例談基于學(xué)科核心素養(yǎng)的物理概念教學(xué)

胡皓云

摘 要：物理概念是整個(gè)物理學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)，也是物理思維的基礎(chǔ)。物理概念是核心素養(yǎng)中物理觀念的重要組成部分。本文通過(guò)以“加速度”概念教學(xué)為例，總結(jié)物理概念的教學(xué)模式以及概念教學(xué)中物理教學(xué)方法的應(yīng)用分析，探討在物理概念教學(xué)中如何落實(shí)物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；物理概念；概念教學(xué)；加速度

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）10-0008-4

2014年3月30日《教育部關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》正式印發(fā)，該文件提出各學(xué)段學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)體系，明確學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，突出強(qiáng)調(diào)個(gè)人修養(yǎng)、社會(huì)關(guān)愛(ài)、家國(guó)情懷，更加注重自主發(fā)展、合作參與、創(chuàng)新實(shí)踐[1]。核心素養(yǎng)的提出既回答了我們要培養(yǎng)什么樣的人，同樣也是新的課程標(biāo)準(zhǔn)制定的重要依據(jù)。

我們?cè)谡J(rèn)識(shí)世界過(guò)程中對(duì)客觀事物共同屬性和本質(zhì)特征的抽象形成了物理概念，物理概念反映物理事實(shí)中最本質(zhì)的東西，而物理規(guī)律本身就表達(dá)了有關(guān)物理概念之間的相互聯(lián)系與嚴(yán)格的數(shù)量依存關(guān)系[2]。從物理概念轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砹块_(kāi)始，它利用種種數(shù)學(xué)表達(dá)手段為理論發(fā)展與實(shí)踐研究開(kāi)辟道路，使物理學(xué)的結(jié)構(gòu)可以隨時(shí)加以嚴(yán)格檢驗(yàn)。物理學(xué)發(fā)展過(guò)程也是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程，在認(rèn)識(shí)世界過(guò)程中對(duì)客觀事物共同屬性和本質(zhì)特征的抽象形成了物理概念，探索物理現(xiàn)象內(nèi)在聯(lián)系的過(guò)程中形成了物理原理和規(guī)律[3]。學(xué)生只有掌握好物理概念，才能理解物理事實(shí)，掌握物理規(guī)律，真正提升其核心素養(yǎng)。核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理概念教學(xué)更加要求注重科學(xué)研究方法的應(yīng)用、關(guān)注學(xué)生真實(shí)的情感體驗(yàn)、借助原始物理問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和意識(shí)[2]。

學(xué)生對(duì)物理概念的建立一般會(huì)經(jīng)歷情景感知、思維加工、順應(yīng)生成、應(yīng)用遷移、形成結(jié)構(gòu)這五個(gè)階段。下面以“加速度”概念為例具體闡述在各環(huán)節(jié)中如何培養(yǎng)相應(yīng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)以及如何設(shè)計(jì)出具體教學(xué)方案提升學(xué)生相應(yīng)核心素養(yǎng)。進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)首要任務(wù)是要有明確的教學(xué)目標(biāo)，對(duì)于加速度概念可從核心素養(yǎng)的四個(gè)方面來(lái)制定具體目標(biāo)（如表1）。

1 情景感知

學(xué)生在形成概念過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)感性認(rèn)識(shí)不足的心理阻礙，這就要求老師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情景讓學(xué)生獲取豐富的感性認(rèn)識(shí)。物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)面對(duì)未知的、 “原始”的問(wèn)題情境，這些原始問(wèn)題可以是課堂生成的，也可以來(lái)自生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。學(xué)生像科學(xué)家那樣“獨(dú)立地嘗試用各種方法研究問(wèn)題”，在不斷嘗試的過(guò)程中，開(kāi)拓視野、發(fā)展能力，不僅獲得了知識(shí)，更重要的是體驗(yàn)到了科學(xué)探究的樂(lè)趣和科學(xué)精神，形成良好的科學(xué)研究態(tài)度[4]。課前教師可以剪輯摩托車(chē)、動(dòng)車(chē)、戰(zhàn)斗機(jī)加速的三段視頻，學(xué)生通過(guò)觀察視頻，對(duì)直觀材料進(jìn)行信息提取，如表2。

在真實(shí)情景中引導(dǎo)學(xué)生自然而然地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題。通過(guò)表2分析可看出三者速度的變化大小和變化快慢均不相同。那么，如何比較速度變化快慢呢？提示學(xué)生回顧描述位置變化快慢而引入速度概念的學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)類(lèi)比學(xué)習(xí)，相互討論得出：速度變化相同只需要比較所用時(shí)間，所用時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明速度變化越慢；時(shí)間相同則只需要比較速度變化量，變化量越大則速度變化越快；速度變化與時(shí)間均不相同，則比較單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量，單位時(shí)間內(nèi)速度變化量越大，速度變化越快。

