概念图在力学教学改革中的设计及应用

阮 文,宋红莲,伍冬兰,余晓光

(井冈山大学，江西 吉安 343009)

概念图在力学教学改革中的设计及应用

阮 文,宋红莲,伍冬兰,余晓光

(井冈山大学，江西 吉安 343009)

基于大学物理《力学》课程的教学特点,结合目前该课程教学的现状及对大学物理教学改革的要求,对力学课程部分内容实施设计概念图进行教学,用于调整力学课程的课堂教学方式,促进学生更好地理解和掌握力学概念和知识体系，培养学生的发散思维和创新能力。

概念图；力学教学；发散思维；创新能力

0 引言

高等学校教学改革正在紧锣密鼓地进行，其中在教材的建设方面已取得较好成果,但教学观念、教师的课堂教学及学生的学习方式等方面，仍然以传统方式为主。有些传统方式已经严重阻碍了学生学习的积极性。只有在传统教学方式中进行改革和调整，将学生的学习方式转变过来,促进学生更好地理解和掌握科学概念和知识体系，促进学生发散思维和创新能力的提高,才能算是真正意义上的教学改革。

力学课程不仅是大学物理专业的基础课程,也是其他理工专业的基本工具,但是力学知识概念多,理论体系复杂。尽管中学教育让学生对力学部分有了较多的接触和了解，但对于初入大学的学生,在成为物理专业技术人员之前,对力学课程的学习很多概念不清晰，基本框架比较模糊。我们认为把概念图引入到力学的教学中,符合大学物理教学改革的要求，并且也是行之有效的方法之一。经过几年的教学实践,证明了在已有的教学手段上,引入概念图可以取得较好的效果,有助于学生自主学习和探究。概念图是康乃尔大学的诺瓦克(J.D.Novak)根据奥苏贝尔(David P.Ausuber)的有意义学习理论提出的一种教学技术[1]，通过概念图,能够将未知概念与学生认知结构中已有概念建立联系,使学生能以最快的速度发现自身的认知结构和知识本身的结构体系之间的差别,从而完成学习过程，同时还可根据学生已有的知识和经验,沿着各种不同的方向展开,进行多角度、多侧面、多层次和多结构的思维。通过推测、想象和创造性的思维过程,培养学生发散思维,使学生的思维更灵活,并向更高、更新的方向探索,产生出创造性的解决问题的能力。以下我们讨论概念图在力学教学中的设计及应用,教材依据漆安慎、杜婵英先生编著的由高等教育出版社出版的普通物理学教程《力学》[2]。

1 设计力学概念图遵循的原则

1.1 概念的层次由大到小的原则

概念的分层应遵从由大到小的原则，如刚体力学部分中要求掌握的概念和知识点非常多。理顺概念间的关系,明确它们的地位及相互关系,建构相应的知识结构,是掌握这些概念和知识点的关键,否则易造成概念混乱，学习起来费力且费神。依据概念的层次由大到小的原则,设计了如图1所示的概念图,以“刚体力学”作为中心概念,将“运动类型”、“研究内容”、“相关物理量”放在第二层分支,处于中心概念的下级分支。然后,从第二层分支开始再设计它们的下层分支及更下层分支。若某一分支下的概念与其它分支的概念还有联系,即可用连接线及相应的标注描绘,如“速度”与“角速度”及“加速度”与“角加速度”等概念是紧密相联的,在概念图中就可用连接线连接起来。这样就形成了一个层次分明的网络概念图,由上而下层层深入,同样的原则也可以应用到各个章节。

1.2 理论需要或思维发展的原则

设计概念图可以根据理论体系建立的需要或者个人思维发展过程及思维习惯的原则，这也是一个较为常用的原则。图2是对于质点运动学的教学概念图,结合我们平时思维的习惯,教学的思维过程可以分划为:“什么是质点运动学”→“如何描述质点运动”→“质点运动具有什么样的规律”→“质点运动具有什么样的图像轨迹”等步骤，从而确定中心概念为“质点运动学”,下级分支分别为“描述质点运动的物理量”、“运动方程”和“轨道方程”。同样,采用这样的原则也可以设计刚体运动学的教学概念图。

1.3 对称性原则

物理学中的对称性及守恒是一种艺术美学,其美学表现在力学基本定理及守恒定律上尤为突出。如动量定理指出力的时间累积过程必然导致一个状态参量发生变化,由此科学地定义了动量，如果力在一个时间累积的过程中始终保持不变(合力为零)，则得到一个守恒量，即动量守恒；动能定理指出力的空间累积过程必然导致另一个状态参量发生变化,因此定义了系统的状态参量动能，特别是存在保守力做功的情况下，体系还存在势能，因此定义了系统的机械能，并且仅在保守力做功的情况下，动能和势能均发生变化，但两者之和却与过程无关,因而得到一个守恒量，即机械能守恒；角动量定理指出力矩的时间累积过程也必然导致一个状态参量发生变化,也因此科学地定义了角动量,如果力矩在一个时间累积的过程中始终保持不变(合力矩为零)，则得到另一个守恒量，即角动量守恒。动量、能量和角动量在力学基本规律中是很重要的概念,明确了它们的引入、地位及意义,就能更好更深刻地掌握。图3是按对称性原则设计的力学三大基本定律的概念图,在教学中如此归纳知识制作概念图,不仅能让学生更深刻地理解这些力学概念及基本规律,同时还给出了在力学中动量、能量及角动量这三个状态量守恒的适用条件，使学生对物理思想有了更进一步的理解和认识。

