基于核心概念建構的教學設計與探討

摘 要：本文以“速度變化快慢的描述——加速度”一節為例，指出教師在教學過程中可從核心概念的地位、學情、目標等方面深度分析教學內容，并按照情境導入、深度解構、有效比較、探究圖像和總結升華等環節來組織教學，促使學生建構核心概念，落實學生學科素養培養和關鍵能力發展。

關鍵詞：核心概念；加速度；教學設計

發展學生的核心素養是課程改革的基本目標，“是學科育人價值的集中體現”^［1］，也是教學設計的落腳點。“在中學物理教學中，使學生形成清晰的物理概念，并使他們的智力、能力得到充分的發展，是教學的核心問題，也是培養物理學科核心素養的關鍵。”^［2］核心概念是位于物理研究主軸上的概念。在培養學生核心素養的過程中，教師要注重引導學生建構核心概念，并以相關概念為結點搭建物理知識體系，厘清核心概念和與其相近、相關概念之間的區別與聯系，提升學生對物理的體系化認識，為后續學習奠定基礎。對諸多物理情境而言，核心概念是有效解釋的關鍵詞；而且其相關概念的作用和價值也超越課堂，能夠向學生的生活延伸。“從知識認知角度來說，核心概念是居于學科中心，具有超越課堂之外的持久價值和遷移價值的關鍵性概念。”^［3］核心概念建立的背后也蘊含著大量的科學方法和思想，這些方法和思想是培養學生核心素養的重要土壤。因此，在教學過程中，教師不僅要讓學生研究相關概念的內涵和外延，也要引導學生體會隱含在概念建構過程中的思想和方法，以此提升學生的相關素養。本文以“加速度”這一核心概念的教學為例，以“加速度”為結點，促進學生深入理解加速度、速度、速度變化量等物理量之間的聯系，也為后續學習勻變速直線運動、向心加速度等內容做鋪墊。

1 教學內容分析

“速度變化快慢的描述——加速度”一節是人教版高中物理必修第一冊“運動的描述”一章的最后一節。就高中物理的教學內容而言，“加速度”應該是學生進入高中階段之后接觸到的一個難度較大的概念，其抽象性相對較強，雖然在生活中也有體現，但是學生卻很難自發地將其提煉出來。這就需要教師有策略地組織、引導學生聯系感性素材進行總結，從而形成對加速度這一物理概念的理解。

就整個高中物理的學習而言，加速度是聯系力學和運動學的橋梁，是研究動力學問題的基礎，其重要性不言而喻。它是動力學體系中最重要的核心概念之一。本節內容安排在“位置變化快慢的描述——速度”一節之后，學生已經建立了“速度”的概念，并且在實驗中感受過速度變化的場景，也能夠結合速度—時間圖像描述速度的變化。在此基礎上，教師能較為簡單地引導學生探索速度變化的快慢。

學生在學習本節內容時，重點任務是全方位理解“加速度”這一核心概念，突破錯誤前概念，正確理解加速度的物理意義，明白加速度描述的是速度變化的快慢。這里的“快慢”不是速度的快慢，而是速度變化的快慢。教師引導學生分析“速度”“速度的變化量”“速度變化快慢”“加速度”等概念之間的關聯和差異，同時要求學生結合圖像來研究加速度，理解在圖像中如何表征加速度，并據此來分析物體的運動過程，從而促進學生對“加速度”這一核心概念的深層次理解和認識。

2 教學流程設計

“物理教學離不開真實的物理情境，情境應凸顯本學科的‘共同屬性’和‘本質特征’。”^［4］物理核心概念教學更離不開真實的物理情境。為了破除學生的錯誤的認知前概念，促進學生正確建構核心概念，教師應該創設真實的物理情境，并基于該情境設置問題和任務，驅動學生思考。按照“制造沖突，引發思考；設置問題，引入概念；層層剖析，建構概念；概念辨析，認清本質；應用概念，升華認知”等環節組織學生進行學習。

2.1 制造沖突，引發思考

學生在學習加速度之前已經學習了“速度”，知道“速度”是描述物體運動快慢的物理量。關于物體運動的快慢和速度的變化，學生也累積了不少感性經驗，但這些經驗是雜亂的，甚至存在理解錯誤。只有破除前概念，學生才能順利建構新的科學概念。破除前概念最有效的方法就是制造認知沖突，引發學生思考，以思考促進知識和認知重構。“加速度”這一核心概念的教學，需要幫助學生理順對“快慢”的理解，破除學生的一些理解誤區。教師可設置如下問題引發學生思考。