2 思維加工

學(xué)生對(duì)相關(guān)物理問(wèn)題的感性材料進(jìn)行科學(xué)抽象，得出結(jié)論后，怎樣才算形成了物理概念呢？首先要明確這個(gè)概念的物理意義，能說(shuō)出這個(gè)概念是如何定義的，同時(shí)對(duì)于有定義式的物理量要記住它的定義式及單位，明確概念的適用范圍，還要特別注意相近概念之間的區(qū)別和聯(lián)系[4] 。

教師水到渠成地引導(dǎo)學(xué)生引入表征速度變化快慢的物理量，引出加速度的物理意義，鼓勵(lì)學(xué)生揭示概念本質(zhì)并用專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言進(jìn)行描述。

加速的物理意義：描述速度變化快慢的物理量。

加速度的定義：加速度是速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值。

計(jì)算公式：a==（1）

單位：m/s2。

矢量性：加速度的方向與速度的變化量的方向相同。

通過(guò)比較、分析、綜合等思維活動(dòng)，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，抽象出加速度概念，學(xué)生在提出物理問(wèn)題、解決物理問(wèn)題等方面獲得具體的成果，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法。得到成功的體驗(yàn)，這樣可以更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。學(xué)習(xí)用比值法定義速度變化的快慢，接著可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究測(cè)定物體的加速度。

問(wèn)題1：要測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體的加速度，至少需要測(cè)量哪些物理量？

問(wèn)題2：我們已經(jīng)學(xué)過(guò)什么方法可以測(cè)物體的初速度、末速度和時(shí)間？

學(xué)生通過(guò)討論得出：要測(cè)量物體的加速度，需要先測(cè)量物體的初速度和末速度及對(duì)應(yīng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。為了更快速和直觀地幫助學(xué)生理解加速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，本課創(chuàng)設(shè)用光電門(mén)和數(shù)字計(jì)時(shí)器在斜面上來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生討論設(shè)計(jì)出記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格。（如表3）

教學(xué)實(shí)踐表明通過(guò)以上探究實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生理解加速度定義式中各物理量的準(zhǔn)確含義。

3 順應(yīng)生成

大量研究證明，傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教與學(xué)之間存在距離。研究者認(rèn)為，是因?yàn)閷W(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前，大腦中已經(jīng)存在了一些來(lái)自于生活經(jīng)驗(yàn)的對(duì)一般物理現(xiàn)象的直覺(jué)認(rèn)識(shí)，通常被稱(chēng)為前概念[5]。學(xué)習(xí)新概念時(shí)一些前概念會(huì)對(duì)學(xué)生思維造成很大的消極影響。比如，部分學(xué)生從字面上理解加速度就是物體運(yùn)動(dòng)中增加的速度，此時(shí)應(yīng)及時(shí)通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)成的物理情景進(jìn)行概念辨析，使學(xué)生明確概念的內(nèi)涵和外延。

問(wèn)題1：如果給小車(chē)一個(gè)初速度，讓它沿著斜面往上滑，會(huì)出現(xiàn)什么情況？

問(wèn)題2：用較小的末速度減去較大的初速度，得到的速度的變化量是一個(gè)負(fù)值，由此得到的加速度也是一個(gè)負(fù)值，那么這個(gè)負(fù)值表示什么意思？endprint

問(wèn)題3：兩個(gè)加速度分別是4 m/s2和-8 m/s2，那么哪一個(gè)加速度更大？

問(wèn)題4：我們剛才算出的加速度對(duì)應(yīng)過(guò)程量還是狀態(tài)量？引出平均加速度的概念。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到，當(dāng)討論“平均加速度”時(shí)，必須說(shuō)明是在哪一段時(shí)間內(nèi)，物體整個(gè)運(yùn)動(dòng)的平均加速度并不一定和運(yùn)動(dòng)中某一段時(shí)間的平均加速度相同。

問(wèn)題5：如果我們要了解物體在每一個(gè)時(shí)刻的加速度情況，需要引入“瞬時(shí)加速度”這個(gè)概念，那么我們有什么辦法能測(cè)量一個(gè)物體的瞬時(shí)加速度？[6]

