高中物理“速度”概念的高端备课①

(1. 首都师范大学物理系，北京　100048；2. 首都师范大学教育学院，北京　100048)

①本文系人民教育出版社课程教材研究所“十二五”课题“高中物理必修教科书中科学方法的呈现研究”(KC2014-049)阶段性成果之一.

邢红军1　胡扬洋2

高中物理“速度”概念的高端备课①

(1. 首都师范大学物理系，北京100048；2. 首都师范大学教育学院，北京100048)

①本文系人民教育出版社课程教材研究所“十二五”课题“高中物理必修教科书中科学方法的呈现研究”(KC2014-049)阶段性成果之一.

邢红军1胡扬洋2

名师简介：邢红军，首都师范大学物理系教授，博士，物理课程与教学论博士生导师.教育部全国高校教师网络培训中心特聘教授，北京市教委高师培训中心“大学教学技能”主讲教师.1986年以来，先后在《教育研究》、《课程·教材·教法》等刊物上发表论文210篇，出版著作12部.1996年被授予河南省优秀教学标兵，1997年获河南省优质课教学“特等奖”.2013年获北京市基础教育教学成果二等奖.

摘要：高中物理速度概念的引入存在“相同位移比时间”和“相同时间比位移”两种思路，研究表明，以时间作为直接比较对象是不符合学生认知规律的.在比值定义法的内涵与逻辑下，位移应作为定义速度的比较对象，而时间是比较的标准，其背后有着深刻的心理学原因.

关键词：速度；位移；优势维度；比值定义法

1教材分析

高中物理“速度”一节是高中物理教材首章“运动的描述”中的核心内容之一，也是学生学习质点、位移、坐标系之后遇到的第一个“复合”物理量.由于该节是高中物理“开局之章”的关键一节，关乎学生对高中物理学习内容与方法体系的适应和接受，以及物理学习信心的建立.因此，本节教学就很有必要彰显物理学的知识内涵、方法特征与物理思想.如何有效达成以上目标，还需要教学设计的系统思考.

怎样引入速度概念？现行教材从比较不同物体运动的快慢入手，提出一种观点：不同的运动，位置变化的快慢往往不同，也就是说，运动的快慢不同.要比较物体运动的快慢，可以有两种方法：一种是相同时间，比较物体运动位移的大小，位移大，运动得快；另一种是相同位移，比较所用时间的长短，时间短的，运动得快.认真分析上述观点，我们发现，“比较物体运动的快慢可以有两种方法”的观点虽然在物理本质层面是正确的，但这种观点却不符合物理的教学规律，也不符合学生的学习规律.

这是因为，当深入分析学生建立速度概念的认知机制时，首先需要思考学生建立速度概念时的感觉、知觉乃至表象是以位移为支撑，还是以时间为支撑？显然，学生所观察到的物体运动快慢主要是物体位移的变化，这一变化具有直观性.与位移相比较，学生对时间的感知却远远不如所“观察”到的位移变化更明显，同时也难以精确衡量.这样，就决定了速度概念定义的最佳方式只能是在相同时间内比较物体位移的大小，而不是采用位移相同，比较所用时间长短来定义的方式.

“比较要选取相同的标准”是比值定义法的根本要求，但并非比值定义法应用的首要步骤，这是在应用比值定义法定义物理量时需要明确的一点.现行教材在应用比值定义法定义速度时提出：“那么，怎样比较汽车与百米赛跑运动员的快慢呢？这就要找出统一的比较标准.物理学中用位移与发生这个位移所用时间的比值表示物体运动的快慢，这就是速度(velocity)，通常用字母v代表.”

显然，教材的这一陈述缺乏关键话语的呈现——汽车运动的快慢需要比较的对象是什么？在没有明确提出比较对象的前提下，就直接提出统一的比较标准，这就存在着逻辑断裂.

有鉴于此，对于速度这个貌似没有任何问题的物理概念定义进行重新梳理，就显得尤为必要.

2教学设计

速度概念须经由比值定义法得出已被普遍认同，但怎样在速度概念建立过程中真正体现出比值定义法的精髓，还需要认真研究.以下是体现比值定义法逻辑并彰显速度特征的教学设计，共分为两个教学环节.

2.1通过直接比较两质点的位移来定义速度

为什么要以位移作为直接比较的对象来定义速度而非把时间作为直接比较的对象？这是因为，如前所述，位移与时间虽然都可以作为直接比较的对象，但是位移与学生观察到的运动现象联系更为紧密、更为直观，而时间则不易直接感知.因此，把位移作为速度大小的直接比较对象就顺理成章.

