“速度變化快慢的描述：加速度”教法研究及建議

【摘 要】通過(guò)對(duì)人教版高中物理必修1第1章第5節(jié)“速度變化快慢的描述：加速度”的教材、教法進(jìn)行分析，對(duì)該節(jié)課教學(xué)提出重視概念建構(gòu)、強(qiáng)化深度分析等教學(xué)建議。

【關(guān)鍵詞】加速度;教法分析;高中物理

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號(hào)】1005-6009（2020）51-0056-05

【作者簡(jiǎn)介】王治國(guó)，南京市雨花臺(tái)中學(xué)（南京，210012）教師，高級(jí)教師。

人教版高中物理必修1第1章第5節(jié)“速度變化快慢的描述：加速度”是學(xué)生從初中進(jìn)入高中接觸到的第一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容，其中包含著許多重要的物理思想方法，是進(jìn)行物理思想方法教育和引導(dǎo)學(xué)生逐漸適應(yīng)高中學(xué)習(xí)的好素材?！凹铀俣取北容^抽象，不像速度和速度的變化量那么容易感知，不少學(xué)生對(duì)速度變化快慢的認(rèn)識(shí)僅停留在數(shù)據(jù)感知，缺乏親身體驗(yàn)，對(duì)“加速度”這一概念的內(nèi)涵認(rèn)識(shí)模糊，難以理解加速度與速度、速度變化量的關(guān)系;對(duì)建立和理解加速度過(guò)程中蘊(yùn)含的科學(xué)思想方法未能深刻領(lǐng)會(huì)。“如何做好初、高中物理教學(xué)的銜接，降低加速度學(xué)習(xí)過(guò)程中的臺(tái)階，幫助學(xué)生深刻理解加速度的概念，領(lǐng)會(huì)其中蘊(yùn)含的科學(xué)思想方法”一直是廣大物理教師研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文試圖通過(guò)對(duì)本節(jié)課教材、教法的分析，探究形成學(xué)生認(rèn)知困難的主要原因以及探索在本節(jié)課中有效開(kāi)展概念教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的方法。

一、教材、教法分析

人教版教材把“加速度”安排在“時(shí)間與位移”“速度”“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度”等內(nèi)容之后來(lái)學(xué)習(xí)，這種安排遵循了人類(lèi)認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律——從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從直觀到抽象，體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)加速度概念的形成和理解。

從教材內(nèi)容來(lái)看，人教版采用的是“數(shù)據(jù)呈現(xiàn)現(xiàn)象”的方式，通過(guò)“思考與討論”中的小型轎車(chē)和旅客列車(chē)起步數(shù)據(jù)的分析，讓學(xué)生在理解“速度大、速度變化大、速度變化快”不同含義的基礎(chǔ)上利用比值定義法來(lái)建立“加速度”的概念。這種呈現(xiàn)方式，有利于初、高中知識(shí)的銜接，符合從感性到理性的認(rèn)知規(guī)律，但缺少生活中“速度變化快慢”感官體驗(yàn)（如急剎車(chē)時(shí)人的狀態(tài)、汽車(chē)加速時(shí)的推背感等）的呈現(xiàn)，對(duì)引入加速度概念的必要性沒(méi)有充分重視。

教材將“加速度方向與速度方向關(guān)系”與“從v-t圖象看加速度”兩部分作為認(rèn)識(shí)和理解加速度概念的主要內(nèi)容，并設(shè)置了“說(shuō)一說(shuō)”“思考與討論”“科學(xué)漫步”等欄目，既突出了加速度教學(xué)中的重、難點(diǎn)，又促進(jìn)了概念的內(nèi)化，體現(xiàn)了教材的基礎(chǔ)性和選擇性。

在學(xué)習(xí)速度概念時(shí)，教材引入了平均速度和瞬時(shí)速度來(lái)描述變速運(yùn)動(dòng)的快慢，在描述速度變化快慢時(shí)，教材卻沒(méi)有引入平均加速度和瞬時(shí)加速度的概念，從邏輯上來(lái)看，這種安排反映了教材在加速度概念呈現(xiàn)上的不完整。

筆者曾多次參與“加速度”的觀摩教學(xué)活動(dòng)，關(guān)注了多位老師的處理方法，比較有代表性的是以下兩種教法。

第一種教法對(duì)加速度概念的建構(gòu)過(guò)程重視不夠，只注重素材的呈現(xiàn)，認(rèn)為素材越多、越新奇、越時(shí)尚越好，學(xué)生只要看了素材，就能領(lǐng)會(huì)其中的含義，把教學(xué)重點(diǎn)放在對(duì)概念的記憶和解題訓(xùn)練上，忽略了讓學(xué)生在概念建立過(guò)程中理解加速度的內(nèi)涵，表現(xiàn)在課堂上是“運(yùn)算多，理解少;抽象多，體驗(yàn)少;結(jié)論多，探究少”。

