PCK理論指導(dǎo)下的“速度變化快慢的描述——加速度”教學(xué)設(shè)計(jì)

居殿兵+郭如松

摘 要：學(xué)科教學(xué)知識(shí)（ PCK） 是教師的知識(shí)基礎(chǔ)，教師要有PCK理論并且能應(yīng)用PCK理論指導(dǎo)實(shí)際教學(xué)。本文以“速度變化快慢的描述——加速度”為例，將教師具有的專業(yè)知識(shí)、教學(xué)理論、多年教學(xué)形成的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到加速度的概念教學(xué)中，將學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化成學(xué)生有效獲得的學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)。從引入新課、引入概念、深入理解、深化應(yīng)用等方面應(yīng)用PCK理論，采取“問(wèn)題”引導(dǎo)方式，將新知識(shí)轉(zhuǎn)化成學(xué)生自己的知識(shí)。

關(guān)鍵詞：PCK理論；加速度；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）12-0066-4

1 PCK理論

PCK理論是20世紀(jì)80年代美國(guó)斯坦福大學(xué)教授舒爾曼提出來(lái)的一個(gè)概念，PCK是學(xué)科教學(xué)知識(shí)（Pedagogical Content Knowledge）的簡(jiǎn)稱，是指教師必須擁有所教學(xué)科的具體知識(shí)：事實(shí)、概念、規(guī)律、原理等，它定位于“學(xué)科知識(shí)”與“一般教育知識(shí)”之間的交叉之處，其核心內(nèi)涵在于將學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生可接受的形式。也就是說(shuō)，教師應(yīng)該具有將自己擁有的學(xué)科知識(shí)，根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的認(rèn)知水平和可能出現(xiàn)的問(wèn)題作預(yù)估，采用一定的方法，轉(zhuǎn)化成易于學(xué)生理解的表征形式的知識(shí)。

因此，教師在中學(xué)物理教學(xué)中，應(yīng)該努力從物理的學(xué)科特點(diǎn)、學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維角度出發(fā)，在教學(xué)思路的設(shè)計(jì)上動(dòng)腦筋；在教學(xué)方法的優(yōu)化上做文章；在教學(xué)手段的整合上花功夫。只有這樣，才能充分發(fā)揮物理課堂教學(xué)的效益，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

下面以“速度變化快慢的描述——加速度”教學(xué)為例，談?wù)凱CK理論在中學(xué)物理課堂教學(xué)中的實(shí)際作用。

2 PCK理論指導(dǎo)下的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教材分析

PCK視域下教師的學(xué)生知識(shí)是以特定具體內(nèi)容的學(xué)習(xí)為基本單元，教師必須明確知道這個(gè)特定內(nèi)容在整個(gè)教材體系中的地位，也必須明確課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解應(yīng)該達(dá)到的要求，同時(shí)還要兼顧《高考考試說(shuō)明》（或考試大綱）對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的要求。

加速度的概念，在整個(gè)必修課程中，該內(nèi)容的學(xué)習(xí)和掌握是非常必要的。加速度是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的一個(gè)重要的基本物理量，是比值法定義物理量的又一次應(yīng)用，在勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度、位移與時(shí)間關(guān)系中都有體現(xiàn)，是將運(yùn)動(dòng)和力聯(lián)系起來(lái)的橋梁。由于加速度概念與其他物理知識(shí)的聯(lián)系性強(qiáng)，涉及面廣，特別是在分析、解決跟動(dòng)力學(xué)相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題中經(jīng)常牽涉到，因此對(duì)加速度的理解和掌握程度如何，不僅直接關(guān)系到本章后續(xù)必修模塊的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，而且還將影響以后選修模塊的學(xué)習(xí)和掌握。所以，這一課時(shí)的內(nèi)容是本章知識(shí)的重點(diǎn)之一，本節(jié)課的關(guān)鍵是促進(jìn)學(xué)生對(duì)加速度概念的形成和理解。

