高中物理概念转变教学研究——以“运动快慢的描述——速度”的教学设计为例

黄端文

(浙江省景宁中学 浙江 丽水 323500)

基于认知主义学习理论、建构主义学习理论、科学哲学发展而来的概念转变理论，对于当前的高中物理概念教学具有重要的指导意义.相关研究表明，学生的概念学习是一个发展过程，学生头脑中的前科学概念在这个过程中占据重要的影响.著名教育心理学家奥苏贝尔曾说，“假如让我把全部教育心理学仅仅归结为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之曰：影响学习的唯一重要因素就是学习者已经知道了什么.要探明这一点，并据此进行教学.”物理概念教学在很大程度上应该依靠学生头脑中原有的前科学概念，通过概念的转变，形成科学概念，但目前运用概念转变对高中物理教学进行教学设计还很少见到，这一案例是想引起广大高中物理教师对概念转变在教学中的应用给予关注.

1 教学设计思路

在教学过程设计中，主要采取“问题情境引入、探测已有概念、产生认知冲突、解构迷思概念和建构科学概念、形成新的认知平衡”的概念转变教学策略.整节教学内容是“速度(平均速度和瞬时速度)”(注：人教版教材本节的内容安排是“坐标与坐标的变化量”、“速度”、“平均速度与瞬时速度”).

对于“速度”这一内容，具体的设计思路是：通过问题情境引入“速度”的学习任务；通过学生完成的关于“速度”的概念图和二段式测验情况来探测学生已有概念；呈现问题情境和小组讨论促进学生产生认知冲突；以学生的前概念为切入点，进一步强化学生的认知冲突，对已有的概念产生不满，教师在此基础上解构迷思概念,所谓“迷思概念”就是头脑中存在的与科学概念不一致的认识.通过有效策略引导学生解决认知冲突，帮助学生建构科学概念；进而结合前面所学知识引导学生辨析平均速度和瞬时速度，最后通过课堂形成性练习促进学生形成新的认知平衡，完成概念转变.

2 学习者分析

一般而言，高一学生在经历了初中阶段的学习后，思维能力得到了较好的发展，抽象逻辑思维逐渐取代形象思维占据主要地位.学生的一般特征主要表现为以下几个方面：

(1)学生能够按照探究性学习的过程利用假设思维进行学习；

(2)学生在学习过程中自我调控能力得到了进一步加强，学习过程更加具有目的性；

(3)在某种程度下学生思维不再是“抱残守缺”，而是较为容易接受新事物；

(4)学生学习动机由兴趣支撑逐渐转变为由意志支撑，学习的目的性更加明确；

(5)学生之间的交流对于学生学习具有一定的影响.

关于“速度”的学习，学生在初中阶段科学学科中所接受的定义是，单位时间内通过的路程.这与高中对于“速度”的定义截然不同，学生虽然通过初中阶段的学习具备了一定的基础，但这个基础里大部分仍然是迷思概念.如何将初中阶段所接受到的关于“速度”的迷思概念转变为科学概念，达到一个新的认知平衡是本节课的一条主线.同时也应该认识到学生在初中阶段的学习以及前面关于“位移”、“路程”的学习为本节课奠定了一个很好的基础.

本节课可能存在的问题有两个，一是学生根据初中阶段的学习积累对于“速度”难以产生正确、客观的认识，其中所存在的迷思概念需要在教学过程中进行转变；二是学生对于“平均速度”、“瞬时速度”两个概念可能会有所混淆，教师应该利用课堂呈现的问题情境引导学生进行有效区分.

