基于促进学生物理概念形成与发展的教学实践

左祥胜

1问题的提出

加速度是力学中的重要概念，也是物理学中难懂的概念之一.在学生以往的生活实践中，与加速度有关的现象描述并不多，这给学生理解加速度概念带来了一定的困难.赵凯华和罗蔚茵教授在《新概念物理教程·力学》中就明确指出：“这是人类认识史上最难建立的概念之一，也是每个初学物理的人最不易真正掌握的概念.”笔者在教学中从学生已有的认知结构出发，通过创设问题情景，激发学生的认知需要；利用认知冲突，消除学生的迷思概念；运用类比法并结合数学工具的教学方式来促使学生认知结构的发展，收到了良好的教学效果.

2认知结构发展的心理机制

认知心理学认为：学生新知识或新结构的形成实际上是一种建构过程.当个体已有的图式不能解决面临的问题情境时，就产生了一种不平衡状态，个体很自然通过同化和顺应日益复杂的环境而达到新的平衡.个体就是在平衡与不平衡的交替中不断建构和完善其认知结构，实现认知结构的发展.因此，教学中教师应根据学生已有的认知结构，通过设置恰当的问题情境，让学生在心理上暂时处于一种不平衡的状态，这种不平衡会使学生产生一种自我调节的内驱力，从而优化自己的认知结构.

3基于促进学生认知结构发展的教学设计

3.1教学目标

（1）理解加速度物理量意义，了解加速度的定义、定义式和单位.

（2）了解加速度的矢量性，会根据速度与加速度方向的关系判断物体运动性质.

（3）经历加速度概念建立过程，体会比值定义法在科学探究中的应用.

3.2教学重点

（1）经历加速度概念的建立过程，在生活中准确地使用加速度的概念并能计算出物体加速度的大小.

（2）能用v-t图象计算加速度的大小，体会数学在物理教学中的重要作用.

3.3教学难点

加速度概念的建立.

3.4教学实施过程

（1）创设有效问题情境，让学生产生认知需要，呼唤引入新的物理概念

问题情景（师）：同学们，在初中我们学过物体做匀速直线运动，即在相同的时间内通过位移都相等.自然界中，做匀速直线运动的物体是很少见的，大部分物体都在做变速运动.同学们能举出几个做变速运动的例子吗？

生：物体自由下落、运动员起跑、汽车起动、汽车刹车、足球在地面上滚动、骑自行车下坡…….

师：同学们回答很好，是生活中有心人.这也从另一方面说明自然界中做变速运动的物体是非常常见的.

师：不知同学们有没有这样的感受：当我们骑自行车或者乘公共汽车上学时，当车到站时，车子可以平稳的停下来；有时不可避免地遇到紧急情况需要急刹车，同学们能回忆起当时的情景吗？

生：（教室里顿时炸开了锅，学生热情高涨）身体向前倾斜、与座椅挤压、人站立不稳…….

师：同学们的感受都很真切.现在我们来思考这样的一个问题：在这两种情景下，车子的速度都是从某一值变化到零，车子的速度大小变化相同吗？

生：相同.

师：我们为什么两次感受却大相径庭呢？

生：虽然两次车的速度变化大小相同，但一次是缓慢停车、一次是急刹车，两次所用的时间不一样（有的学生甚至能说出两种情况下车子速度变化快慢是不一样的）.

师（总结）：自然界中，不同的物体运动的具有不同的速度，即使是同一物体，速度变化快慢也不相同.那么，我们如何来描述物体速度变化快慢呢？

设计意图加速度是物理学中极为抽象的概念.学生对加速度认识的快慢，与如何引入加速度概念有着密切的关系.教学中先让学生从生活熟悉的实例中定性地认识到：自然界中，做变速运动的物体是常见的，而且物体运动的速度变化快慢不同，使学生意识到引入加速度概念的必要性，同时也彰显课程标准中“从生活走向物理”的新课程理念.

（2）激活已有认知结构，让学生在同化与顺应中完成对新的物理概念的认知

师（问题情景）：表1给出四种物体的运动情况，请同学们思考下列问题：

①小型轿车与普通列车相比，谁速度变化得快，谁速度变化得慢，你是如何判断的？

②飞机与列车相比呢？

生：问题①，小型轿车速度变化快.因为小型轿车与普通列车速度变化量相同，小型轿车经历时间短，所以速度变化快.

问题②，列车速度变化快，虽然它们速度变化量与发生这一变化所经历时间不相同，但是可以比较单位时间内的速度变化量，即ΔvΔt的大小.

飞机起飞：ΔvΔt=83 m/s-0 m/s30 s=2.8 m/s2；

列车加速：ΔvΔt=100 m/s-50 m/s12 s=4.2 m/s2；

所以列车加速时速度变化快.

师：为了比较物体速度变化的快慢，物理学中引入加速度这一物理概念，并定义“速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值叫做加速度”，加速度用字母a表示，其定义式为a=ΔvΔt.