2.2 學(xué)情了解

PCK的核心內(nèi)涵是將學(xué)術(shù)形態(tài)的學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)形態(tài)的學(xué)科知識(shí)，以幫助學(xué)生理解。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的教學(xué)化轉(zhuǎn)化，教師需要具有更為精細(xì)的有關(guān)學(xué)生的知識(shí)。

學(xué)生剛學(xué)習(xí)過(guò)“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”，可以測(cè)出課堂上剛打出紙帶上各點(diǎn)的速度，也學(xué)習(xí)了速度的概念，學(xué)會(huì)了用比值法來(lái)描述一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的快慢（位置變化快慢）。本節(jié)課可以讓學(xué)生回顧引出速度概念的過(guò)程，用類比方法遷移到加速度（速度變化快慢）的概念學(xué)習(xí)中來(lái)，探究出速度的增量與時(shí)間的比值是一定值，這給學(xué)習(xí)加速度這一概念降低了臺(tái)階。但由于學(xué)生抽象思維能力不強(qiáng)，對(duì)于速度、速度的變化、速度的變化快慢三者的區(qū)別很難分清，在學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)中，與加速度有關(guān)的現(xiàn)象不多，這更給學(xué)生形成和理解加速度的科學(xué)概念帶來(lái)了困難。

2.3 思路設(shè)計(jì)

PCK的本質(zhì)就是教師關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)。學(xué)術(shù)形態(tài)的學(xué)科知識(shí)是以學(xué)科專家為基本立場(chǎng)的，教學(xué)形態(tài)的學(xué)科知識(shí)是以學(xué)生為基本立場(chǎng)的。課堂教學(xué)要從學(xué)生學(xué)的角度來(lái)設(shè)計(jì)，突出學(xué)生的主體地位，可采用“問(wèn)題解決”學(xué)習(xí)模式進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。

1.高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)在課程目標(biāo)上的基本理念之一就是：“高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神?！睉?yīng)當(dāng)說(shuō)，在高中物理新教材中蘊(yùn)含著眾多的培養(yǎng)學(xué)生探究能力的資源。本節(jié)課“速度改變快慢的描述——加速度”就可以采取生活體驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)操作—規(guī)律探究—問(wèn)題解決的教學(xué)模式來(lái)進(jìn)行教學(xué)。

2.筆者參與研究的江蘇省揚(yáng)州市“十二五”課題“高中物理‘問(wèn)題解決教學(xué)模式構(gòu)建與創(chuàng)新的實(shí)踐研究”，研究的是高中物理“問(wèn)題解決”教學(xué)的規(guī)范模式的——“問(wèn)題連續(xù)體”教學(xué)模式的構(gòu)建。對(duì)于本節(jié)課，可以以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，以“問(wèn)題連續(xù)體”為問(wèn)題教學(xué)模式嘗試設(shè)計(jì)本課，運(yùn)用富有“層次性系列問(wèn)題”，聯(lián)系本課的基礎(chǔ)——實(shí)驗(yàn)，指向本課的目標(biāo)——探究加速度概念，充分突出學(xué)生的主體地位，給學(xué)生以自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的空間，以學(xué)生的“已知”開(kāi)拓學(xué)生的“未知”。

首先，課堂上教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，運(yùn)用科學(xué)思維，萌發(fā)并提煉出科學(xué)問(wèn)題，使教學(xué)過(guò)程成為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程。讓學(xué)生用探究的方法，“走”一遍加速度概念的建立過(guò)程，按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從特殊到一般的順序進(jìn)行探究，順理成章、水到渠成地引出加速度的概念。然后，從公式和圖像兩個(gè)方面加以理解，通過(guò)對(duì)生活和實(shí)驗(yàn)中加速度和速度概念的分析對(duì)比，加深理解加速度的物理意義。

本課時(shí)教學(xué)的設(shè)計(jì)流程是：創(chuàng)設(shè)情境（學(xué)生主觀感受，第一層是運(yùn)動(dòng)物體有速度，第二層是運(yùn)動(dòng)物體速度有變化，第三層是運(yùn)動(dòng)物體的速度變化有快有慢）→提出問(wèn)題（教師事先預(yù)設(shè)問(wèn)題，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程根據(jù)實(shí)際情況提出問(wèn)題）→拓展探究（師生交流、分組討論、合作探究、分析論證，最終深刻理解加速度的概念）。