問題1 短跑運動員與戰斗機進行50米競速比賽，運動員能贏嗎？

在學生討論、回答后，教師并沒有急于給出評價，而是播放了中央電視臺《加油！向未來》欄目中男子短跑運動員與山鷹教練機賽跑的視頻，讓學生通過觀看視頻得到答案。

設計意圖：真實的視頻和顛覆學生認知的比賽結果，讓學生感到震撼和疑惑。短跑運動員贏得競速比賽的結果與學生原有認知不同，讓學生產生了認知沖突，引發學生思考。

問題2 運動員能達到教練機起飛時的速度嗎？在50米競速比賽中誰的速度增加得多？誰的速度增加得快？如果運動員和教練機進行100米比賽，結果會如何？

學生通過獨立思考和互相討論，能夠回答上述問題。

設計意圖：教師通過視頻情境，設置層層遞進的問題鏈，引導學生認識到“速度快慢”和“速度變化快慢”有所不同，平均速度快速度變化未必快等。這一系列問題將為后續歸納出速度變化快慢的本質特征以及建構“加速度”這一核心概念奠定基礎。

2.2 設置問題，引入概念

教師基于視頻中運動員、教練機、轎車加速過程的真實情況設置數據，提出問題引導學生思考。具體數據設置如表1所示。

為了方便學生比較，表中運動員和教練機加速過程位移為50m，而轎車加速和減速過程的位移都不是50m。教師設置進階問題引導學生深入思考，從而為后續理解加速度的物理意義奠定基礎。具體問題如下。

問題3 加速過程中誰的速度變化最大？

問題4 加速過程中誰的速度變化最快？誰的速度變化最慢？

問題5 轎車加速和減速過程中哪一過程速度變化更快？

問題6 運動員加速過程和轎車減速過程比較，誰的速度變化更快？

設計意圖：通過提出問題3～6，引導學生思考，促進學生建構比較速度變化快慢的模型。對于問題3和問題4，速度變化快慢的比較可以通過比較速度變化量的大小和用時得出結論。在加速過程中，運動員速度變化最大且用時最短，轎車速度變化最小且用時最長，所以運動員速度變化最快，轎車速度變化最慢。對于問題5，轎車的加速和減速速度變化量相同，減速階段用時更短，故減速過程速度變化更快。對于問題6，運動員和轎車速度變化量不同，用時也不同，且速度變化大的用時長，因此無法用分析問題4和問題5的方法解決。學生討論后，提出利用計算1秒時間內的速度變化量來比較速度變化的快慢。通過這幾個進階問題，學生思維逐漸深入，觸及概念的本質。學生能感受到以前學過的物理量，包括速度、速度變化量等都不能描述速度變化的快慢，需要引入一個新的物理量來描述速度變化的快慢這一特征。這使得加速度概念的引入水到渠成，且為加速度的定義、計算以及物理意義的理解等奠定基礎。

2.3 層層剖析，建構概念

教師引導學生對情境問題進行層層剖析，可使核心概念的建構順其自然，學生對概念的理解更通透，運用時會更加得心應手。加速度概念的建構可以基于前面的情境，設置進階問題鏈來引導學生層層分析。具體問題如下。

問題7 計算表1中各物體單位時間內的速度變化量。

學生計算后得到各物體1秒時間內的速度變化量：運動員1.76m/s，教練機1.45m/s，轎車（加速）0.83m/s，轎車（減速）3.33m/s。

問題8 單位時間內的速度變化量能夠反映速度變化的快慢，請嘗試將其定義為一個物理量。

在問題7的計算中，學生已經知道單位時間內的速度變化量是用速度變化量除以所用時間，這是生活中和數學上常見的變化率計算方法。有學生將其稱作“速度變化率”。教師順著這一思路進行分析，得出“速度變化率”的概念、定義式、性質（矢量性、方向）以及物理意義。

問題9 我們定義的“速度變化率”這一概念名稱太長，沒有得到廣泛認可；物理前輩們采用的名稱是什么？請閱讀課本回答。

通過查閱課本，學生能夠實現物理概念從“速度變化率”到“加速度”的轉化和升級。

設計意圖：通過讓學生計算不同物體在加速或減速階段單位時間內的速度變化量，教師強化了學生在生活中和數學上所認知的“變化率”的概念，并將其遷移到新概念的定義中。定義新物理量時，教師首先基于學生已有的知識和經驗，將其定義為“速度變化率”，以此為支點，幫助學生順利構建“加速度”的概念，降低了學生學習的難度。教師讓學生計算的問題情境中有加速過程也有減速過程，且先引入“速度變化率”，幫助學生正確理解“變化”——增加、減少都可能。避免了學生想當然地認為“加速度”只描述加速運動，也避免學生創造“減速度”來描述減速運動。

2.4 概念辨析，認清本質

對學生來說，“加速度”是一個相對陌生的概念。由于名稱上的相近，他們很容易將其與“速度”“速度的變化量”這2個概念混淆，從而導致錯誤的認識。因此，教師在教學過程中，要引導學生加強比較，以此來幫助學生理解概念的本質。教學中，教師可讓學生完成表2，對這3個物理量進行辨析。

