立足真實情境 巧設概念沖突
——以“速度”概念教學為例

張敏書

(江蘇省宜興市陽羨高級中學 江蘇 無錫 214200)

于海波

(東北師范大學物理學院 吉林 長春 130024)

正確牢固的物理觀念是學生養(yǎng)成物理核心素養(yǎng),奠定終身發(fā)展的基礎.“速度”以及與之相關的系列概念,在運動學知識體系部分起著舉足輕重的作用.諸多高中物理教師在課堂教學時,圍繞質點的運動,創(chuàng)設一定的物理情境,試圖將運動學中的“速度”“瞬時速度”“速率”“瞬時速率”“平均速度”“平均速率”等概念辨析清楚,但教學結果往往事與愿違.學生在教師苦心孤詣的引導下,經(jīng)過新課學習后,將初高中階段對于“速度”概念的認知混為一體,對一系列概念的認識更顯混沌,遑論對日常生活中客觀物體的真實運動和課本概念進行一一對應.

1 “實然”誤區(qū)——假情境孕育偽沖突的教學誤區(qū)

將質點模型還原為生活中常見物體,并假設出該物體特征鮮明的運動,成為教師在預設情境時不謀而合的選擇.通常的教學流程是,教師設定3種常規(guī)運動速度不同的物體,配合設置的數(shù)據(jù),引導學生在比較物體運動快慢時,自然而然地使用位移與時間比值這一速度的定義式,最后借助習題總結,進行概念陳述.學生在“問題解決”的過程中自然而然地“接受”了“速度”概念,教師在此基礎上順利進入后續(xù)階段“瞬時速度”“平均速度”等概念的教學環(huán)節(jié),類似的習題情境如表1所示.

自行車、公共汽車、火車的運動在生活中司空見慣,教師試圖用3車比速的例子,引導學生比較位移與時間均存在差異時,三者運動的快慢,為了與初中階段“速率”概念形成沖突,題中還特意使用了質點在不同時刻位置坐標的形式,先計算Δx,再除以時間間隔.生活情境與認知沖突兼?zhèn)?類似的例題看上去并無不妥.然而,新課教學過后,學生脫離教材和例題,分析實際的機械運動時,問題解決能力并沒有出現(xiàn)明顯的提升,看似與生活緊密聯(lián)系的課堂教學,是否存在與生活的脫節(jié)?答案是肯定的.

首先是問題“假情境”.教師在頻繁地將質點運動設置在“平直公路”“百米跑道”“直線”路線中,此類設定的優(yōu)點在于,將問題進行高度簡化,學生在探究題目中給出的問題時,解題難度極大地被降低.而弊端在于,概念教學作為單元教學的基礎,是學生對新知識的初步接觸,理應與實際接軌,將生活的真實情境進行一定程度的再現(xiàn),習題訓練的最終目的是使學生能夠在面對不同問題時,靈活運用所學知識,見招拆招,揭示問題本質,用所學知識應對并解決問題.如果習題過分強調了參考系的平與直,對生活場景進行高度精簡,最終呈現(xiàn)的結果是,習題僅是對學生頭腦中“速率”概念進行再次強化.

其次是概念“偽沖突”.在不適宜的情境中,學生在比較不同物體運動快慢時,看似產(chǎn)生了“位移除以時間”與“路程除以時間”的計算方式差異,速率的計算公式被擯棄,速度的定義式在概念沖突中誕生,但實質上,此類問題中位移的大小與路程全然相等,加之生活中的場景使用“速率”概念的概率遠超出使用“速度”概念的概率,學生計算的結果仍然是物體的速率大小,因此這類概念沖突的本質實為舊概念的鞏固.教師強行將“速率”問題的解決劃歸為“速度”,在此基礎上對學生進行“滿堂問”,反而對學生理解真正的速度概念造成阻礙,使立足真實情境的概念教學流于形式.

2 “應然”前沿——高科技結合新應用的多元課堂

注重課程的時代性,關注科技進步和社會發(fā)展需求[1],是高中物理課程的基本理念之一.相關調查顯示,就如何選擇合適的媒介來體現(xiàn)物理科技文化教育這一問題上,教材內容、科技成就、教學活動分別得到了58%、16%、13%的中學物理教師支持[2],但在實際使用教材進行授課時,教師和教研員對高中物理教科書在“情景與學生經(jīng)驗”方面的評價分值低于總體16個評價維度的平均分值[3].可見,教科書被賦予了強烈的育人期待,并且尚具備可觀的學科價值挖掘的空間.那么,就“速度”這一節(jié)而言,如何利用好教科書中呈現(xiàn)的物理科技內容,在其基礎上進行一定程度的拓展延伸,使概念教學更為完備呢?不妨對現(xiàn)行主流教材在對應章節(jié)內容上的尖端科技成就展示的部分進行對比,如表2所示.

表2 不同版本教材對最新科技成果的呈現(xiàn)對比

3 “優(yōu)化”路徑——真問題和多聯(lián)動的深度學習

學生頭腦中并非白紙一張,而是帶著經(jīng)驗開始新概念的學習,想要精準地制造概念沖突,教師創(chuàng)設的情境必須真實可信,物理課堂不僅要“走近生活”,更要“走進生活”,引導學生基于問題、基于挑戰(zhàn)、基于項目進行探究式學習.GPS定位系統(tǒng)的使用,作為問題鏈的培養(yǎng)皿,能夠有效地將教材中高度濃縮提煉的物理學科成果,有目的地進行倒轉,恢復成原汁原味的真實問題,幫助學生親身體驗經(jīng)歷知識的發(fā)現(xiàn)與建構過程[5].以“速度”及相關概念的新課教學為例,教師不妨在課堂上做如下教學嘗試.