1.4 类比原则

类比原则就是把物理意义相类似或者地位相当的概念作类比排列。如在归纳“质点运动”和“刚体定轴转动”教学过程中，把“质量”和“转动惯量”、“位置矢量”和“角坐标”、“位移”和“角位移”、“速度”和“角速度”、“加速度”和“角加速度”、“力”和“力矩”、“动量”和“角动量”这些概念都依据物理意义类似的原则作邻近排列,设计概念图如图4所示，这样在类比中可以加深学生对概念的理解。

总之,在设计概念图时综合考虑以上原则,同时,充分利用概念图的灵活性,直观地描绘出概念与概念之间的关系，一定可以设计出很多有利于课堂教学的概念图。

2 概念图在力学教学中的应用

设计概念图并不是教学的目的,而是教学的一种策略,关键是利用概念图教学能让学生在学习过程中提出更多的问题并进行思考,培养发散性思维。因此,在设计及指导学生制作概念图时,不能限制学生的思维,要尽可能多地罗列出与中心概念相关的分支概念。这是概念图设计成功的保证,也是培养学生创新思维的关键。在力学教学中,根据不同的内容及教学要求使用概念图,鼓励学生设计出具有个性的概念图，利用概念图来辅助课堂教学,转变学生的学习观念,培养发散思维和创新能力，是非常值得借鉴的一种教学手段。

2.1 作为教师教学的辅助手段

在讲授力学内容时,有些基本概念和定律学生中学已经学过,如牛顿定律。在教学中教师可以和学生一起复习,同时,进一步把把牛顿定律和动量定理、动能定理以及角动量定理等知识相互关联起来,形成完整、系统的知识体系。以概念图为主要线索,采用讲授、提问及讨论等多种手段相结合的形式逐步地把相应内容的概念图绘制出来,如图3。同时,教师应注意引导学生充分发挥想象力,开拓学生的创新思维。另外，概念图可以作为引入新课及新概念的辅助手段，利用类比原则设计概念图,如采用图4的概念图引入角动量概念,使学生对这一概念留下很深的印象,取得较好的教学效果。同样,也可以采用同样方法引入力学中其他物理量。

2.2 作为检验学生掌握知识的辅助手段

学生制作概念图可以检验出学生对知识的理解和掌握程度，试想学生如果没有对知识和概念的准确掌握和理解，是不可能制作出比较全面的概念图的，只有在全面掌握和理解了所学知识点以及各个概念之间的关联，才能制作出全面的知识概念图,如图3。同时学生在主动建构概念图的过程中，可能激发他学习的主动性、创造性,使他们能够感受到成功的快乐，从而促进其更好地自我学习和提高。

2.3 作为课后归纳总结的辅助手段

教师在课后归纳总结时,利用概念图可使零散的知识结构化、条理化、系统化,如图1。这有利于学生在头脑中形成一个清晰的整体知识体系,并能长期有效地记忆和掌握知识体系。

3 结语

为培养适应21世纪竞争的高素质人才,力学教学必须由注重共性教育向兼顾个性教育转变,创造有利于个性发展的空间,构建以学生为主体的教学模式[3]。在力学教学改革的探讨和实践过程中,人们做了很多有益的尝试,并取得了一定的成效[4-6],但目前还未发现在力学教学中采用概念图进行辅助教学。笔者认为利用力学概念图辅助手段,在教学中可起到抛砖引玉的作用,让学生在力学的学习过程中设计出符合自身特点的概念图,化抽象思维为形象思维，将教师单向的枯燥理论教学化为师生多向的活跃思维,从而可以降低学生学习的难度,激发学生的学习兴趣。每个学生都是一个独立的主体,由学生设计的概念图反映了学生的思维,具备学生自身的特征,学生设计具有个性的概念图,对培养学生独立思维及创新能力十分有利。因此,概念图是力学教学中的重要辅助工具。对于学生来说,通过这样的学习过程,不仅牢固掌握了力学知识,而且对其将来在实际工作中利用类似的方法进行学习和工作大有帮助。

[1] 李应.概念图研究综述及其应用[J].山西大同大学学报(社会科学版),2011,27(6):12-16．

[2] 漆安慎,杜婵英.普通物理学教程:力学(第三版)[M].北京:高等教学出版社,2012.

[3] 阮文,余晓光,郭四玲.力学课程教学的调查分析与思考[J].职业时空,2014,10(7):116-118.

[4] 杨永明.力学课程教学改革探索[J].河北农业大学学报(农林教育版),2012,14(4):87-89.

[5] 阮文.《力学》课程教学改革的探讨与实践[J].技术物理教学,2010,18(3):14-15.

[6] 阮文.力学课程教学改革与物理专业学生创新能力的培养[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2016,16(3):111-113.

The Design and Application of the Concept Map on the Teaching Reform of Dynamics

RUANWen,SONGHong-lian,WUDong-lan,YUXiao-guang

(JinggangshanUniversity，Ji'An343009,China)

In order to change the classroom teaching and studying style, accelerate students' understanding and mastery of the concepts and knowledge system of college physics dynamics course, and to train their divergent thinking and innovation ability, the concept maps of dynamics are designed and applied by taking into consideration the teaching characteristics, the present teaching situation and the requirements of the teaching reform of dynamics course.

concept map;dynamics teaching;divergent thinking;innovation ability

2016-11-10

江西省教育科学规划项目(13YB057);江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-10-15-16)；井冈山大学教学改革研究课题(XJJG-13-12)

阮文(1970-),男,博士,井冈山大学教授,研究方向:理论物理。

G642.0

A

1674-3229(2017)01-0106-04