物理概念的探究教學(xué)設(shè)計
——以“加速度”教學(xué)為例

(1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院物理系，包頭 014030；2.北京師范大學(xué)物理系，北京 100875)

在近幾年全國中學(xué)物理探究教學(xué)大賽的參賽作品中，物理概念的探究教學(xué)甚為少見，一個顯著的原因就是人們對物理概念的探究教學(xué)的理解與設(shè)計感到更為困難.譬如，有研究者認為：“如果探究的是規(guī)律而不是概念，探究就可以從猜想開始設(shè)計實驗，得到數(shù)據(jù)后進行教學(xué)分析和討論，最后得到驗證，整個過程環(huán)環(huán)相扣，自然順理.反之，如果是物理概念，似乎就不存在探究的問題；像有的老師所說，本節(jié)課是探究“加速度”的概念，好像有點不妥；人定的概念，還需要探究嗎？”[1]那么，物理概念教學(xué)是否需要探究？探究什么？如何探究？本文試圖以“加速度”概念教學(xué)為例對此展開討論.

1 物理概念教學(xué)的探究內(nèi)容

我們知道，物理概念是描述同類物理對象(如物理客體、物理狀態(tài)、物理過程等)的本質(zhì)屬性或特征的，這些屬性或特征不是由表面的觀察就能直觀認識的，而是需要經(jīng)過反復(fù)不斷的深入觀察與思考才能逐步把握的，即它是需要探究的.由此，物理概念教學(xué)的探究內(nèi)容首先就是物理概念所描述的物理對象的本質(zhì)屬性或特征，也就是我們通常所說的概念的物理內(nèi)涵和物理意義.比如，“加速度”概念描述的是物體運動速度的變化快慢程度，所以，該概念的探究教學(xué)首先就是要讓學(xué)生探究物體的運動，從中分辨出“速度變化的快慢”這一運動特征，建立加速度概念的物理意義.

物理概念除了具有特定的物理內(nèi)涵外，還往往具有定量的性質(zhì)，因此又常常需要建立其定量的表達形式.一個物理概念的定量表達可以不同的有構(gòu)造方式，這里的“構(gòu)造”并不是隨心所欲的臆造，而是研究者通過考察相關(guān)現(xiàn)象的諸種要素，并基于某種觀念、思維方式、數(shù)學(xué)工具等構(gòu)想出來，再通過研究者之間的交流與協(xié)商，最終確定出公認的方式.這種基于現(xiàn)象、觀念、思維方式、數(shù)學(xué)工具等等因素的構(gòu)想，以及研究者的交流與協(xié)商，正是科學(xué)探究的基本性質(zhì)的體現(xiàn).所以，物理概念的定量表達形式也常常是教學(xué)中要探究的內(nèi)容.對“加速度”概念而言，用“速度改變量與所用時間的比值”定量地描述其速度變化的快慢程度，就是可以探究的又一項內(nèi)容.

2 物理概念教學(xué)的探究設(shè)計

由前文可知，物理概念的探究教學(xué)的認知目標就是：從物理現(xiàn)象中分辨相關(guān)物理對象的某種屬性或特征，并構(gòu)建其定量的表達方式.能力目標則是讓學(xué)生經(jīng)歷探究某一物理對象的本質(zhì)屬性的過程，從而發(fā)展其科學(xué)探究能力.但是，如何設(shè)計探究教學(xué)，才能更加有效地實現(xiàn)這一目標，使學(xué)生獲得科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展呢？

從科學(xué)探究和探究教學(xué)的本質(zhì)來看，探究教學(xué)設(shè)計的基本原則是要讓學(xué)生的探究符合人類探究自然的科學(xué)本質(zhì)，符合學(xué)生認識自然的認知特征.

