么這樣想？

設計說明：通過前面的學習，學生開始思考速度變化這一更深層的問題。

在學生思考討論后，筆者播放張培萌與殲-10戰斗機進行的100米競速比賽的視頻，一方面可以讓學生感受到祖國的強大，另一方面讓學生看到速度的變化。筆者借機設置問題，幫助學生分析原因。

問題3：你能在生活中找到速度在變化的運動嗎？

設計說明：通過感性材料的分析，讓學生認識到速度和速度變化是不同的物理量，再結合生活經驗，讓學生感受變速運動在生活中的普遍性，為加速度概念教學進行鋪墊。

二、結合平行性問題搭建問題支架，引入概念

在提供了加速度概念的引入階段，筆者為學生提供了生活中常見的交通工具啟動階段的速度變化情況（如表1），然后設置問題讓學生分別進行比較。

問題1：比較自行車和小汽車啟動階段速度變化的快慢。

問題2：比較小汽車和火車啟動階段速度變化的快慢。

問題3：比較自行車和火車啟動階段速度變化的快慢。

設計說明：筆者利用三個平行性問題，幫助學生建立比較速度變化快慢的模型。在前兩個問題中，學生能很容易地建立起比較模型：當運動時間相同時，速度變化快慢可以通過速度變化量大小來比較；速度變化量相同時，速度變化快慢可以通過運動時間長短來比較。在第三個問題中，各交通工具的速度變化量和運動時間都不相同。有的學生通過分別計算出1秒內速度的變化量來比較速度變化快慢，有的學生通過其他方法來解決問題。問題解決的過程讓學生體會到：需要引入一個新的物理量來描述速度的變化。此時教師順理成章地引入加速度概念，同時也為后面加速度定義式的引入降低了難度。

三、結合遞進式問題搭建問題支架，促概念形成

在本節中，加速度概念的構建和對加速度方向的理解都是難點。筆者通過一系列有梯度的、緊密相連的問題串，讓學生自主生成并逐漸形成概念。

問題1：表1中三種交通工具的運動速度、時間是固定的數值，大家都能進行比較。假如給你一個任意的運動，你能不能找到它的加速度？例如某飛機加速階段的初始速度為v0，最終速度為vt，運動時間為t，求它的加速度。

設計說明：該問題設計目的是讓學生經歷由特殊到一般的過程。概念教學中，我們不僅要讓學生知道這個概念是什么，更重要的是讓學生知道到為什么要引入這個概念。這樣做才能讓學生對概念的理解更加全面。

問題2：根據上面的計算，結合前面速度、密度、壓強等概念定義的方法，給出加速度的定義式。

問題3：根據加速度的定義式，推導出加速度的單位。

問題4：結合加速度的定義式，分析加速度是矢量還是標量。

設計說明：加速度定義式的引入用到的是比值定義法。比值定義法是中學階段物理概念構建的重要方法。針對上面的三個問題，有學生用類比的方法獨立給出了答案。

問題5：加速度的方向由什么決定？

設計說明：加速度是矢量，但其方向并不直觀，學生很容易判斷錯，所以筆者就將這個問題單獨拎出來進行重點研究。

為了讓學生更好地理解和掌握加速度的概念以及矢量運算的方法，筆者為教科書上例圖（加速度方向與速度方向的關系示意圖）中的速度賦上具體的數值，請學生結合給定的數值完成兩個運動過程相關量的計算和比較。

問題6：如何用有向線段表示甲、乙兩車在運動過程的速度v1和v2？

問題7：如何計算甲、乙兩車運動過程的速度變化量Δv？兩個運動的Δv一樣大嗎？Δv是矢量嗎？怎樣用有向線段來表示？

問題8：甲、乙在運動過程中的加速度一樣嗎？

問題9：怎樣確定加速度的方向？

問題10：甲、乙在運動過程中速度變化規律相同嗎？其各有什么特點？

設計說明：筆者為課本中的例子賦上數值的目的是方便學生理解，降低問題的難度，然后再通過一系列的問題串，將研究的問題不斷深化，也就是將加速度方向這個問題進行細化，設置梯度，在學生最近發展區設置問題，讓學生去構建概念，進而突破難點。

四、結合探究性問題搭建問題支架，促概念完善

v-t圖像能形象地描述物體運動過程中速度的變化，根據圖線的斜率可以得出加速度的大小。這種數理結合的方法在物理問題研究中有重要的應用意義。為了讓學生能自然而然地得到v-t圖像，筆者通過設置探索性問題，讓學生對整個探究過程中遇到的問題進行思考，在問題解決的過程中，學生對加速度的概念有了更加全面深刻的理解。

