“思维可视化”在核心概念“加速度”中的课堂实践

摘 要：根据牛顿第二定律，设计并开发了可视化自制教具“水平加速度计”.通过该教具在课堂中的实际使用，将“思维可视化”应用于高中物理核心概念“加速度”教学中，通过图示技术推动学生的思考，将抽象的概念转化为可视化的思维过程，加深了学生对“加速度”概念定性与定量的理解.

关键词：思维可视化;加速度;高中物理教学;核心素养

文章编号：1008-4134（2019）13-0002 中图分类号：G6337 文献标识码：A

作者简介：尹庆丰（1978-），男，江苏常州人，本科，中学高级教师，常州市高中物理学科带头人，研究方向：理论研究、教学研究.

1 问题的提出

“加速度”是高中物理运动学中的重要概念，是动力学的核心概念，也是高中物理课程中极为抽象的概念之一.在学生以往的学习、生活与实践中，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.”

在传统的加速度教学中，为了激起学生对这个概念的认识并加深印象，教师一般会进行如下教学设计：一方面采用“汽车、轮船与火车”启动比赛视频，增强感观认识;另一方面结合“速度”的概念采用类比的方法，讓学生更容易理解加速度的概念形成过程.而在教学过程中速度的变化方向（加速度方向）是难点之一，在借助加速运动与减速运动的基础上，采用分析引导的方式，使学生更直观地理解速度的变化及方向，这是常见的教学方法.

虽然上述教学方法也引入了多媒体的教学手段，试图激发学生的思维，可是并没有给予学生参与思考的机会，只是被动地接受，因此，教学效果大大地打了折扣，而学生对概念的理解也没有变得更清晰.

可是，如何将这么抽象的一个物理核心概念转化为感性认识，将物理问题变得形象具体？这是笔者多年来在“加速度”课堂教学中一直反复思考的问题.

2 “思维可视化”的学习技术

思维可视化，顾名思义，就是指运用一系列工具，把发生在大脑中，原本处于混沌的、看不见摸不着的思维过程，以可视化的形式清晰地呈现出来，变得形象、具体、直观，比如思维导图就是其中的一种表达方式.

思维可视化的起源可以追溯到1967年，哈佛大学的“零点计划”，由哲学家Nelson Goodman领衔，最初是希望通过对艺术教育的研究来提升思考能力和学习效率.到2017年，“零点计划”的研究领域已经从单纯的艺术拓展到智力、理解、思维、创造力、跨学科和跨文化思维，以及道德的研究调查，从科学和艺术的角度，对思维进行研究.

思维可视化的主旨，就是通过画图等方式，教会学生一系列思考问题的正确方式，通俗地讲，就是我们常说的思路：厘清或混沌未觉、或杂乱无章的思绪，反复训练，久而久之，内化为固定的思维习惯.

掌握思维可视化的学生，会在大脑里架起一条条清晰的思路，这些思路或从思维的深度，或从思维的广度，或从创造力等方面入手，对问题和知识点进行高效而深度的处理.

因此，“思维可视化”的培养应该引起教育者的重视，尤其是在学科核心素养物理观念的教学中，如果能够将思维可视化合理引入并应用，将为学生抽象思维能力的提升奠定基础.

笔者在2017年开始接触 “思维可视化”的学习技术，发现如果在课堂教学中能够让学生通过自己动手进行实验探究，将抽象的概念转化为可视化的体验，“看得见，画得出”，那么既可以加深学生对核心概念的理解，又可以培养学生的思维方式，激发学生的学习兴趣.

其中，底座下方设有用于底座水平调节的调平螺丝，直杆一端固定在转轴上可绕转轴在竖直平面内自由转动，另一端与用于指示加速度值的指针联结固定.角度测量或加速度测量标尺固定在立板中下部，为一以转轴为中心、半径不小于直杆长度的圆弧形，同时标注有角度和与角度对应的加速度值（为计算方便，此处g = 10 m/s2）.测量前，若指针与加速度标尺中部的“0”刻度线位置之间有偏差，可通过调节底座下方的调平螺丝，进行调零.

由于该教具适用于水平运动中加速度的测量，因此正式命名为“水平加速度计”.该教具结构简单直观、成本低、不易损坏，可以直接从加速度标尺上读取水平加速度值，最为关键的是，可将其固定在任何水平运动物体上，为水平加速度的定性与定量研究提供了一种可视化的途径，可以帮助学生通过图示技术把学习过程中的思考方法和思考路径呈现出来.