3 学习任务分析

“运动快慢的描述——速度”是人教版高中《物理·必修1》模块第一章“运动的描述”中的第三节内容.这一节内容涉及到的具体概念较多，本节课的主要内容在于正确理解“速度”(包括“平均速度”、“瞬时速度”)并学会运用这些物理概念，分一课时进行.物理学中，要比较物体运动的快慢有两种方法，一种是位移相同，比较物体运动所用时间的长短，时间短的物体运动得快；另一种方法是时间相同，比较物体运动位移的大小，位移大则代表物体运动得快些.但是为了寻求一个统一的标准，一般用速度这一物理量来描述质点运动的快慢和方向，其大小等于位移与发生该位移所用时间的比值，方向就是物体运动的方向.高中物理关于速度的定义与学生在初中科学中所接触的定义不一样，初中科学将“单位时间内通过的路程的多少”定义为速度，初中的这一定义没有全面、客观地反映速度的物理本质，不能凸显速度具有矢量性.与速度容易混淆的速率其实是瞬时速度的大小，速率也可以等价于路程的变化率(其实初中关于速度的定义是对平均速率的定义)，即运动物体经过的路程与发生这段路程所用时间的比值，速率只有大小而不具有方向，因此是一个标量.值得一提的是,平均速度的大小并不等于平均速率，若质点做往返直线运动或圆周运动，平均速度为零，平均速率却不为零，在单向直线运动中，平均速度的大小等于平均速率.因此,将学生初中所接受的关于速度的概念转变成高中关于速度的科学概念,是课堂中的概念转变教学的重点.

重点:速度的概念(包括平均速度与瞬时速度的理解及区分).

难点：平均速度与瞬时速度的区别与联系.

4 教学目标

4.1 知识与技能

(1)解释速度的概念，能够概括速度的定义、公式、符号、单位和物理意义.

(2)解释平均速度、瞬时速度的定义并学会辨析.

(3)能够说出速率的概念并辨认速度与速率.

4.2 过程与方法

(1)在概念转变的教学过程中形成全面、正确的关于速度的概念.

(2)通过平均速度引出瞬时速度的过程，锻炼使用极限思维法.

(3)通过对平均速度与瞬时速度、速度与速率的区别和分辨，学会运用辨析的方法.

4.3 情感态度与价值观

(1)对速度全面正确地解释来积极培育自身科学严谨的态度.

(2)积极将自己的观点及见解与老师、同学进行交流.

(3)通过本节课的学习尝试体会物理学中蕴含的对立统一美.

5 教学准备

师：写出自己关于速度的定义，即你认为速度是什么？回顾上节课所学的“路程”和“位移”、“矢量”和“标量”的内容并将其写出.

教师准备多媒体课件(包括关于台风登陆的动画)，在教学过程中将抽取若干学生回答问题.

6 概念转变的教学过程设计

6.1 问题情境引入

问题情境：呈现演示文稿如图1所示，问题：台风位于中国东海，3个时间点台风的中心位置分别位于A，B，C这3点，为了知道台风何时登陆温州，我们还要知道什么信息？

图1 台风位置

学生小组讨论后请学生回答，由此引入学习任务——“速度”，教师根据学生的回答请学生填写以下概念图.

6.2 探测学生已有概念

概念图是一种表征、检查、修正、完善知识的认知工具，它把知识高度浓缩，将各种概念及其关系以类似于人脑对知识储存的层级结构形式排列，清晰地揭示了意义建构的实质[1].因此要有效探测学生已有概念，概念图是一种有效途径，如图2所示.

图2 “速度”概念图

为了更好地收集学生的前概念，案例中还采用了“速度的二段式测验”，具体如下.

(1)某人爬山，从山脚爬上山顶，然后又从原路返回到山脚，上山的平均速度为v，下山的平均速度也为v，则全程往返的平均速度大小是

A.vB.零

你选择了上题的答案，原因是

B.由于全程的位移为零，所以全程的平均速度也为零

C.其他答案，请具体说明____________

(2)如图3所示，A,B是两朵花所在的位置，两点的直线距离为3 m，图中曲线所代表的是一只蜜蜂的飞行路线.蜜蜂在A位置的花采蜜后在30 s时间里沿曲线飞行9 m到达B朵花所在位置进行采蜜，请问在此情形下蜜蜂的平均速度为