研究表明，“無論從物理學(xué)家的科學(xué)探究實踐來看，還是從學(xué)生的科學(xué)探究學(xué)習(xí)來看，盡管都力爭通過更加符合邏輯、更加符合客觀事實的實驗歸納途徑得到關(guān)于物理世界的合理解釋，但是由于諸多客觀的、主觀的、情境的因素的影響，其實際的探究進程卻不可能是線性的實驗歸納過程，而是必然甚至必須加入超越觀察信息的、非邏輯的因素，從而導(dǎo)致各不相同的認知建構(gòu)，形成個性化的心智模型.一個表征物理世界的潛在性質(zhì)或關(guān)系的科學(xué)模型的建立不可能由單次線性的實驗歸納或邏輯推理實現(xiàn)，而是需要對現(xiàn)象進行反復(fù)的、逐步深入的觀察和解釋，同時還需要個體之間的交流與協(xié)商.”[2]

我們認為，為了使物理概念的探究教學(xué)設(shè)計能更好地體現(xiàn)科學(xué)探究的認知特征，應(yīng)關(guān)注以下幾個要點：

(1)要以開放的形式提出指向概念所描述的物理對象的屬性或特征的問題

要實施探究，首先需要提出所要探究的問題.從前文討論可知，物理概念教學(xué)所要探究的問題首先指向該概念所描述的物理對象的屬性或特征.比如，對“加速度”教學(xué)所探究的問題，我們可以這樣表述：“本章研究物體的運動，之前我們已經(jīng)用位移、速度概念分別來描述運動的位置變化和運動快慢的特征.那么，物體的運動是否還有新的特征需要我們用新的物理概念加以描述呢？”這樣表述問題，既考慮到“加速度”概念所在單元知識的研究主題，以及相關(guān)知識所針對的問題(這體現(xiàn)著這些知識之間內(nèi)在的聯(lián)系)，又注意了問題的適度開放.為了幫助學(xué)生理解問題，可以列舉具體事例對問題的含義加以說明，但不主張直白地提出“它們的速度變化快慢是否相同”、“它們的速度變化和速度變化快慢是否相同”一類的問題，因為這種問法有明確的指向性，不利于引起學(xué)生的建構(gòu)性思考.

(2)要基于對真實物理現(xiàn)象的觀察和思考來探究相關(guān)物理對象的屬性或特征

物理學(xué)習(xí)的根本目的在于認識物理世界，物理學(xué)習(xí)的根本途徑在于學(xué)習(xí)主體與物理世界的相互作用.因此，合理的方式應(yīng)該是讓學(xué)生在開放性問題的引導(dǎo)下去考察真實的運動現(xiàn)象，通過自己的觀察、實驗以及推斷、構(gòu)想，形成自己對概念所描述的物理對象的屬性或特征的認識.對“加速度”概念，要探究它所描述的物理對象的屬性或特征，不宜直接給出幾個變速運動物體的初速度、末速度及對應(yīng)時間等數(shù)據(jù)，讓學(xué)生推斷“誰的速度變化得快”，因為這種方式隔斷了學(xué)生與物理現(xiàn)象之間的相互作用，規(guī)避了學(xué)生在現(xiàn)象觀察中取舍信息、構(gòu)建理解的實際過程，將所探究的物理問題異化為數(shù)學(xué)習(xí)題.

(3)對現(xiàn)象的考察要先從日常觀察入手，再通過觀察、實驗逐步精密，漸次深入

學(xué)生的科學(xué)認識的形成不是靠線性的實驗歸納或邏輯推證一次性地完成的，而是通過對物理現(xiàn)象反復(fù)的、逐步深入的觀察與思考，經(jīng)歷多次的認知轉(zhuǎn)變而實現(xiàn)的.學(xué)生的探究也不是起始于課堂，他們在進入課堂之前就有相關(guān)的觀察經(jīng)驗，并由自己特有的認知方式構(gòu)建了相應(yīng)的理解，而他們的已有認知對后續(xù)學(xué)習(xí)會產(chǎn)生重要影響.讓學(xué)生意識到自己已有認知中的迷思概念和不當思維方式，并通過新的觀察與思考使之得到轉(zhuǎn)變，對其科學(xué)認識的形成具有重要意義.因此，課堂中的探究有必要從學(xué)生的日常觀察開始，然后通過觀察、實驗做逐步深入的觀察和思考.