2.4 課堂教學(xué)

活動(dòng)1 引入新課

舒爾曼關(guān)于 PCK 概念的核心要素之一是關(guān)于學(xué)科內(nèi)容知識(shí)的呈現(xiàn)，課堂引入是內(nèi)容呈現(xiàn)的一個(gè)重要方面。好的課堂引入能夠一下子抓住學(xué)生的心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果，好的課堂引入也是教師專業(yè)素養(yǎng)高低的體現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際條件和效果，本節(jié)課可采用視頻播放引入新課。

情景1：播放城市中繁忙的交通景象和運(yùn)動(dòng)員激烈的短跑場(chǎng)景。

【設(shè)計(jì)意圖】 從日常生活情境出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的求知興趣和探究欲望，讓學(xué)生感受運(yùn)動(dòng)物體的位置是不斷變化的，即運(yùn)動(dòng)物體具有速度。

情景2：播放公路上不同交通工具的運(yùn)動(dòng)情況及足球在草地上和籃球在空中的運(yùn)動(dòng)情況。

【設(shè)計(jì)意圖】 讓學(xué)生感受運(yùn)動(dòng)物體速度有變化。

情景3：播放轎車啟動(dòng)和火車出站時(shí)啟動(dòng)過(guò)程。

【設(shè)計(jì)意圖】 讓學(xué)生感受運(yùn)動(dòng)物體的速度變化有快有慢。

問(wèn)題1：轎車的啟動(dòng)與火車的啟動(dòng)有何不同？

學(xué)生回答可能有多種情況，例如：

（1）轎車比火車運(yùn)動(dòng)得快。

（2）轎車啟動(dòng)所用的時(shí)間短。

（3）轎車的速度改變得更大。

教師對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行鼓勵(lì)、肯定，經(jīng)過(guò)提示、點(diǎn)撥，得出轎車與火車啟動(dòng)過(guò)程中速度改變的快慢是不一樣的。

活動(dòng)2 引入概念

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，每個(gè)概念的建立、每個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，都有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，可以說(shuō)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有物理學(xué)。有豐富PCK的教師都知道，視頻、多媒體、仿真實(shí)驗(yàn)，都代替不了真正的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也渴望做實(shí)驗(yàn)。本節(jié)課，可以通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)引入加速度概念。

【設(shè)計(jì)意圖】 之前都是播放視頻或是在紙上設(shè)計(jì)問(wèn)題，讓人感覺(jué)是杜撰的，也覺(jué)得離生活實(shí)際太遠(yuǎn)，不是物理學(xué)的本質(zhì)。物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，要有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，所以課上做真實(shí)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，采集速度與時(shí)間關(guān)系的實(shí)際數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)要簡(jiǎn)潔，不宜用高級(jí)和過(guò)多的實(shí)驗(yàn)器材，故選擇“自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”。由于學(xué)生還沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)，不需要涉及具體名詞和求出具體的函數(shù)關(guān)系。

完成實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生運(yùn)用剛學(xué)過(guò)的“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”的方法測(cè)量紙帶上各點(diǎn)的速度，是對(duì)學(xué)過(guò)的方法的應(yīng)用與鞏固。采取列表的方法，列出各點(diǎn)的速度與時(shí)間的關(guān)系，以便運(yùn)用類比法探究重錘運(yùn)動(dòng)中的不變量。

遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的學(xué)習(xí)規(guī)律，初速度從零開(kāi)始，再拓展到不為零的情況。