图3

A.0.1 m/s B.0.3 m/s

C.0.1 m/s方向为A指向B

你选择了上题的答案，原因是

D.其他答案，请具体说明________________

(3)如图4所示，一辆汽车绕矩形路线运动，假定车内速度计一直显示为30 km/h，在汽车运动的过程中，请问每一时刻速度都一样吗

A.是 B.不是

图4

你选择了上题的答案，原因是

A.题中速度大小一直不变，因此速度一直不变

B.速度具有方向，速度大小相等，但是速度方向会发生变化

C.其他答案，请具体说明____________

通过上述概念图和二段式测验，教师可以由学生完成的情况较为全面地了解学生的前概念，同时也有利于学生回顾和整理已有的知识(前概念).

6.3 产生认知冲突

教师引导学生重新回答台风问题，提问学生:要是知道台风每小时运动多少距离，气象台能否提前预报台风何时到达温州？(请学生进行小组讨论，这样更加有利于认知冲突的产生)

讨论后请学生回答，预设若学生回答能提前预报，教师提问:若台风在C点或者C点之后方向发生改变怎么办？持这一答案的学生开始产生认知冲突.若学生回答不能提前预报，教师提问:台风每小时运动多少距离不就是你们在概念图中所填写的“速度”吗？为何知道了台风的“速度”还不能提前预报？持这一答案的学生也开始产生认知冲突.

6.4 强化认知冲突 解构迷思概念

为了使认知冲突更加强烈，在前一个问题情境的基础上引入以下两个问题情境.

教师提供的第一个问题情境是“家访问题”.如图5所示，张强家和李明家距离学校都是15 km，张强家位于学校的正北方向，李明家位于学校的正东方向.张强和李明在同一个班，现在班主任林老师要去家访，已知林老师的轿车每小时能行驶60 km，林老师中午12点从学校出发，我们可以推测出12时15分林老师到达李明家，提问学生这样的推测对吗？

图5 家访问题

图6 走私船问题

另一个问题情境如图6所示，有一走私船出现在我国某海域，我方军舰在接到上级指示后立即展开行动，为了较好地阻止走私船的前进，我方军舰决定采用水炮进行打击.假设两船在运动过程中保持相对静止，走私船在我方军舰东北方，请问我方军舰在设定水炮“速度”后能够准确打到走私船吗？

6.5 解决认知冲突 建构科学概念

正如前文所述，学生通过讨论产生了认知冲突. 针对以上3个问题情境所产生的认知冲突，解决的策略分别如下.

台风问题：在学生产生认知冲突的前提下教师再次引导学生分小组讨论，讨论后请各小组代表回答如何有效解决这个问题，此后教师进行针对性讲解.

家访问题：教师进行针对性讲解，在讲解过程中突出问题矛盾所在并且提出解决的办法，从而有效解决这个问题.

走私船问题：教师可以请两位对该问题持肯定答案的学生进行课堂模拟演示，一位学生模拟我方军舰，另一位学生模拟走私船，并请模拟我方军舰的学生伸出手臂持水平方向代表水炮.通过学生的亲身模拟体验真切感受到只设定速度的大小无法有效打击走私船，更重要的是还要设定水炮射击的方向.

教师小结：若是像初中科学所学的那样，“速度”等于路程除以时间，以上问题我们仅仅知道“速度”还不能够解决，因为台风问题中的台风运动方向、家访问题中林老师的开车方向、走私船的题中水炮的打击方向我们不清楚，问题也就不能解决.

教师讲解：其实现实生活中很多问题都与我们刚刚接触到的问题类似，除了知道物体速度的大小，还需要知道物体运动的方向.因此有些学生之前认为“速度等于路程除以时间”是片面的，只知其一不知其二，我们今天就来全面认识一下速度(教师的讲解有利于解构迷思概念，为下一步建构科学概念做好铺垫).