對“加速度”概念，這一環(huán)節(jié)的設(shè)計可以是：

①讓學(xué)生對生活中常見的現(xiàn)象進行描述和分析.如，提出如下問題：“在多車道的十字路口，車輛遇到紅燈會在各自車道上停下來.當綠燈亮起時，并排的車輛幾乎同時啟動并沿直線通過路口.你是否注意到，不同車輛通過路口的運動可能有什么不同呢？”(鼓勵學(xué)生表述，可追問理由，但不做正誤評判.)

②展示現(xiàn)象，讓學(xué)生做定性的觀察和分析.如，給學(xué)生播放飛機、賽車、摩托車比賽的視頻，然后給學(xué)生布置任務(wù)：請大家用速度-時間圖像描述三者的運動，解釋你的描述，并比較三者的運動有什么不同.(要提示學(xué)生明確哪些結(jié)論是有充分證據(jù)的，哪些結(jié)論是有待進一步探討的.)

③讓學(xué)生進行進一步的實驗研究和現(xiàn)象分析.如，讓學(xué)生利用打點計時器，研究物體在不同傾角的斜面上的運動，根據(jù)打出的紙帶，分析物體的運動，通過更有力的數(shù)據(jù)分析辨別出新的運動特征.

在不少“加速度”的教學(xué)案例中，教師會選用相關(guān)生活現(xiàn)象或起跑比賽視頻，但卻僅僅用它們說明物體的運動具有“速度變化快慢”這一特征，由此導(dǎo)入“加速度”概念，而沒有將現(xiàn)象的描述與分析作為學(xué)生的探究任務(wù).讓學(xué)生進一步研究物體在斜面上的運動，借此引出“加速度”概念，這是蘇州大學(xué)朱正元教授在1970年代提出的方案[3]，而這一方案鮮明地體現(xiàn)了物理概念的探究教學(xué)的深刻內(nèi)涵.

(4)探究物理概念的定量表達方式

在學(xué)生辨別出物體的運動還可能具有“速度變化快慢”這一特征后，可以順利地引出“加速度”概念，并向?qū)W生提出問題：結(jié)合前面的實驗和以前的學(xué)習(xí)，你會用什么方式定量地描述物體運動“速度變化快慢”這一特征呢？(引導(dǎo)學(xué)生用各自不同的方式加以表達，與以前的速度概念的建構(gòu)方式聯(lián)系起來，在交流、討論的基礎(chǔ)上建立“加速度”的表達式.)

(5)對新建立的物理概念的定量表達形式進行必要的研討

物理概念定量表達形式的建立并不是必然的邏輯過程，而是基于對個別情境的研究而進行的建構(gòu)過程.要使物理概念具有超越個別情境的意義，能夠描述同類現(xiàn)象的共同本質(zhì)屬性或特征，需要對定量表達形式所能表達的物理意義進行進一步研討.

如，“加速度”的定量表達形式a=Δv/Δt是在研究幾個直線運動速度的量值變化快慢的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，但這一數(shù)學(xué)表達卻包含了矢量性.那么，加速度的矢量性如何理解？這是需要討論的.再者，這一表達形式只能反映Δt時間內(nèi)速度變化的平均快慢程度及方向，要描述瞬時加速度，就需要Δt趨于零，這一點也需要討論.

總之，物理概念的探究教學(xué)設(shè)計要讓學(xué)生在真實的物理情境下探究物理概念所描述的物理對象的本質(zhì)屬性或特征，并在交流、討論中構(gòu)建概念定量的表達形式.

參考文獻：

[1]官文櫟．走進高中物理教學(xué)現(xiàn)場[J]．北京：首都師范大學(xué)出版社，2008：40．

[2]王文清．促進認知轉(zhuǎn)變的探究教學(xué)模型研究[D]．北京師范大學(xué)，2012：61．

[3]朱正元．加強物理實驗提倡自制教具[J]．人民教育，1978，(1)：40-43．