問(wèn)題1：如何求紙帶上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度？

結(jié)論：短時(shí)間的平均速度等于瞬時(shí)值。

問(wèn)題2：重錘運(yùn)動(dòng)中有什么不變量？

結(jié)論：速度與時(shí)間的比值是一定值。

問(wèn)題3：假如去掉前面的一段運(yùn)動(dòng)，速度與時(shí)間又有什么規(guī)律呢？

結(jié)論：速度的變化與時(shí)間的比值仍是一定值。

問(wèn)題4：哪一個(gè)更具有一般性呢？

結(jié)論：去掉前面的一段運(yùn)動(dòng)。

活動(dòng)3 深入理解

經(jīng)過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了加速度的定義，作為有豐富PCK的教師，應(yīng)對(duì)教學(xué)有一定的預(yù)見(jiàn)性，應(yīng)該知道，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中還存在哪些難理解的地方、有哪些易出錯(cuò)的問(wèn)題，用什么樣的方法來(lái)糾正。

1.理解加速度的矢量性

例題1 A車在2 s的時(shí)間內(nèi)速度由10 m/s變?yōu)?5 m/s，則它的加速度是多大？B車在3 s的時(shí)間內(nèi)速度由10 m/s變?yōu)?.5 m/s，則它的加速度是多大？

【設(shè)計(jì)意圖】 首先，讓學(xué)生分組討論，讓他們自主認(rèn)識(shí)到加速度只有大小還不能說(shuō)明具體問(wèn)題，要說(shuō)明具體問(wèn)題一定需要另一個(gè)因素，這一因素即為加速度的方向；然后，從公式角度理解加速度與速度變化量的方向關(guān)系；最后，讓學(xué)生分別作出A、B兩物體的初、末速度圖示，通過(guò)圖示法確定出速度變化量的大小和方向，總結(jié)出加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)物體的加速度方向跟速度方向的關(guān)系：加速運(yùn)動(dòng)的加速度方向與速度方向相同，減速運(yùn)動(dòng)的加速度方向與速度方向相反。

2.前概念的消除

舒爾曼關(guān)于 PCK 概念的核心要素之二是對(duì)學(xué)生前概念、概念以及具體學(xué)習(xí)困難的理解。具有豐富PCK的教師，對(duì)學(xué)生可能出現(xiàn)的問(wèn)題要心中有數(shù)，會(huì)針對(duì)性地進(jìn)行矯正。學(xué)生是一個(gè)空瓶子，常常充滿著直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，干擾科學(xué)概念的建立和理解，可以在課堂上以“問(wèn)題解決”模式探究、辯析錯(cuò)誤的前概念，避免對(duì)新概念的錯(cuò)誤理解。

例如：可以設(shè)計(jì)如下問(wèn)題：

問(wèn)題1：加速度是不是速度？是不是加出來(lái)的速度？

結(jié)論：回顧探究過(guò)程，加速度是用來(lái)描述速度變化快慢，其大小是增加或減少的速度與所用時(shí)間之比。

問(wèn)題2：加速度是不是與速度變化成正比，與時(shí)間成反比？

結(jié)論：回顧探究過(guò)程，物體做勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度變化與時(shí)間比值是一定的，變化大所用的時(shí)間也大，變化小所用的時(shí)間也小。

問(wèn)題3：速度為零，加速度是否一定為零？加速度為零，速度是否一定為零？

結(jié)論：速度有變化就有加速度，速度可以從零開(kāi)始變化，即速度為零可以有加速度。加速度為零，只說(shuō)明速度不變，不一定速度是零。

問(wèn)題4：加速度逐漸變小，物體的速度是否一定減?。考铀俣戎饾u變大，物體的速度是否一定變大？

結(jié)論：當(dāng)加速度方向與速度方向相同時(shí)，盡管加速度在減小，速度大小還是在增加。也可以打這樣一個(gè)比方：一個(gè)人站在磅秤上稱體重，同時(shí)他在吃巧克力，第1分鐘吃5塊，第2分鐘吃4塊，第3分鐘吃3塊，第4分鐘吃2塊，磅秤的示數(shù)是增加的。當(dāng)加速度的方向與初速度方向相反時(shí)，物體做減速運(yùn)動(dòng)，加速度變大物體的速度在減小。