第二種教法是突出探究教學(xué)作用，將探究教學(xué)貫穿在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)創(chuàng)設(shè)幾組物理情景和數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察、比較獲取感性認(rèn)識(shí)，運(yùn)用分析、歸納等思維活動(dòng)來(lái)建立加速度概念;引導(dǎo)學(xué)生利用“作矢量圖”的方法探究“加速度方向與速度方向關(guān)系”;利用實(shí)驗(yàn)課中的v-t圖象，引導(dǎo)學(xué)生探究圖象斜率的意義。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，第一種教法，不注意素材的精選與深度挖掘，呈現(xiàn)給學(xué)生的是一大堆文字、圖片、視頻等素材，有些素材看起來(lái)很震撼、時(shí)尚，但脫離學(xué)生的實(shí)際生活，學(xué)生無(wú)法從中獲得真實(shí)的體驗(yàn)和感受。同時(shí)，過(guò)多的相似或重復(fù)的素材，也沖淡了教學(xué)主題，降低了教學(xué)效率。

由于加速度的建構(gòu)過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)略，學(xué)生對(duì)速度變化與速度變化快慢沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的比較和體驗(yàn)，也沒(méi)有參與到分析、概括等思維活動(dòng)中，對(duì)“比值法”等物理思想方法缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)加速度的概念認(rèn)識(shí)模糊，難以理解加速度與速度變化的關(guān)系，也失去了一次很好的建構(gòu)“運(yùn)動(dòng)觀”、提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的機(jī)會(huì)。

第二種采用探究式教學(xué)的處理方法，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性有了一定的提高，對(duì)速度變化快慢也有一定的感知，但是在探究過(guò)程中只注重?cái)?shù)據(jù)分析，不關(guān)注學(xué)生的親身體驗(yàn)，常常是把教師的思維強(qiáng)加給學(xué)生，為了探究而探究，忽視了物理概念建立方法的引導(dǎo)，科學(xué)思維的培養(yǎng)沒(méi)有凸顯出來(lái)，從而失去一次方法教育的良機(jī)。

二、教學(xué)建議

1.強(qiáng)化感官體驗(yàn)，循序漸進(jìn)地構(gòu)建概念。

大多數(shù)高一學(xué)生還不習(xí)慣抽象的、理論性強(qiáng)的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)象的觀察、分析、概括等抽象思維能力還未形成，他們?nèi)菀桌斫狻奥烦獭⑽灰?、速度”等物理量，但?duì)加速度概念（速度變化率）的認(rèn)知有困難。形成這個(gè)困難的癥結(jié)是對(duì)“速度、速度的變化”及“速度變化快慢”沒(méi)有真正地領(lǐng)會(huì)，雖然他們有日常生活中“速度變化”和“速度變化快慢”的經(jīng)歷，但對(duì)這種“經(jīng)歷”缺乏指向性的感悟（體驗(yàn)）。因此，在教學(xué)時(shí)要注重創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的、具有鮮明特征的物理情境，以豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察、比較、分析、歸納等思維過(guò)程，由淺入深、循序漸進(jìn)地構(gòu)建加速度的概念。

例如，在教學(xué)過(guò)程中，筆者分三個(gè)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生來(lái)感知“速度、速度的變化”及“速度變化快慢”。

（1）以“身體”感知速度變化和速度變化快慢。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中汽車(chē)起動(dòng)和剎車(chē)的分析，體會(huì)速度變化的存在，通過(guò)生活中小汽車(chē)加速時(shí)的推背感強(qiáng)烈程度和公交車(chē)正常進(jìn)入車(chē)站和突發(fā)情況時(shí)的緊急剎車(chē)的身體感受，領(lǐng)會(huì)到生活中“速度變化快慢”的真實(shí)存在，領(lǐng)會(huì)引入加速度概念的必要性。

（2）以“數(shù)據(jù)”感知速度變化和速度變化快慢。通過(guò)記錄以下幾種交通工具速度變化的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），引導(dǎo)學(xué)生分析討論：①最終哪個(gè)運(yùn)動(dòng)最快？②哪個(gè)速度變化最大？③哪個(gè)速度變化最快？