具体来说，在高速公路上，汽车在2s内行驶了56m，百米赛跑运动员在10s内跑完了100m全程，谁的“速度”更大？显然，直接比较两者位移的结果是，高速公路上行驶的汽车反而比百米赛跑的运动员运动的慢(56m<100m).针对这一佯谬，教师可以引导学生分析原因：导致直接比较位移出现错误的原因是没有选取相同的时间标准.于是，解决问题的方法就是在比较时选取相同的时间标准.

2.2选取相同的时间标准继续比较两质点的位移来定义速度

按照这一思路，汽车位移与时间的比值为27.8m/s，人的位移与时间的比值为10m/s，显然，汽车在高速公路上行驶的速度比百米赛跑运动员的速度更快，这样，位移与时间的的比值与我们的日常经验就达成了一致，于是速度概念得以定义.

由速度概念的定义可以引申出对教学的思考，这就是物理概念的定义需要遵循内在的逻辑，也就是要符合物理学科内涵与学生学习规律的双重要求.如前所述，现行教材在教学伊始就呈现两条路线，对学生造成了信息的庞杂与干扰，这就有违教学逻辑的简约性.尔后在关键环节缺失了“比较要选取相同的标准”的比较对象，有违教学逻辑的完整性.这个似乎并不起眼的问题，实则反映了教材编写者对比值定义法本质的理解有所缺憾，从而可能导致学生学习过程逻辑思维环节的缺失，这是应当加以指出的.

3研究讨论

从心理学的角度看，速度是一个基本且重要的科学概念，其定义是位移与时间的比值，即v=s/t.这在成人看来可能是个很简单的概念，但对儿童来说却并非如此.儿童最早产生的速度概念并非以度量形式出现，而是以序数形式出现的[1].首先提出这个观点的是瑞士心理学家皮亚杰，他认为儿童对于速度的理解有种“超越”的直觉，即若某运动物体前一段时间落后于另一物体，而后一段时间却超越了后者，儿童会认为超越物体的速度大于被超越物体的速度，若运动物体始终落在另一物体之后，儿童就认为它的速度一定比另一物体的速度小.也就是说,儿童在判断运动快慢时表现出明显的位置决定论倾向，他们关注的是物体位置的前后顺序，因而儿童早期的速度概念是以序数形式出现的，直到10～11岁时才能达到度量形式的水平.皮亚杰之后，国外的学者Cross和Pitkethly[2]以及我国台湾的学者黄湘武[3]、王幸雯和简淑真[4]对儿童速度概念的发展进行了拓展性的研究.

最新研究表明，在速度概念的获得中，位移概念处于优势维度，时间概念处于非优势维度.这在其他一些强度量概念的研究也有类似的发现.对于组成强度量的两个广延量，学生对待的程度是不一样的，确有优势维度和非优势维度之分，比如，组成密度概念的质量和体积，质量之于体积就是优势维度.也就是说，儿童在判断运动快慢时表现出明显的位置决定论倾向[5].因此，在速度概念定义中只能采用位移与时间的比值，而不能采用时间与位移的比值，其实有着深刻的心理学背景，这是我们在进行速度概念教学中需要认真考量的.

参考文献：

[1] J·皮亚杰，B·英海尔德著，吴福元译.儿童心理学[M].北京:商务印书馆,1980.

[2] Cross, R.T., & Pitkethly, A. Speed, Education and Children as Pedestrians: a Cognitive Change Approach to a Potentially Dangerous Naive Concept. Inter. Journal of Science Education, 1988, 10(5): 531-540.

[3] Hsiang-WuHuang&Hui-Ting Chang.A Study of Chinese Student’s Conceptual Developmenton Motion. International Conference Physics Teacher Education beyond 2000 PHYTEB, Barcelona, 2000 August 27 to September 1, Department of Physics, Taiwan Normal University.

[4] 王幸雯,简淑真.儿童速度概念发展之研究[C].第十八届科学教育学术研讨会论文汇编.2002,台湾科学教育学会、彰化师范大学科学教育研究所.

[5] 吴娴,赵光毅,罗星凯.一项关于低年级儿童速度概念发展的研究[J].广西师范大学学报(哲学社会科学版)，2005，41(1)：95-98.

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