4 教学实践对比与反思

在“速度变化快慢的描述——加速度”一节中，有以下几个重点和难点：（1）加速度概念的建立，知道加速度的意义;（2）加速度是矢量，有大小和方向;（3）会正确区分速度、速度的变化量及速度的变化率.

而将水平加速度计应用于这节课的目的就是为了通过“思维可视化”学习技术解决这些重点难点，化“难”为“易”的.

4.1 教学实践对比

4.1.1 “加速度”概念的建立

【传统教学：例题1】先观看“汽车、轮船与火车”等启动比赛视频，然后给出材料，见表1.

由表1可知，自行车在4s内速度从2m/s增加到11m/s，怎样描述物体运动的速度增加的快慢呢？

思考：飞机在空中飞行的速度最大，它的加速度一定很大吗？

教师说明：给出加速度表达式

分别求得自行车下坡时的加速度为2.25m/s2;公共汽车出站时的加速度为3.0m/s2;轮船出航时的加速度为0.3m/s2;火车出站时的加速度为0.2m/s2;飞机在空中飞行时的加速度为零.

由此可以看出，加速度和速度的区别：（1）速度大，加速度不一定大;加速度大，速度不一定大.

（2）速度变化量大，加速度不一定大.

（3）加速度為零，速度可以不为零;速度为零，加速度可以不为零.

【可视化教学：探究实验1】实验仪器：水平加速度计（20cm×20cm×20cm），可载人遥控小汽车（说明书标注速度分高、中、低档，最大速度范围约为1.33-2.69 m/s）.

实验内容：首先，将水平加速度计固定在遥控小汽车的座椅上，并调零，如图5（a）所示;其次，通过遥控器对小汽车进行加速，运动方向为水平向右，达到稳定（匀速运动）后持续一段时间.

需要说明的是，由于是演示实验，所以笔者将加速度计的尺寸制作的稍微大一些（20cm×20cm×20cm），且实际操作中发现直杆会被车门挡住，影响学生的视线，因此将直杆上方再连动一个指针，标尺做成圆形，上下对称，这样两端均可读数，如图5（b）所示，更方便全班学生观察.

实验说明：观察实验过程并填写表2.其中，水平加速度计可以直接读出水平运动的加速度，为了提高读数的精确度，我们先读角度，然后通过公式（2），a = g tan φ，求出加速度的具体数值.

表格设计时，考虑到学情，先研究速度，再研究加速度.“加速度计的状态”由学生作图，表格内容（斜体字部分）均由学生填写或口头回答，如果回答不出来，可以再重复一次实验过程（探究实验2、3亦采用相同方式）.值得一提的是，由于该演示实验重现了乘坐汽车的过程，学生都有亲身体会，因此更容易得到与实际相符的答案.

学生分析总结：从加速度计可以读出指针偏转角度，从而得到加速度的大小.从表2可以看出，速度为零的时候，加速度不为零;而速度最大的时候，加速度为零.这说明，加速度与速度大小无关.加速度的“加”字，并不是“增加”的意思，“加速度”也不是“增加速度”的意思，它反映的是速度变化快慢的程度.

4.1.2 明确“加速度是矢量”的概念

【传统教学：例题2】做加速度不变运动的火车，在40s内速度从10 m/s增加到20 m/s，求火车加速度的大小.汽车紧急刹车时做减速运动，在2s内速度从10 m/s减小到零，求汽车的加速度大小.

解析： 根据加速度公式求解得.

教师说明：（1）加速度是矢量.加速度的方向与速度变化量的方向相同，在直线运动中，如果速度增加，则加速度方向与速度方向相同;如果速度减小，则加速度方向与速度方向相反.因而加速度方向与速度方向无关.

（2）加速度的正负仅表示方向，不表示大小.若取v0的方向为正方向，则加速运动，a > 0;减速运动，a < 0.

【可视化教学：探究实验2】实验仪器：同探究实验1.

实验内容：首先，通过遥控器对小汽车进行加速启动，运动方向为水平向右，达到稳定（匀速运动）后持续一段时间，再通过遥控器进行制动减速，直到小汽车速度为零.

教师说明：实验开始前，提醒学生重点观察启动和制动两个过程加速度计的指针变化，并将其画下来，然后进行分析，见表3所示.