通過(guò)討論得出：物體有加速度并不一定表明物體速度就是增加的，加速度的方向與初速度的方向關(guān)系決定了物體做加速運(yùn)動(dòng)還是減速運(yùn)動(dòng)；同時(shí)對(duì)速度、速度的變化量和速度變化率概念進(jìn)行區(qū)分；進(jìn)一步明確加速度的矢量性，及矢量大小比較方法；復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)速度概念時(shí)由平均速度定義式求瞬時(shí)速度的方法，類(lèi)推瞬時(shí)加速度的求法，引導(dǎo)學(xué)生把極限思想遷移應(yīng)用。根據(jù)加速度的定義式a==，可知如果當(dāng)所取非常小的Δt時(shí)，此時(shí)算出的加速度可以近似地認(rèn)為是某時(shí)刻的瞬時(shí)加速度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析綜合、歸納演繹等方法，辨析相近概念的區(qū)別與聯(lián)系，排除相關(guān)概念的干擾，揭示概念的本質(zhì)。在教師設(shè)置的具體問(wèn)題情景中幫助學(xué)生順應(yīng)生成新的物理概念。

4 應(yīng)用遷移

當(dāng)新概念建立后應(yīng)及時(shí)激發(fā)學(xué)生思維，提出適合學(xué)生水平的實(shí)際問(wèn)題。教師介紹死亡加速度：在很多國(guó)家，交通管理部門(mén)特制定了死亡加速度5 000 m/s2這一數(shù)值，以醒世人。意思是如果行車(chē)加速度超過(guò)此值，就有生命危險(xiǎn)。那么大的加速度，一般情況下車(chē)輛是達(dá)不到的，但如果發(fā)生碰撞等交通事故時(shí)，將會(huì)達(dá)到這一數(shù)值，因?yàn)橥ǔ＼?chē)輛碰撞的時(shí)間很短，大多為毫秒級(jí)。假如一輛汽車(chē)以90 km/h（25 m/s）的速度行駛，因發(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，碰撞后速度即變?yōu)榱?，那么在碰撞過(guò)程中的汽車(chē)加速度有多大？[6]

通過(guò)問(wèn)題分析，讓學(xué)生在減速運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用加速度定義式，學(xué)生得出a=-6 250 m/s2。同時(shí)讓學(xué)生加深對(duì)瞬時(shí)加速度的理解，即一般物體的速度不一定大，但是其瞬時(shí)加速度可能很大。通過(guò)分析再次引導(dǎo)學(xué)生分析速度大小、速度的變化量和速度的變化快慢之間在數(shù)量上沒(méi)有必然的關(guān)系，從而有效地消除前概念對(duì)新概念建立的消極影響。同時(shí)喚起學(xué)生對(duì)交通安全的重視意識(shí)，體會(huì)到安全帶、安全氣囊和公路限速對(duì)交通安全的意義。

人的一生中科學(xué)素養(yǎng)都在不斷發(fā)展和深入，早期的科學(xué)教育將對(duì)一個(gè)人科學(xué)素養(yǎng)的形成產(chǎn)生決定性的作用。學(xué)生通過(guò)物理課程的學(xué)習(xí)，不僅要能夠解析 “模型化”的物理試題，更要有解釋生活中物理現(xiàn)象的意識(shí)，并具有利用科學(xué)知識(shí)和方法去解決學(xué)習(xí)、生活和工作中遇到的問(wèn)題的能力 。

5 形成結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)的過(guò)程就是在已有知識(shí)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，用已有知識(shí)解決新問(wèn)題的過(guò)程。位移、速度等概念的學(xué)習(xí)為加速度概念的建立提供了必要的知識(shí)準(zhǔn)備和方法引領(lǐng)，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的深入，他們會(huì)理解加速度概念的引入是研究運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的必要組成部分。加速度概念建立過(guò)程如圖1所示。

實(shí)施核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)，要教師轉(zhuǎn)變教學(xué)的價(jià)值觀念，認(rèn)識(shí)到物理教學(xué)的目的不在于對(duì)物理知識(shí)的記憶和再現(xiàn)，而在于知識(shí)和方法的應(yīng)用，在解決問(wèn)題過(guò)程中逐步形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)[2]。事實(shí)是認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，人的認(rèn)識(shí)從感性認(rèn)識(shí)開(kāi)始，最終要上升到理性認(rèn)識(shí)。在物理概念教學(xué)中，就要求教師重視情景的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、比較、思考，掌握分析綜合、抽象概括等科學(xué)思維，經(jīng)歷充分的思維碰撞后進(jìn)行總結(jié)歸納，上升到理性認(rèn)識(shí)，最終形成正確的物理概念。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 趙保鋼）endprint