物理概念教学中发展学生科学思维的问题设计策略

摘要：核心素养导向下的物理概念教学，不能只教给学生“是什么”，更应关注学生概念形成的过程.在物理概念教学中，如何设置问题探查学生的前概念，厘清学生的迷思概念，引导学生经历概念形成的一系列思维活动，感悟物理的思想方法，最终形成对概念的理解.

关键词：物理概念教学；科学思维；问题设计

作者简介：付鹂娟（1973-），女，湖北人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

建构主义教学观认为，学习者本身并不是“一张白纸”，他们有着丰富的存在着相互差异的经验世界，教师应根据学习者已有的经验设置问题，帮助学生实现自我建构.

概念需要解释事物的本质特征，它具有高度的抽象性和严密的逻辑性，所以我们在进行概念教学时，要引导学生认同概念的产生价值，关注概念的本质特征，经历概念的形成过程.

物理概念的习得过程，应是学生自我建构的过程.学生从已有的认知出发，往往要经历 “观察—比较—概括—抽象—表征—迁移应用”的科学思维过程，有时要反复经历，不断尝试，才能习得科学的物理概念.

在物理概念教学中，如何设置问题促进学生科学思维的发展？本文以《物体运动快慢的描述——速度》一节为例，谈物理概念教学中问题设计的策略.

1探查学生前概念的认知程度，问题情境具有综合性

前测问题的目的并不是指向答案，而是指向对学习者认知程度的探查，探查学生原有概念的认知起点.问题情境的创设综合性较强，让学生在解决复杂问题的过程中展示思维的起点.

通过前测，发现学生对于速度等于路程除以时间这一公式非常熟悉，如果教师的问题是“初中我们学习过速度，什么是速度？”，多数学生能顺利说出答案.但是学生在回答这一问题的过程中，仅仅是通过记忆回顾知识，没有深层次的思维活动.

教学之初利用一段新闻视频提出问题：北京高速公路实行区间测速，参访中发现很多司机对区间测速这一新事物并不了解，“如果你是交警，如何向司机解释区间测速呢？”

学生首先要把这个实际问题抽取为一个物理问题；其次，要应用物理规律分析原理，根据速度等于路程除以时间，已知区间的距离，测出汽车通过的时间，就可以知道汽车的速度；最后，要把这个物理问题还原于实际——测的是汽车的平均时速.这个过程看似简单，学生却经历了建模、迁移和应用等高阶的思维活动.并且通过学生对这个问题的回答，了解到学生很好地掌握了速度公式，对平均速度有一些模糊的认识，认为变速运动的物体路程除以时间就是平均速度.这样可以更加明确这节课的教学重点和教学起点.

2揭示物理概念的本质，问题条件具有隐蔽性

概念的本质往往和概念建立的实际价值密不可分，问题的设计要让学生在应用概念的过程中主动体会概念的价值.这种体验是学生从概念建立的原因去思考，主动认识得到的.因此，问题的设计应具有一定的隐蔽性.

速度的方向性是描述位置变化的一个重要维度.在速度矢量性的教学过程中，如果教师的问题是“一个物体以10m/s的速度向东运动，另一个物体以10m/s的速度向西运动，它们的速度是否相同？”这个问题中“方向”这一要素提示得太明显，没有体现速度的方向性在描述物体位置变化时的实际意义.

教师利用新闻视频提问：“如果已知汽车的平均时速是90km/h，从学校出发，你能否预测1小时之后汽车的位置？”

学生1：平谷（北京市的郊区）.

学生2：学校到平谷的距离是直线距离，你去平谷不能走直线.

教师：很好，这个同学其实谈到了位移和路程的区别.如果假设北京到平谷的距离就是90公里，1小时后汽车一定在平谷吗？

学生3：不一定，因为不知道方向.

教师：汽车可能的位置在哪？

学生4：以学校为圆心，以90公里为半径的圆上（全班笑）.

教师：可见，要更好地描述物体位置变化的快慢，应该把位移和时间的比值定义为速度.

这一问题，把速度的方向性这一要素隐藏了起来，学生在寻找答案的过程中发现，如果不知道方向就不能描述位置，因而速度的方向性必不可少.这个问题，还凸显了引入速度这一物理量的实际意义——若物体的初始位置一定，只要已知速度和时间就能预测物体的位置，这也是研究物体机械运动的价值.

3引领学生科学思维的提升，问题架构具有层次性

问题的设置应该遵循学生思维发展的序列，注重层次性.

在平均速度和瞬時速度的教学环节中，教师根据学生的思维设置问题串如下.

3.1有效观察——基于实验设计问题

教师展示演示实验：用细线穿着一个珠子，给珠子一个初速度，让学生观察珠子沿水平细线的运动.接着，让水平细线穿过如图1所示的双激光测速仪两端的探头.学生通过观察，发现珠子在离开手之后运动一段时间停了下来.珠子通过仪器两杆之后，左端屏幕上迅速显示一个数值.

问题1：仪器上显示的数据是什么？请设计方案验证你的猜想.

设计意图：一是引导学生进行有效的观察.珠子离开手之后运动一段距离停下来，说明珠子在做减速运动，仪器显示的是一个恒定的数值，一般计时仪器都是连续记录，数值应该不断变化，因此猜测测量的是速度；二是培养学生的证据意识，对实验数据进行合理的分析和解释是基本的科学能力.

如果教师的问题是“这是一个测速仪，请问它的原理是什么？”这样的问题，没有留给学生思维的空间.教师在实验之初并没有强调让学生观察什么，但是学生观察的细致与否很大程度上决定了其能否顺利解决问题.