师（设计表格2）：在进行速度概念复习的同时，运用类比法完成加速度概念教学

设计意图奥苏贝尔曾说：“假如让我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话，那么，我将一言蔽之：影响学习的唯一最重要的因素，就是学习者已经知道了什么，要探明这一点，并应据此进行教学.”学生学习过程并非是简单地对所学材料的识别、加工和理解的过程，而是学生原有认知结构中的有关知识和新学习内容通过同化或顺应形成新的认知结构的表2速度加速度物理意义表示物体位置变化快慢的物理量表示物体速度变化快慢的物理量定义位移与发生这个位移所用时间的比值速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值定义式v=ΔxΔta=ΔvΔt=v-v0Δt大小比值定义式，v的大小与Δx、Δt无必然联系比值定义式，a的大小与v、v0、Δv、Δt无必然联系单位国际单位制：

米每秒（m/s）国际单位制：

米每二次方秒（m/s2）方向是矢量，与Δx相同（物体运动的方向）是矢量，与Δv方向相同平均值平均速度：=ΔxΔt （Δx是物体在Δt内的位移）平均加速度：=ΔvΔt （Δv是物体在Δt内的速度变化量）瞬时值物体从t到t+Δt时间间隔内，若Δt→0就把ΔxΔt称做物体在时刻t的瞬时速度物体从t到t+Δt时间间隔内，若Δt→0，就把ΔvΔt称做物体在时刻t的瞬时加速度过程.由于加速度概念和速度概念有很多的相似性，在教学中，可以将“速度”作为“加速度”的生长点.亦即在速度的概念的基础上建构加速度的概念，降低学生在认知上的难度.同时，有了速度的类比，使学生意识到加速度也不是什么高深莫测的东西.

（3）了解学生的前概念，运用认知冲突来消除迷思概念，完善对新的物理概念的建构

师（问题情景）：能否在坐标轴上表示出下列各种情形中物体速度变化量.

①小球的速度在1 s内由v0=10 m/s变化到v=20 m/s；

②小球的速度在2 s内由v0=30 m/s变化到v=10 m/s；

③小球与坚直的墙壁发生碰撞后反向弹回，在0.02 s内速度大小由v0=20 m/s变化到v=10 m/s.

师：给全体同学思考与小组讨论的时间.

师（点拨）：当物体作直线运动时，在物体运动的直线上建立x轴，并规定正方向，明确物体运动的初位置和末位置，并画出由初位置指向末位置的一段有向线段，线段长度表示Δx的大小，箭头的指向表示Δx的方向，而物体的速度方向与Δx的方向一致.物体的速度（v）方向可以与x轴正方向相同，也可以相反.那么，我们可不可以借助于x轴来表示物体速度变化量（Δv）呢？

生：可以（具体细节不清楚）.

师：先规定一个方向为正方向（通常规定初速度方向），然后作出矢量差Δv=v-v0，箭头指向可以借助于物体位置变化量表示方法，由初位置指向末位置（速度变化量表示方法由初速度的终端指向末速度的终端）.

师生（师生合作完成题①②③，答案如图1、图2、图3所示）：

师（问题情景）：求出上述物体的加速度的大小，并给出加速度的方向.

加速度（a）的方向与速度变化量（Δv）的方向相同.

师：上述问题处理中，你是规定哪个方向为正方向的，如果以相反方向为正方向，其结果又如何呢？

加速度（a）的方向与速度变化量（Δv）的方向相同.

师：引导学生分析加速度方向与速度方向、速度变化量之间的关系.

生：加速度（a）的方向与速度变化量（Δv）的方向一致.当a的方向与v0方向一致，物体作加速运动；当a的方向与v0方向相反，物体作减速运动.

设计意图学生在学习某一科学概念时，头脑中并不是“一张白纸”，而是以自己的经验为基础，主动地建构知识，一些不完善的甚至错误的认知经验对概念教学所产生的负面效应较大.物理概念教学的重点就是先了解学习者的前概念，教师通过创设认知冲突的问题情境，来达到修正迷思概念、改变认知结构的目的.在加速度学习时，迷思概念有①认为只要物体有加速度，物体的速度就是越来越大；②认为只要加速度的方向为“+”，物体就做加速运动，物体的加速度的方向为“-”，物体就作减速运动；③认为只要物体的加速度在不断减小，物体的速度也在减小.

（4）运用数学工具，图解加速度，拓宽了学生对新的物理概念的认知结构

问题情景（师）：图4中的两条直线a、b分别是两个物体运动的v-t图象，

①从v-t图象上能够读出哪些物理量？

②哪个物体运动的加速度比较大？为什么？

生1：从图上能够读出物体初速度、任意时刻的速度大小.

生2：可以取相同的速度变化量（Δv），看发生这一变化所经历的时间（Δt）；也可取相同的（Δt），比较速度变化量（Δv）.

设计意图用图象分析处理物理问题是高中物理别于初中物理的显著标志之一，体现了高中物理对数学的要求.考虑到三角函数的正切、图象的斜率这两个概念数学中尚未学习，通过数形结合的训练，让学生体感受到图象的直观性.

4反思与总结

本节课主要目的就是加速度概念的建立.通过在学生最近发展区设置问题情景，激发了学生认知需要，调动了学生学习的积极性；运用认知冲突，完善了学生对新的物理概念的认知结构；同时，教学中科学方法有效渗透，也提高了课堂教学的实效性.实践中我们还发现，基于促进物理概念形成与发展理念的有效实施，不但活跃了课堂气氛，调动了学生学习积极性，而且有助于突出了学生的主体地位，让学生变得更加自信.