設計意圖：通過概念辨析，比較相近概念的物理意義、定義式、決定因素、方向，梳理它們之間的關系，可以讓學生更深入理解“加速度”這一物理量的本質。

2.5 應用概念，升華認知

應用新概念解決物理問題是促進學生透徹理解概念，認知升華的重要手段。對“加速度”這一重要的核心概念，學生在學習中困惑多、障礙多。教師有必要在課堂上結合具體場景給學生呈現系列進階習題任務，讓學生熟悉概念內涵和基本公式，尤其是強化學生對加速度矢量性的理解。

例1 下列描述的運動場景中，可能存在的有（" ）。

A. 物體的速度變化量很大，但加速度卻很小

B. 物體速度變化量的方向為正，但加速度方向卻為負

C. 物體的速度變化越來越快，但加速度卻越來越小

D. 物體的速度越來越大，但加速度卻越來越小

例2 火車的速度從10m/s增加到30m/s，所用時間為400s，請計算其加速度為多少。

例3 現有一物塊從固定的光滑斜面上某點以4m/s的速度向上滑，經過4s后物塊沿斜面下滑的速度大小為8m/s，求該過程中物塊的加速度。

例4 分別建立坐標系作出例2中火車和例3中物塊運動的速度—時間圖像，并說明圖線截距、斜率、與橫軸所圍面積的含義。

設計意圖：例1到例4，問題分析上從定性到定量，難度逐漸增大。例1為概念辨析題，強化學生理解速度變化量與加速度的大小關系、方向關系，速度變化大小、變化快慢與加速度的關系，強化對概念本質的理解。例2為計算加速度的問題，相對簡單，學生出錯的概率較小。即使學生沒有選取正方向，也能算出正確結果。例3相對復雜，如果學生不重視加速度的矢量性，沒有選取正方向，那么學生必然會得到錯誤結果。通過例3，可強化加速度計算的規范性，加深學生對加速度矢量性質的理解。例4讓學生作出物體運動的速度—時間圖像，將上一節學習內容應用到新知識的學習中，強化知識之間的聯系，也提升了問題的綜合性。

3 教學后記

核心概念對學生的后續學習有著非常重要的作用，但是學習難度較大。由于概念高度概括和濃縮的特點，其具有很強的抽象性，是學生在概念學習時不可忽視的障礙，學生不理解物理概念及其內涵已成為物理學習中的一種普遍現象。^［5］如果對概念的理解存在缺陷，相關問題在初學階段可能還不明顯，但隨著學習的深入，就會愈發突顯，并且到了學習后期，想要彌補這些漏洞將會非常困難。所以，在學生第一次系統化學習概念時，教師就要妥善進行設計，要結合學生的生活經驗，充分利用多樣化的教學手段，多角度地引導學生認識并理解概念。教學設計過程中，教師不但要引導學生深入地把握概念的內涵，同時還要激起他們的認知興趣，提升他們的內驅力，并引領學生深度發掘隱含在物理知識中的科學思想和方法，為以后的學習奠定基礎。為了讓學生更好地建構核心概念，教學設計需要注意以下幾個方面。

3.1 重視核心概念的地位

教師需要充分認識到核心概念在高中物理知識體系中的重要地位，認識到其對學生后續學習新知識和建構完善知識網絡的重要性。一方面，教師要花費更多精力完成教學設計，追求教學過程精益求精；另一方面，教師重視的態度會感染學生，使得學生更加重視對核心概念的學習，更有韌勁去突破學習中的疑難。

3.2 準確把握學生的前概念

學生在學習核心概念之前一般都有前概念，其中不少是錯誤的，錯誤的前概念會成為學生準確建構科學概念的障礙。教師只有找準學生錯誤的前概念，制造認知沖突，引發學生認知矛盾，破除錯誤的前概念，才能幫助學生順利建構正確的概念。

3.3 重視物理情境創設

對學生而言，物理核心概念的學習抽象難懂、障礙多。通過創設物理情境，激活學生已有的生活經驗，引導他們從感性認識上升到理性認識，從具體事物抽象出普遍規律，這樣才能更有效地為學生搭建起建構正確概念的支架，從而降低學生學習物理核心概念的難度。

3.4 多設計進階型問題和任務

核心概念教學是教學中的難點和重點。越是難，越是重要，越需要學生充分發揮主動性，調動自身學習的積極性，從而突破重難點，取得好的教學效果。在教學設計中，應多設計進階型的問題和任務，給學生思考的契機，通過問題和任務驅動學生學習，使學生思維逐漸向深處拓展，實現對知識的透徹理解。

參考文獻

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