搭建问题支架,高效开展物理概念教学

2023-06-20 23:06:08何盼盼
安徽教育科研 2023年14期
关键词:物理概念高中物理

何盼盼

摘要:在物理概念教学中,教师可通过搭建直通学生“最近发展区”的问题支架,建立新旧知识之间的联系,将任务以问题的形式进行分解,帮助学生逐步实现物理概念的构建。本文以“速度变化快慢的描述——加速度”教学为例,分析如何在课堂教学中搭建问题支架,帮助学生建构物理概念,形成清晰的知识体系。

关键词:物理概念 问题支架 高中物理

物理概念是物理学的基础,是人们对物理现象和物理过程等本质属性的精确概括。李政道强调说:“学习物理的首要问题是要弄清物理学中的基本概念。”但笔者在日常教研活动中,通过听课、访谈、试卷分析等方式了解到,当前教学普遍存在教师注重概念记忆、忽视概念构建过程的情况。为此笔者带领团队展开探索,寻找一种能帮助学生更有效构建概念的支架教学模式。本文主要探讨其中一种支架形式——问题支架——在“速度变化快慢的描述——加速度”概念教学中的应用。

所谓问题支架,是指在学生原有的认知水平和将要达到的教学目标之间找到学生的最近发展区,并借助一个个有梯度、有层次、有连贯性的问题串搭建不断向上攀升的学习支架,帮助学生逐步跨越,抵达“最近发展区”,并在问题解决的过程中逐步归纳出事物的本质属性,构建出物理概念。

一、结合冲突性问题搭建问题支架,激发前概念

前概念是指学习者在正式接受科学教育之前通过长期的生活经验积累和辨别式学习获得的某些感性印象,积累的缺乏概括性和科学性的经验,以及某些与科学知识相悖或不完全一致的观念和规则。

加速度是高中课程中比较抽象难懂的概念,同时也是连接力与运动两大模块的重要概念。在生活中,学生对加速度这一概念的印象并不清晰,分不清平时所说的“快”是指“速度快”还是“速度变化快”,故本节就从学生产生认知冲突的地方设置问题支架,引发学生对速度和速度变化快慢的思考,进而调出学生的前概念。

问题1:人与战斗机进行竞速比赛,哪个会赢?

设计说明:对于学生来说,战斗机与人进行速度竞赛,是实力悬殊较大的较量,学生多半认为二者没有可比性,战斗机的优势非常明显,学生心中觉得答案显而易见。但学生并没有意识到:虽然长距离运动过程中战斗机的平均速度快,但不代表短距离比赛中战斗机速度变化就快。

在学生充分讨论回答后,笔者播放中央电视台播出的《加油!向未来》中短跑名将张培萌与山鹰FTC-2000教练机进行的50米竞速比赛的视频。这个真实情境下的竞速比赛对学生来说很震撼,比赛结果和他们原先的设想也不同。笔者借机引发学生思考,教练机起飞过程中速度肯定比人的速度快,但是起飞初期的速度增加得没有人起跑速度增加快。学生初步意识到速度和速度增加是不同的概念。

问题2:假如让张培萌和战斗机进行100米的竞速比赛,结果又如何?你为什么这样想?

设计说明:通过前面的学习,学生开始思考速度变化这一更深层的问题。

在学生思考讨论后,笔者播放张培萌与歼-10战斗机进行的100米竞速比赛的视频,一方面可以让学生感受到祖国的强大,另一方面让学生看到速度的变化。笔者借机设置问题,帮助学生分析原因。

问题3:你能在生活中找到速度在变化的运动吗?