学生分析总结：由表3“加速度计状态”可以看出，在遥控小汽车启动和制动两个过程中，加速度的大小和正负都不同.而正负是用来说明加速度方向的，这就可以体现加速度是一个矢量，既有大小，又有方向.正，说明加速度的方向与约定的正方向相同，为水平向右;负，则相反，说明加速度的方向为水平向左.再结合速度的方向，可以进一步说明，加速度方向与速度方向无关，而与速度变化量的方向相同.如果加速度与速度方向相同，就是做加速运动;如果加速度与速度方向相反，就是做减速运动.这个结论跟学生看到的探究实验实际情况完全吻合.

4.1.3 “速度变化量与速度变化率”的区分

【传统教学：例题3】阅读教科书P27“一些运动物体的加速度a /（m·s-2）”.

教师提问：速度、速度的变化量及加速度有什么区别？

学生分析回答：速度是用来表示物体运动快慢的物理量，它等于位移和所用时间的比值;而加速度是用来表示物体的速度变化快慢的物理量，它等于速度的变化量和发生这一变化所用时间的比值（速度的变化率）.

【可视化教学：探究实验3】实验仪器：水平加速度计，可载人遥控小汽车，秒表.

实验内容：同探究实验2.

教师说明：实验开始前，提醒学生测量启动和制动两个过程的时间.启动时间：小汽车接通电源到加速度计指针为零;制动时间：断开电源到小汽车停止.然后进行分析，见表4所示.

學生分析总结：进一步对比启动和制动两个过程，由表4可以看出，两个过程的速度变化量大小相同，而加速度的大小不同，说明加速度大小与速度的变化量大小无关.根据秒表所测启动与制动的时间，可以发现，在速度的变化量大小相等的情况下，加速度大小与速度变化时间成反比，说明加速度在数值上等于单位时间内速度的变化，即速度对时间的变化率.由此可以说明速度、速度的变化量以及速度的变化率是三个不同的概念.

4.2 教学反思

“加速度”涉及运动观以及力和运动的关系等物理观念，教师应该让学生初步建立“概念、结论要与可观察的事实相符合，而且要用简明的数学语言来表达它的结果”这样的观念，才能在课堂教学中落实物理核心素养之物理观念.

经过教学设计的对比，可以看出，传统教学的特色是情景导入、习题导学，引入具体的情境让学生自主探究，可是仅仅通过表格呈现数据的方式，并不能做到将抽象的概念具体化.且整个过程中，概念由教师给出，公式由教师给出，结论也由教师给出，学生的主要探究就在解题，不能体现学生的主体地位，无法让学生自己理解和消化“加速度”这个核心概念.

而笔者根据“水平加速度计”的特点设计的教案，选用“思维可视化”的学习技术为主线，创设问题情境，引入探究实验，让学生感同身受，突破抽象思维的瓶颈，从而推动学生的学习过程.将整节课的内容汇总后，可以得到表格5.

表5列出了3个探究实验的结果，将本节课的3个重点和难点用“可视化的思维”解释清楚，更是让学生对“加速度”的概念一目了然，记忆深刻.“思维可视化”不仅使得“加速度”看得见画得出，将难懂的物理概念由浅入深、由简单到复杂，由现象到本质、由具体到抽象，层层深入，环环相扣，体现诱思、探究、自主、合作，不断小结，突出重点.而且，在探究过程中，注重物理过程和物理方法，所有表格由学生填写，避免直接得出结论，提高学生学习物理的兴趣，激发其求知的欲望，大大提高学生参与度.

需要说明的是，此加速度计为机械式纯手工制作，角度的最小分度值为1°，若要提高精度，可以使用传感器等，进行智能化制作和操控.

5 结束语

实际课堂教学中，笔者发现，真实的实践情境所蕴含的知识能够加深学生对概念的理解，学习情境越真实，学生主体概念构建越可靠.因此，笔者通过自制教具“水平加速度计”，帮助学生亲身感受“速度”“速度的变化”“速度变化快慢”三者的关系，逐步解析“加速度”这一核心概念，有利于转化迷失概念，有利于内化物理观念的形成.

随着先进教学方法和理念的推广，高中物理课堂已经有所转变，但是如何让学生养成学习物理的主动性，并有持续学习物理的愿望和动力，现状不容乐观.要改变现状，就需要一线教师不断地对教学方法进行改革和创新，提高课堂教学的实效性，而“思维可视化”正是有助于改变现状的方法之一，尤其是对于处在衔接环节的高一学生而言，将抽象变为具体、将概念变得可视，让学生感受到物理学习的趣味性、实用性，自然就能提升他们学习物理的意愿.

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（收稿日期：2019-05-08）