物理概念的探究教学设计——以“加速度”教学为例

(1．内蒙古科技大学包头师范学院物理系，包头 014030；2.北京师范大学物理系，北京 100875)

在近几年全国中学物理探究教学大赛的参赛作品中，物理概念的探究教学甚为少见，一个显著的原因就是人们对物理概念的探究教学的理解与设计感到更为困难.譬如，有研究者认为：“如果探究的是规律而不是概念，探究就可以从猜想开始设计实验，得到数据后进行教学分析和讨论，最后得到验证，整个过程环环相扣，自然顺理.反之，如果是物理概念，似乎就不存在探究的问题；像有的老师所说，本节课是探究“加速度”的概念，好像有点不妥；人定的概念，还需要探究吗？”[1]那么，物理概念教学是否需要探究？探究什么？如何探究？本文试图以“加速度”概念教学为例对此展开讨论.

1 物理概念教学的探究内容

我们知道，物理概念是描述同类物理对象(如物理客体、物理状态、物理过程等)的本质属性或特征的，这些属性或特征不是由表面的观察就能直观认识的，而是需要经过反复不断的深入观察与思考才能逐步把握的，即它是需要探究的.由此，物理概念教学的探究内容首先就是物理概念所描述的物理对象的本质属性或特征，也就是我们通常所说的概念的物理内涵和物理意义.比如，“加速度”概念描述的是物体运动速度的变化快慢程度，所以，该概念的探究教学首先就是要让学生探究物体的运动，从中分辨出“速度变化的快慢”这一运动特征，建立加速度概念的物理意义.

物理概念除了具有特定的物理内涵外，还往往具有定量的性质，因此又常常需要建立其定量的表达形式.一个物理概念的定量表达可以不同的有构造方式，这里的“构造”并不是随心所欲的臆造，而是研究者通过考察相关现象的诸种要素，并基于某种观念、思维方式、数学工具等构想出来，再通过研究者之间的交流与协商，最终确定出公认的方式.这种基于现象、观念、思维方式、数学工具等等因素的构想，以及研究者的交流与协商，正是科学探究的基本性质的体现.所以，物理概念的定量表达形式也常常是教学中要探究的内容.对“加速度”概念而言，用“速度改变量与所用时间的比值”定量地描述其速度变化的快慢程度，就是可以探究的又一项内容.

2 物理概念教学的探究设计

由前文可知，物理概念的探究教学的认知目标就是：从物理现象中分辨相关物理对象的某种属性或特征，并构建其定量的表达方式.能力目标则是让学生经历探究某一物理对象的本质属性的过程，从而发展其科学探究能力.但是，如何设计探究教学，才能更加有效地实现这一目标，使学生获得科学素养的全面发展呢？

从科学探究和探究教学的本质来看，探究教学设计的基本原则是要让学生的探究符合人类探究自然的科学本质，符合学生认识自然的认知特征.

研究表明，“无论从物理学家的科学探究实践来看，还是从学生的科学探究学习来看，尽管都力争通过更加符合逻辑、更加符合客观事实的实验归纳途径得到关于物理世界的合理解释，但是由于诸多客观的、主观的、情境的因素的影响，其实际的探究进程却不可能是线性的实验归纳过程，而是必然甚至必须加入超越观察信息的、非逻辑的因素，从而导致各不相同的认知建构，形成个性化的心智模型.一个表征物理世界的潜在性质或关系的科学模型的建立不可能由单次线性的实验归纳或逻辑推理实现，而是需要对现象进行反复的、逐步深入的观察和解释，同时还需要个体之间的交流与协商.”[2]

我们认为，为了使物理概念的探究教学设计能更好地体现科学探究的认知特征，应关注以下几个要点：

(1)要以开放的形式提出指向概念所描述的物理对象的属性或特征的问题

要实施探究，首先需要提出所要探究的问题.从前文讨论可知，物理概念教学所要探究的问题首先指向该概念所描述的物理对象的属性或特征.比如，对“加速度”教学所探究的问题，我们可以这样表述：“本章研究物体的运动，之前我们已经用位移、速度概念分别来描述运动的位置变化和运动快慢的特征.那么，物体的运动是否还有新的特征需要我们用新的物理概念加以描述呢？”这样表述问题，既考虑到“加速度”概念所在单元知识的研究主题，以及相关知识所针对的问题(这体现着这些知识之间内在的联系)，又注意了问题的适度开放.为了帮助学生理解问题，可以列举具体事例对问题的含义加以说明，但不主张直白地提出“它们的速度变化快慢是否相同”、“它们的速度变化和速度变化快慢是否相同”一类的问题，因为这种问法有明确的指向性，不利于引起学生的建构性思考.