设计说明:通过感性材料的分析,让学生认识到速度和速度变化是不同的物理量,再结合生活经验,让学生感受变速运动在生活中的普遍性,为加速度概念教学进行铺垫。

二、结合平行性問题搭建问题支架,引入概念

在提供了加速度概念的引入阶段,笔者为学生提供了生活中常见的交通工具启动阶段的速度变化情况(如表1),然后设置问题让学生分别进行比较。

问题1:比较自行车和小汽车启动阶段速度变化的快慢。

问题2:比较小汽车和火车启动阶段速度变化的快慢。

问题3:比较自行车和火车启动阶段速度变化的快慢。

设计说明:笔者利用三个平行性问题,帮助学生建立比较速度变化快慢的模型。在前两个问题中,学生能很容易地建立起比较模型:当运动时间相同时,速度变化快慢可以通过速度变化量大小来比较;速度变化量相同时,速度变化快慢可以通过运动时间长短来比较。在第三个问题中,各交通工具的速度变化量和运动时间都不相同。有的学生通过分别计算出1秒内速度的变化量来比较速度变化快慢,有的学生通过其他方法来解决问题。问题解决的过程让学生体会到:需要引入一个新的物理量来描述速度的变化。此时教师顺理成章地引入加速度概念,同时也为后面加速度定义式的引入降低了难度。

三、结合递进式问题搭建问题支架,促概念形成

在本节中,加速度概念的构建和对加速度方向的理解都是难点。笔者通过一系列有梯度的、紧密相连的问题串,让学生自主生成并逐渐形成概念。

问题1:表1中三种交通工具的运动速度、时间是固定的数值,大家都能进行比较。假如给你一个任意的运动,你能不能找到它的加速度?例如某飞机加速阶段的初始速度为v0,最终速度为vt,运动时间为t,求它的加速度。

设计说明:该问题设计目的是让学生经历由特殊到一般的过程。概念教学中,我们不仅要让学生知道这个概念是什么,更重要的是让学生知道到为什么要引入这个概念。这样做才能让学生对概念的理解更加全面。

问题2:根据上面的计算,结合前面速度、密度、压强等概念定义的方法,给出加速度的定义式。

问题3:根据加速度的定义式,推导出加速度的单位。

问题4:结合加速度的定义式,分析加速度是矢量还是标量。

设计说明:加速度定义式的引入用到的是比值定义法。比值定义法是中学阶段物理概念构建的重要方法。针对上面的三个问题,有学生用类比的方法独立给出了答案。

问题5:加速度的方向由什么决定?

设计说明:加速度是矢量,但其方向并不直观,学生很容易判断错,所以笔者就将这个问题单独拎出来进行重点研究。

为了让学生更好地理解和掌握加速度的概念以及矢量运算的方法,笔者为教科书上例图(加速度方向与速度方向的关系示意图)中的速度赋上具体的数值,请学生结合给定的数值完成两个运动过程相关量的计算和比较。

问题6:如何用有向线段表示甲、乙两车在运动过程的速度v1和v2?

问题7:如何计算甲、乙两车运动过程的速度变化量Δv?两个运动的Δv一样大吗?Δv是矢量吗?怎样用有向线段来表示?

问题8:甲、乙在运动过程中的加速度一样吗?

问题9:怎样确定加速度的方向?

问题10:甲、乙在运动过程中速度变化规律相同吗?其各有什么特点?

设计说明:笔者为课本中的例子赋上数值的目的是方便学生理解,降低问题的难度,然后再通过一系列的问题串,将研究的问题不断深化,也就是将加速度方向这个问题进行细化,设置梯度,在学生最近发展区设置问题,让学生去构建概念,进而突破难点。

四、结合探究性问题搭建问题支架,促概念完善

v-t图像能形象地描述物体运动过程中速度的变化,根据图线的斜率可以得出加速度的大小。这种数理结合的方法在物理问题研究中有重要的应用意义。为了让学生能自然而然地得到v-t图像,笔者通过设置探索性问题,让学生对整个探究过程中遇到的问题进行思考,在问题解决的过程中,学生对加速度的概念有了更加全面深刻的理解。

问题1:一个在斜面上运动的小车,请测量出它在某一段运动中的加速度,并说明能不能直接测量。

设计说明:本节的教材中没有安排探究实验。笔者设计这一问题是因为这个探究问题具有一定的开放性,探究方案多样,能促使学生进行发散迁移、拓展思维,同时也可以帮助学生了解传感器。在科学技术越来越发达、自动化程度越来越高的今天,传感器的使用越来越广泛。学生在学习中接触传感器有一定的现实意义,也为将来学习传感器的知识进行铺垫。

问题2:如果不用直接测量的方式,要测量哪些量,每个量怎么测量?怎么用测出的量计算出加速度?