問題1：一個在斜面上運動的小車，請測量出它在某一段運動中的加速度，并說明能不能直接測量。

設計說明：本節的教材中沒有安排探究實驗。筆者設計這一問題是因為這個探究問題具有一定的開放性，探究方案多樣，能促使學生進行發散遷移、拓展思維，同時也可以幫助學生了解傳感器。在科學技術越來越發達、自動化程度越來越高的今天，傳感器的使用越來越廣泛。學生在學習中接觸傳感器有一定的現實意義，也為將來學習傳感器的知識進行鋪墊。

問題2：如果不用直接測量的方式，要測量哪些量，每個量怎么測量？怎么用測出的量計算出加速度？

設計說明：探究過程中至關重要的一個環節是實驗方案的選擇與制定，這能反映出學生對前面學習內容的掌握情況。實驗時學生有的會選擇打點計時器，有的會利用光電門，實驗器材選擇、實驗過程、數據記錄以及數據的處理等都不盡相同。學生要想能完成方案設計，就需要綜合應用前面學習的知識。同時，在經歷了小組合作探究之后，學生建構的知識體系更加系統。

問題3：為了更直觀地顯示運動過程，可以用作圖法來表示物體運動過程嗎？以前有用建立坐標系解決問題的例子嗎？

問題4：可以選取哪兩個量表示在坐標系的橫、縱軸上？請將剛才實驗過程中測量的物理量在坐標系中描出來。

設計說明：上一節已經學習了v-t圖像，這節繼續讓學生建立v-t圖像，一方面是因為物理問題與數學方法結合，是將學生感性認識上升到理性認識的一條重要途徑；另一方面也可以讓學生通過建立圖像的過程再次認識圖像。

問題5：能根據圖像找到加速度嗎？

設計說明：在上一節的學習中，學生已經能根據圖像判斷速度的變化，知道物體在做加速、減速還是勻速運動。結合加速度的定義，學生能自主在圖像中找到加速度。但不同學生的基礎和思路可能不同，所以他們解決問題的方法可能不同，有的可能在圖像中找到Δv和對應的Δt，再利用加速度的定義式進行計算；有的能發現圖線的斜率就是加速度的大小。

問題6：能找到圖線某一點的加速度嗎？

設計說明：筆者主要想讓學生仿照上節學習的瞬時速度和平均速度的定義，結合極限思想，理解“瞬時加速度”，讓學生注意到它與“平均加速度”的區別，這樣學生對加速度概念的認識就更加立體。

五、結合生活中的問題搭建支架，促概念的應用和升華

本節的學習會涉及速度、速度變化和速度變化率的概念，學生很容易混淆，特別是面對實際問題時，學生很容易理不清。為此筆者設計以下問題，讓學生結合生活中的運動實例進行分析，引導學生將概念應用于生活之中。

問題1：請在生活中找出符合如下運動條件的運動。

（1）物體運動速度小，加速度大。

（2）物體運動速度大，加速度小。

（3）物體運動速度變化小，加速度大。

（4）物體加速度方向與速度方向相同。

（5）物體加速度方向與速度方向相反。

（6）物體加速度大小在減少，速度大小在增加。

（7）物體加速度大小在增加，速度大小在減小。

設計說明：這樣設計是幫助學生辨析概念，構建完整的概念體系。

問題2：分析張培萌和教練機競速過程中速度的大小，加速度大小變化的情況。

設計說明：物理來源于生活，也應用于實際生活。實例分析能讓學生更進一步地認識到這一點。

在物理概念引入、形成、完善、應用和升華的學習階段，筆者在考慮學生原有知識經驗的基礎上，洞察學生的最近發展區，聯系新舊知識，讓在學生問題支架的幫助下去探索新知，讓學生在思考、質疑的過程中形成概念、發散思維。需要注意的是，學生的最近發展區是動態的，問題支架必須結合學生實際情況靈活調整。同時，隨著學生認知水平和自主學習水平的發展，問題支架也要不斷修改、轉移或減少。

參考文獻：

[1]李高峰，劉恩山.前科學概念的術語和定義的綜述［Ｊ］．寧波大學學報，２００６（６）：４３-４５.

[2]維果茨基.維果茨基教育論著選［M］.余震遠，譯.北京：人民教育出版社，2005.

[3]姜琳.中學物理教學中運用支架式教學的案例分析［J］.物理教師，2012（1）：13-14.

責任編輯：黃大燦