問(wèn)題5：有沒(méi)有速度很大，而加速度很小的情況？

展示課件：飛機(jī)水平勻速飛行。

問(wèn)題6：有沒(méi)有速度很小，而加速度很大的情況？

展示課件：火箭發(fā)射升空過(guò)程。

【設(shè)計(jì)意圖】 設(shè)計(jì)似是而非的問(wèn)題，讓學(xué)生在討論、爭(zhēng)辯中澄清問(wèn)題，消除錯(cuò)誤前概念。

3.v-t圖像中的加速度

利用前面打出一條理想的紙帶，根據(jù)列表法中求得的各點(diǎn)的速度，再讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用描點(diǎn)法畫(huà)出運(yùn)動(dòng)物體的v-t圖像。

【設(shè)計(jì)意圖】 鍛煉運(yùn)用圖像分析物理問(wèn)題的能力，根據(jù)圖像總結(jié)出規(guī)律：直線的傾斜程度表示加速度的大小，傾斜程度越大，加速度越大。

活動(dòng)4 深化應(yīng)用

教師的PCK不僅涉及如何教授學(xué)科知識(shí)，而且更為重要的是要促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，要使學(xué)生能對(duì)學(xué)習(xí)的知識(shí)活學(xué)活用，會(huì)處理實(shí)際問(wèn)題，可設(shè)計(jì)一個(gè)與日常生活有關(guān)的實(shí)際問(wèn)題。

問(wèn)題1：在很多國(guó)家，交通管理部門(mén)為了交通安全，特制定了死亡加速度500 g （5000 m/s2）這一數(shù)值，以醒世人。意思是，如果行車加速度超過(guò)此值，將有生命危險(xiǎn)。那么，大的加速度，一般情況下車輛是達(dá)不到的，但如果發(fā)生交通事故時(shí)，將會(huì)達(dá)到這一數(shù)值，因?yàn)橥ǔ＼囕v碰撞的時(shí)間短，大多為毫秒級(jí)。

例題2 假如汽車以90 km/h的速度行駛，發(fā)生事故與高速公路隔離護(hù)欄發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間為0.004 s，碰撞后速度變?yōu)榱?。那么，碰撞過(guò)程中的汽車加速度有多大？

【設(shè)計(jì)意圖】 學(xué)生能學(xué)以致用，能將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成物理模型，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)通過(guò)閱讀以上內(nèi)容增強(qiáng)學(xué)生的交通安全意識(shí)，進(jìn)一步理解乘坐汽車需要系安全帶，騎摩托車需要戴安全頭盔的道理。

3 教學(xué)反思

教師的PCK是在日常教學(xué)實(shí)踐中自主構(gòu)建的，要從經(jīng)驗(yàn)上升到理論，就需要不斷反思，波斯納認(rèn)為沒(méi)有反思的經(jīng)驗(yàn)是狹隘的經(jīng)驗(yàn)，至多只能成為膚淺的知識(shí)。研究表明， PCK最重要的來(lái)源是教師“自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和反思”。

本節(jié)課主要的目的是建立并理解加速度的概念，在引出加速度的概念時(shí)降低臺(tái)階，然后步步登高，充分激活學(xué)生的思維，從易到難、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從形象到抽象，符合學(xué)生的思維發(fā)展規(guī)律，容易為學(xué)生所接受。應(yīng)用問(wèn)題教學(xué)模式，可以較大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的積極性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，強(qiáng)化物理知識(shí)的形成過(guò)程，使學(xué)生學(xué)會(huì)探索自然規(guī)律的基本方法，從而使學(xué)生獲得基本的探究能力和創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生對(duì)概念的理解更準(zhǔn)確，知識(shí)的掌握更牢固。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮茁，曲鐵華.從PCK到PCKg：教師專業(yè)發(fā)展的新轉(zhuǎn)向[J].外國(guó)教育研究，2006，33（12）：58—63.

[2]梁永平.PCK視域下教師的學(xué)生知識(shí)及其發(fā)展[J].教育科學(xué)，2013，29（15）：58—63.

[3]李斌輝.中小學(xué)教師PCK發(fā)展策略[J].教育發(fā)展研究，2011（6）：47—52.

（欄目編輯 鄧 磊）