设计说明:探究过程中至关重要的一个环节是实验方案的选择与制定,这能反映出学生对前面学习内容的掌握情况。实验时学生有的会选择打点计时器,有的会利用光电门,实验器材选择、实验过程、数据记录以及数据的处理等都不尽相同。学生要想能完成方案设计,就需要综合应用前面学习的知识。同时,在经历了小组合作探究之后,学生建构的知识体系更加系统。

问题3:为了更直观地显示运动过程,可以用作图法来表示物体运动过程吗?以前有用建立坐标系解决问题的例子吗?

问题4:可以选取哪两个量表示在坐标系的横、纵轴上?请将刚才实验过程中测量的物理量在坐标系中描出来。

设计说明:上一节已经学习了v-t图像,这节继续让学生建立v-t图像,一方面是因为物理问题与数学方法结合,是将学生感性认识上升到理性认识的一条重要途径;另一方面也可以让学生通过建立图像的过程再次认识图像。

问题5:能根据图像找到加速度吗?

设计说明:在上一节的学习中,学生已经能根据图像判断速度的变化,知道物体在做加速、减速还是匀速运动。结合加速度的定义,学生能自主在图像中找到加速度。但不同学生的基础和思路可能不同,所以他们解决问题的方法可能不同,有的可能在图像中找到Δv和对应的Δt,再利用加速度的定义式进行计算;有的能发现图线的斜率就是加速度的大小。

问题6:能找到图线某一点的加速度吗?

设计说明:笔者主要想让学生仿照上节学习的瞬时速度和平均速度的定义,结合极限思想,理解“瞬时加速度”,让学生注意到它与“平均加速度”的区别,这样学生对加速度概念的认识就更加立体。

五、结合生活中的问题搭建支架,促概念的应用和升华

本节的学习会涉及速度、速度变化和速度变化率的概念,学生很容易混淆,特别是面对实际问题时,学生很容易理不清。为此笔者设计以下问题,让学生结合生活中的运动实例进行分析,引导学生将概念应用于生活之中。

问题1:请在生活中找出符合如下运动条件的运动。

(1)物体运动速度小,加速度大。

(2)物体运动速度大,加速度小。

(3)物体运动速度变化小,加速度大。

(4)物体加速度方向与速度方向相同。

(5)物体加速度方向与速度方向相反。

(6)物体加速度大小在减少,速度大小在增加。

(7)物体加速度大小在增加,速度大小在减小。

设计说明:这样设计是帮助学生辨析概念,构建完整的概念体系。

问题2:分析张培萌和教练机竞速过程中速度的大小,加速度大小变化的情况。

设计说明:物理来源于生活,也应用于实际生活。实例分析能让学生更进一步地认识到这一点。

在物理概念引入、形成、完善、应用和升华的学习阶段,笔者在考虑学生原有知识经验的基础上,洞察学生的最近发展区,联系新旧知识,让在学生问题支架的帮助下去探索新知,让学生在思考、质疑的过程中形成概念、发散思维。需要注意的是,学生的最近发展区是动态的,问题支架必须结合学生实际情况灵活调整。同时,随着学生认知水平和自主学习水平的发展,问题支架也要不断修改、转移或减少。

参考文献:

[1]李高峰,刘恩山.前科学概念的术语和定义的综述[J].寧波大学学报,2006(6):43-45.

[2]维果茨基.维果茨基教育论著选[M].余震远,译.北京:人民教育出版社,2005.

[3]姜琳.中学物理教学中运用支架式教学的案例分析[J].物理教师,2012(1):13-14.

责任编辑:黄大灿

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