（3）用“圖示”來(lái)感知速度變化大小Δv及其方向。引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出上表中各個(gè)交通工具速度及變化的矢量圖（見(jiàn)圖1），讓學(xué)生學(xué)會(huì)“如何表示速度變化量的大小和方向”“怎樣從速度與速度變化量的方向關(guān)系中判斷加速或減速”。

通過(guò)創(chuàng)設(shè)源于學(xué)生實(shí)際生活的物理情景，引導(dǎo)學(xué)生從“身體感知”到“數(shù)據(jù)感知”，再到“圖示感知”，從直觀的體驗(yàn)到抽象的深層次理解，學(xué)生對(duì)速度變化和速度變化快慢的認(rèn)識(shí)循序漸進(jìn)、逐級(jí)抬高，學(xué)習(xí)加速度也就順理成章。這樣的做法既深度挖掘了加速度概念的含義，又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

2.精選教學(xué)素材，強(qiáng)化深度分析。

加速度概念抽象，如果沒(méi)有特定的引導(dǎo)，學(xué)生很難感受到加速度的存在，更不會(huì)自發(fā)形成加速度概念。要構(gòu)建加速度概念，必須要有相應(yīng)感性認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)生只有在對(duì)相關(guān)教學(xué)素材的分析、歸納、總結(jié)等思維活動(dòng)基礎(chǔ)上才能逐步形成“描述速度變化快慢”表象，進(jìn)而理解加速度的本質(zhì)屬性，因此教學(xué)素材的選擇起著至關(guān)重要的作用。

筆者認(rèn)為，教學(xué)素材的選擇應(yīng)當(dāng)源于學(xué)生的實(shí)際生活，凸顯問(wèn)題的本質(zhì)，有利于喚醒學(xué)生的生活體驗(yàn)，能有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，使之能夠?yàn)楦拍顦?gòu)建醞釀?wù)J知情境，進(jìn)而更直觀地得出教學(xué)觀點(diǎn)，宜少不宜多，宜精不宜雜。還要對(duì)選用的教學(xué)素材進(jìn)行深度挖掘，引導(dǎo)學(xué)生參與到分析、概括等思維活動(dòng)中，讓學(xué)生的認(rèn)知由感性逐步上升至理性的高度，最終達(dá)成概念的建立。

基于上述認(rèn)識(shí)，筆者在教學(xué)過(guò)程中，精心選用了生活中最常見(jiàn)4種交通工具的起動(dòng)和剎車(chē)過(guò)程中一組數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），并將這組數(shù)據(jù)應(yīng)用教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在引入加速度概念時(shí)，通過(guò)表1中的數(shù)據(jù)構(gòu)建問(wèn)題情景，讓學(xué)生在問(wèn)題討論分析中，尋找描述速度變化快慢的方法。

在加速度方向的學(xué)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表中的數(shù)據(jù)分析：“為什么會(huì)出現(xiàn)負(fù)的加速度呢？”“負(fù)號(hào)有什么意義？”“從表中你能發(fā)現(xiàn)什么？”從而得出“加速度作為一個(gè)矢量，其正負(fù)號(hào)表示加速度方向與速度方向關(guān)系”的結(jié)論。

在加速度概念理解中，引導(dǎo)學(xué)生從表1數(shù)據(jù)中感知加速度與速度和速度變化量的關(guān)系：速度大加速度不一定大，速度變化量大，加速度也不一定大。

在“從v-t圖象看加速度”教學(xué)中，通過(guò)作出表1中的四種交通工具的v-t圖象，引導(dǎo)學(xué)生分析討論，教會(huì)學(xué)生如何根據(jù)v-t圖象比較加速度大小。

3.重視概念構(gòu)建過(guò)程，促進(jìn)科學(xué)運(yùn)動(dòng)觀的培育。

不少教師只注重概念的灌輸，忽略了概念本身的內(nèi)化，對(duì)加速度概念的構(gòu)建過(guò)程缺乏足夠的重視，試圖通過(guò)習(xí)題的解答來(lái)鞏固概念，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)地接受，對(duì)加速度的認(rèn)識(shí)僅停留在文字表述層面，難以理解加速度的內(nèi)在含義，不會(huì)從運(yùn)動(dòng)的角度去分析解決問(wèn)題，更談不上建立科學(xué)運(yùn)動(dòng)觀。筆者認(rèn)為，在加速度教學(xué)中，要注重培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力，通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情境，還原概念建立的過(guò)程，把課堂還給學(xué)生，放手讓學(xué)生參與到概念構(gòu)建過(guò)程中，讓學(xué)生在現(xiàn)象的分析中獲取感性認(rèn)識(shí)、明確概念的來(lái)源，經(jīng)歷加速度的構(gòu)建過(guò)程，理解加速度的構(gòu)建方法及物理意義，辨析加速度與速度的區(qū)別與聯(lián)系，逐步將概念構(gòu)建的方法和思想內(nèi)化為清晰、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)觀念。