步驟1：甲同學在不熟悉路線的情況下,想要驅車從湖北省天門中學出發(fā),前往天門南火車站,他應該怎么做?(學生展開討論)

行動建議：甲同學在智能手機上打開“高德地圖”APP,搜索火車站.搜索結果如圖1所示.

圖1 手機搜索結果

提出問題：導航界面顯示有3條建議路線,不同路線顯示的“44公里”“43公里”是什么含義?

學生解答:結合路線示意,此處的“44公里”“43公里”應當是路程而不是位移.

步驟2：甲同學驅車出發(fā),由于不熟悉路線,為了保障生命和駕駛安全,他可以怎么辦?

行動建議：在行車途中使用手機實時導航.

提出問題1：行至某處,手機導航界面如圖2所示.圖中并未顯示甲同學所駕駛的車型和具體大小,而是有一個藍色箭頭隨著車輛的移動而移動,作何解釋?

圖2 行至某處手機導航界面

學生解答:藍色箭頭可以看作是GPS系統(tǒng)及手機軟件將甲同學和車輛視作一個質點,箭頭的方向是車輛運動的方向,箭頭的移動代表了車輛的移動.

提出問題2：(追問)圖中藍色箭頭與終點之間連接的紅色線段有何用意?

學生解答:紅色線段表示起點到終點的有向線段,應當理解為對應位置到終點之間的位移.

提出問題3：(追問)圖中綠色的曲線表示未行駛的路程,灰色曲線表示已行駛的路程,在行駛過程中,手機如何繪制車輛已行駛的路線?

學生解答:GPS系統(tǒng)對車輛在極短時間內的位移進行定位,用線段連接兩處位置,如此重復,即可得到車輛已行駛路線.

步驟3：導航軟件帶有測速功能,某時刻,手機顯示車輛速度如圖3所示.經(jīng)過對比,甲同學發(fā)現(xiàn)手機顯示的速度與駕駛室內儀表盤顯示速度有細微差別.

圖3 手機顯示車輛速度

提出問題：為什么儀表盤的速度與手機界面顯示的速度并不是完全一致?

學生解答:因為手機顯示的是瞬時速度,由衛(wèi)星對車輛在極短時間內的位移與時間間隔比值進行計算得出,而車內儀表盤顯示的是行車速率,由極短時間內的路程與時間間隔的比值計算得出.

步驟4：甲同學在行駛過程中,注意到路邊有區(qū)間測速的指示牌.

提出問題1：區(qū)間測速系統(tǒng)通過在同一路段兩個相鄰的監(jiān)控點架設兩臺攝像機,建立監(jiān)控分車道抓拍系統(tǒng),對監(jiān)測區(qū)域內的通行車輛進行測速.區(qū)間測速的原理如何?

提出問題2：(追問)假設甲同學駕車在里程長度為5 km的區(qū)間測速路段行駛,區(qū)間測速的超速標準為70 km/h,最終甲同學安全通過區(qū)間測速區(qū)域,那么他在行駛過程中存在超速可能嗎?

學生解答:甲同學有可能超速,因為平均速率不超過70 km/h,瞬時速率也可能超過70 km/h,仍然存在駕車安全隱患.

提出問題3：(追問)可以怎樣減小司機先加速后減速的僥幸心理,更好地保證駕駛安全?

學生解答:可以縮短區(qū)間測速的距離,設置更多的測速路段,并將區(qū)間測速與固定測速、流動測速、GPS測速補充使用.

這一教學片段包含4大步驟,10個問題,以生活中人們使用手機導航駕車出行的原始物理問題為載體,采用逐步深入的問題鏈模式,使學生思路逐步外顯,培養(yǎng)學生綜合應用多種概念解決問題的學科能力,相應的設計意圖如圖4所示.

圖4 教學步驟的進階流程圖

這一系列的問題具備出現(xiàn)頻率高(生活常見)、體驗指數(shù)高(情境熟悉)、概念占比高(考查全面)等“三高”特點,與普通高中物理課程標準中較高層次的學業(yè)水平“具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念,能從物理學的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,能靈活應用所學的物理知識解決實際問題,能有效指導工作和生活實踐.”[7]緊密契合,其中步驟2對應著點動成線的數(shù)學知識,步驟4對應著道路交通安全法律法規(guī)的踐行,將物理學科內容與其他學科形成有效聯(lián)動.

4 結束語

本文從課堂中存在的常見教學誤區(qū)入手,對“速度”及相關概念的教學活動從實然、應然、優(yōu)化3個角度進行探析,研究思路如圖5所示.“速度”一節(jié)中系列的概念與生產(chǎn)生活的聯(lián)系不可謂不密切,教師如何用好教科書,結合好生活事例,制造初中與高中對于同一概念的沖突,使學生產(chǎn)生濃厚學習興趣,帶著好奇從生活經(jīng)驗出發(fā)去探究實際問題,最后將提煉出的物理模型結合科學思維回歸真實情境進行問題解決,是檢驗學科核心素養(yǎng)是否落實的重要標準.在對課程進行設計時,教學情境的真實性決定了學生的物理觀念在頭腦中的穩(wěn)固性,問題鏈的設計亦有利于科學探究能力與科學思維的培養(yǎng).

圖5 “速度”概念教學的誤區(qū)、前沿、路徑的雙向聯(lián)動模型圖