教师提问：我们应该如何定义速度，才能在上述的台风问题中，只要知道台风的速度就可以马上预报台风何时到达温州？

为了让学生理解新的科学概念能够适用更大范围，教师可以将新概念放置前文所述的问题情境中，条件允许的情况下还可以引入新的问题情境，通过新概念去解决.通过这一步骤科学概念得以初步建构，教师进行进一步讲解，明确速度的矢量性后总结并板书(略).

6.6 辨析平均速度与瞬时速度 完成概念转变

教师提问：假如我们将时间间隔Δt取得更小一些，那么从t到t+Δt内，物体运动快慢的差异也就更小一些.那么Δt可以取到无穷小吗？

教师呈现人教版教材第17页“说一说”中的故事，学生通过这个故事仔细体会瞬时速度与平均速度的区别与联系.

学生完成一定的课堂练习后，教师再次进行总结，促使学生形成新的认知平衡，完成概念转变.

7 形成性评价

(1)坐标与坐标的变化量

物体沿直线运动，并以这条直线为x坐标轴，这样，物体的位置就可以用______来表示，物体的位移就可以通过坐标的______来表示，Δx的大小表示位移的______，Δx的正负表示位移的______.

(2)速度

表示质点运动______和______的物理量.

1)定义：质点的位移跟发生这段位移所用时间的______.

2)定义式：v=______.

3)单位：______、______、______等.

4)矢量性：速度的大小用公式计算，在数值上等于单位时间内物体位移的大小，速度的方向就是物体的______.

(3)平均速度

1)定义：在变速运动中，运动质点的位移和所用时间的比值，叫做这段时间内的平均速度，平均速度只能______地描述运动的快慢.

2)理解：在变速直线运动中，平均速度的大小跟选定的时间或位移有关，不同______或不同______内的平均速度一般不同，必须指明求出的平均速度是哪段______或哪段______内的平均速度.

(4)瞬时速度

1)定义：运动质点在某一______或某一______的速度叫做瞬时速度.

2)理解：a.直线运动中，瞬时速度的方向与质点经过某一位置时的______ 相同.

b.瞬时速度与时刻或位置对应，平均速度跟______或______对应.

c.当位移足够小或时间足够短时，认为平均速度就等于______ .

d.在匀速直线运动中，______和瞬时速度相等.

(5)速率

速度的______叫做速率，只表示物体运动的______，不表示物体运动的______，它是______量.

A．24 km/h B．35 km/h

C．36 km/h D．48 km/h

(7)短跑运动员在100 m比赛中，以9 m/s的速度迅速从起点冲出，到60 m处的速度是9 m/s，10 s末到达终点的速度是10.5 m/s，则运动员在全程中的平均速度是

A．9 m/s B．10.2 m/s

C．10 m/s D．9.1 m/s

(8)(2010年海口市高一检测题)下列关于平均速度和瞬时速度的说法正确的是

B．匀速直线运动的平均速度等于瞬时速度

C．瞬时速度和平均速度都可以精确描述变速运动

D．只有瞬时速度可以精确描述变速运动

(9)傍晚,张明在学校400 m的跑道上从跑道起点出发开始绕环形跑道散步，2 min后回到起点，则张明在这段时间内的平均速度是______，平均速率是______.

对于“运动快慢的描述——速度”这节课而言，概念转变的教学策略与其他教学策略相比具有很强的优越性.整节课是在充分探测学生已有概念的前提下引导学生产生认知冲突，进而运用解决认知冲突的策略帮助学生解决认知冲突，解构迷思概念，完成由迷思概念向科学概念的转变，整个教学过程中，学生的主体地位得到了充分的尊重.高中物理关于速度的科学定义并不是强制性地灌输给学生，而是在概念转变的教学过程中逐渐被学生欣然接受，因而整节课的重点得到了很好的落实.

参考文献

1 蔡铁权,姜旭英，胡玫.概念转变的科学教学.北京:教育科学出版社,2009.129