(2)要基于对真实物理现象的观察和思考来探究相关物理对象的属性或特征

物理学习的根本目的在于认识物理世界，物理学习的根本途径在于学习主体与物理世界的相互作用.因此，合理的方式应该是让学生在开放性问题的引导下去考察真实的运动现象，通过自己的观察、实验以及推断、构想，形成自己对概念所描述的物理对象的属性或特征的认识.对“加速度”概念，要探究它所描述的物理对象的属性或特征，不宜直接给出几个变速运动物体的初速度、末速度及对应时间等数据，让学生推断“谁的速度变化得快”，因为这种方式隔断了学生与物理现象之间的相互作用，规避了学生在现象观察中取舍信息、构建理解的实际过程，将所探究的物理问题异化为数学习题.

(3)对现象的考察要先从日常观察入手，再通过观察、实验逐步精密，渐次深入

学生的科学认识的形成不是靠线性的实验归纳或逻辑推证一次性地完成的，而是通过对物理现象反复的、逐步深入的观察与思考，经历多次的认知转变而实现的.学生的探究也不是起始于课堂，他们在进入课堂之前就有相关的观察经验，并由自己特有的认知方式构建了相应的理解，而他们的已有认知对后续学习会产生重要影响.让学生意识到自己已有认知中的迷思概念和不当思维方式，并通过新的观察与思考使之得到转变，对其科学认识的形成具有重要意义.因此，课堂中的探究有必要从学生的日常观察开始，然后通过观察、实验做逐步深入的观察和思考.

对“加速度”概念，这一环节的设计可以是：

①让学生对生活中常见的现象进行描述和分析.如，提出如下问题：“在多车道的十字路口，车辆遇到红灯会在各自车道上停下来.当绿灯亮起时，并排的车辆几乎同时启动并沿直线通过路口.你是否注意到，不同车辆通过路口的运动可能有什么不同呢？”(鼓励学生表述，可追问理由，但不做正误评判.)

②展示现象，让学生做定性的观察和分析.如，给学生播放飞机、赛车、摩托车比赛的视频，然后给学生布置任务：请大家用速度-时间图像描述三者的运动，解释你的描述，并比较三者的运动有什么不同.(要提示学生明确哪些结论是有充分证据的，哪些结论是有待进一步探讨的.)

③让学生进行进一步的实验研究和现象分析.如，让学生利用打点计时器，研究物体在不同倾角的斜面上的运动，根据打出的纸带，分析物体的运动，通过更有力的数据分析辨别出新的运动特征.

在不少“加速度”的教学案例中，教师会选用相关生活现象或起跑比赛视频，但却仅仅用它们说明物体的运动具有“速度变化快慢”这一特征，由此导入“加速度”概念，而没有将现象的描述与分析作为学生的探究任务.让学生进一步研究物体在斜面上的运动，借此引出“加速度”概念，这是苏州大学朱正元教授在1970年代提出的方案[3]，而这一方案鲜明地体现了物理概念的探究教学的深刻内涵.

(4)探究物理概念的定量表达方式

在学生辨别出物体的运动还可能具有“速度变化快慢”这一特征后，可以顺利地引出“加速度”概念，并向学生提出问题：结合前面的实验和以前的学习，你会用什么方式定量地描述物体运动“速度变化快慢”这一特征呢？(引导学生用各自不同的方式加以表达，与以前的速度概念的建构方式联系起来，在交流、讨论的基础上建立“加速度”的表达式.)

(5)对新建立的物理概念的定量表达形式进行必要的研讨

物理概念定量表达形式的建立并不是必然的逻辑过程，而是基于对个别情境的研究而进行的建构过程.要使物理概念具有超越个别情境的意义，能够描述同类现象的共同本质属性或特征，需要对定量表达形式所能表达的物理意义进行进一步研讨.

如，“加速度”的定量表达形式a=Δv/Δt是在研究几个直线运动速度的量值变化快慢的基础上构建的，但这一数学表达却包含了矢量性.那么，加速度的矢量性如何理解？这是需要讨论的.再者，这一表达形式只能反映Δt时间内速度变化的平均快慢程度及方向，要描述瞬时加速度，就需要Δt趋于零，这一点也需要讨论.

总之，物理概念的探究教学设计要让学生在真实的物理情境下探究物理概念所描述的物理对象的本质属性或特征，并在交流、讨论中构建概念定量的表达形式.

参考文献：

[1]官文栎．走进高中物理教学现场[J]．北京：首都师范大学出版社，2008：40．

[2]王文清．促进认知转变的探究教学模型研究[D]．北京师范大学，2012：61．

[3]朱正元．加强物理实验提倡自制教具[J]．人民教育，1978，(1)：40-43．