对于仪器显示的数据，有的学生猜测记录的是时间，也有的学生猜测记录的是速度.提出的验证方案是：可以做两次实验，一次珠子出手时速度大，一次珠子出手时速度小.如果测量数据变小，说明测的是速度，如果数据变大，说明测的是时间.然后学生动手实验，验证自己方案的可行性，发现测量的是速度.教师追问，测量的是什么物体的速度？学生答，是珠子通过两杆之间的平均速度.教师继续追问：是如何实现的？学生答，两杆之间的距离是一定的，只要测出珠子通过两杆的时间，就可以计算珠子通过两杆之间的平均速度，直接显示在屏幕上.

3.2思维过程可视化——基于多重表征设计问题

珠子在做变速运动，测量的是一个恒定的值，这个恒定的数值和变速运动的速度之间有什么样的联系呢？需要学生经历比较、概括、抽象等一系列的思维活动进行分析.

问题2：请画出珠子离开手之后的速度—时间图象，并把平均速度定性地在图象上表示出来.

设计意图：一是建立物体的实际运动和图象语言的联系；二是体会对于一个变速运动的过程，为什么在通过双激光测速仪的过程中只测出了一个“恒定的数据”，初步体会等效思想，从而为理解瞬时速度做好铺垫.

要求学生画出速度—时间图象符合学生的认知.学生虽然还没有瞬时速度的概念，但对珠子做变速运动有直观的认识，而且在初中对于图象也有定性的了解，因此画出珠子的速度—时间图象并不困难，难点在于真正理解图线上每一个点的物理意义.

图2是学生的典型答案，通过学生的答案可以分析学生理解平均速度时的思维障碍.

图2（a）中，学生用图线②表示平均速度，反映出学生虽然能定性知道平均速度的大小，但表征平均速度时，无法将文字表征和图象表征统一起来.

图2（b）中，学生凭直觉认为平均速度应该在中间，但说不出理由.反映出学生仅仅是从数学的角度理解“平均”的含义.

图2（c）中，学生画出的速度—时间图象是曲线，但认为平均速度仍然在中间.反映出这个学生对珠子做变速运动有更加深入的思考，但无法理解平均速度的意义.

教师追问：在画平均速度时，你的依据是什么？

学生：面积相等.

教师追问：为什么？

学生：因为位移等于速度乘以时间，所以面积代表位移，面积相等说明位移相等.

教师追问：哪两部分的面积相等呢？

学生上黑板表示如图2（d）中，长方形面积和阴影部分面积相等.

教师总结：一个物体做变速运动，另一个物体做匀速运动，如果两个物体在相等的时间内通过的位移相等，说明他们的位置变化得一样快.我们就可以用这个匀速运动物体的速度描述那个变速运动物体在这段时间内运动的快慢，这就是平均速度.

从等效的角度理解平均速度，赋予了平均速度这一概念建立的价值.

3.3概念内化——基于迁移应用设计问题

能应用概念解决陌生情境的问题，是衡量是否真正理解概念的重要标准.

问题3：如果想测出珠子通过双激光测速仪第一组杆时的速度，实验上应该如何实现？

学生很快说出可以把第二组杆靠近第一组杆.因为瞬时速度是Δt→0时的速度，当两组杆之间的距离很近时，珠子通过的时间很短，可认为是瞬时速度.这说明学生能用日常语言和实物操作表征瞬时速度.

问题4：请在速度—时间图象上表示珠子通过第一组杆时的速度.

学生对这一问题表现出无从下手，说明学生对前面学习的画平均速度的方法还没有达到迁移应用的水平.

教师在黑板上画出图3（a）中，0—t1时间内物体的平均速度如图线②，因为矩形面积和三角形面积相等，说明两个物体在t1时间内位移相等.

教师：如果要画出0—t2时间内物体的平均速度，应该怎么办？

学生：画出图3（b）中图线③.

教师追问：图线②和图线③两个平均速度谁更接近0时刻的瞬时速度？

学生：图线③.

教师：请大家再思考刚才的问题，如何在图中表示珠子通过第一组杆时的速度.

学生：就是图3（b）中④那个点.

教师：速度反映的是物体位置变化的快慢，一个点位置怎么会有变化？

学生：取一小段时间0—t3，如图3（c）中⑤，這一小段时间平均速度可以认为是0时刻的瞬时速度.

在上述学习画平均速度图象的活动中，学生经历了时间Δt→0的抽象过程，把极限思想用图象形象地表征出来，最终实现对瞬时速度这一概念多种表征方式的统一，理解瞬时速度的本质——在极短的时间内描述物体位置变化的快慢.

这节课的设计和以往的教学方式相比，最大的不同在于教学过程中不是急于直接让学生获得正确的概念，而是通过学生已有的认知分析生活中的现象，在分析的过程中不断提出问题，在解决问题的过程中，促进学生完善自己的思维发展路径，最终形成概念的准确定义.

笔者认为，概念教学的核心就是形成概念，不断寻找概念的边界，在这个过程中，培养学生的物理思维.正如学生在本节课最后所发出的感慨：如果把汽车通过测速区间的时间和整个宇宙的时间进行对比，测的就是瞬时速度.可见，只有把物理知识上升到哲学层面才能使学生真正体会到物理学的魅力.

参考文献：

[1] 张启业，殷汉卿.“问题化学习”培养学生物理核心素养的教学策略[J].中学物理，2018（9）：23-25.

[2] 鲁静华.利用多元表征加深对概念的理解[J].基础教育课程，2018（6）：45-50.

[3] 刘谦君.核心素养导向的高中物理概念教学[J].教师教育论坛，2017（8）：48-50.