筆者在教學(xué)中，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“生活中小汽車(chē)加速時(shí)推背感的強(qiáng)烈程度”和“公交車(chē)正常進(jìn)入車(chē)站和突發(fā)情況的緊急剎車(chē)的身體感受”的體驗(yàn)，領(lǐng)會(huì)到生活中物體的“速度變化有快慢”，明確“為什么要引入加速度”;接著再引導(dǎo)學(xué)生分析、感知不同交通工具在起動(dòng)和剎車(chē)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生經(jīng)歷“探究加速度概念”的認(rèn)知過(guò)程，體會(huì)“如何構(gòu)建加速度的概念”。

在“如何理解加速度”教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生分析表中的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)角度感知加速度與速度和速度變化量的關(guān)系：速度大，加速度不一定大，速度變化量大，加速度也不一定大。接著引導(dǎo)學(xué)生從“比值定義法”角度分析討論a與v、Δv、Δt各量之間的關(guān)系以及加速度概念的內(nèi)涵;再通過(guò)分析表2所示的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)賽車(chē)在起動(dòng)過(guò)程中加速度發(fā)生變化，引導(dǎo)學(xué)生理解并建立平均加速度和瞬時(shí)加速度的概念。

這種還原概念構(gòu)建過(guò)程的教學(xué)方法，使學(xué)生在探究中感知到了加速度概念引入的意義、體驗(yàn)了加速度概念形成的過(guò)程，既激發(fā)了學(xué)生認(rèn)知需求，又完善了加速度概念的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，更重要的是將概念建構(gòu)過(guò)程中的方法和思想內(nèi)化為具有清晰、系統(tǒng)的“運(yùn)動(dòng)觀”，讓學(xué)生能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，靈活應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

4.注重科學(xué)方法滲透，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力。

在加速度概念的形成過(guò)程中蘊(yùn)含了許多的科學(xué)方法：加速度概念的引入運(yùn)用了類(lèi)比法，加速度概念的建立用了比值定義法，形成瞬時(shí)加速度概念時(shí)用到了極限法，平均加速度的概念體現(xiàn)了物理中理想化處理方法。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)注重滲透這些科學(xué)方法教育并把它們顯化，將加速度概念形成過(guò)程中的每一步以合理的科學(xué)方法為支撐并鋪展開(kāi)來(lái)，幫助學(xué)生理解加速度的概念及其內(nèi)涵，學(xué)會(huì)構(gòu)建物理概念的方法，形成科學(xué)的思維能力。

例如，在加速度概念的引入中，可類(lèi)比速度概念建立的方法展開(kāi)思考：不同的物體在運(yùn)動(dòng)中，位置變化有快有慢，為了描述物體位置變化快慢，我們引入了“速度”概念，同樣，物體運(yùn)動(dòng)速度變化快慢也不相同，我們也可以引入新的物理量——“加速度”來(lái)描述速度變化快慢。在平均加速度、瞬時(shí)加速度概念的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比平均速度、瞬時(shí)速度來(lái)理解概念：實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，物體的位置改變常常是非均勻的，可用平均速度、瞬時(shí)速度來(lái)粗略和詳盡地描述物體的運(yùn)動(dòng)快慢;同樣，物體速度的變化通常也是非均勻的，所以也可以用平均加速度和瞬時(shí)加速度來(lái)描述變速度運(yùn)動(dòng)中的物體速度的變化快慢。

在加速度概念的建立中，可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)前文表1中的數(shù)據(jù)開(kāi)展分析討論，體會(huì)“比值法”的物理思想：“能通過(guò)速度變化量來(lái)衡量速度變化快慢嗎？”“用相同速度變量所用的時(shí)間和相同時(shí)間速度的變化量來(lái)描述速度變化快慢是最好的方法嗎？”“這個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)如何選？”“比值[ΔvΔt]與Δv、Δt有關(guān)嗎？”由此，加速度的概念便能水到渠成地展現(xiàn)。

實(shí)踐表明，將類(lèi)比、極限、理想化、比值定義等科學(xué)方法滲透在加速度概念構(gòu)建過(guò)程中的處理方法，既有效突破了教學(xué)難點(diǎn)，也讓學(xué)生感受到了科學(xué)方法巨大魅力，提高了科學(xué)思維能力，真正促進(jìn)了學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升。

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