在對(duì)比遷移中巧妙構(gòu)建加速度概念

范霞　劉小兵　李明珠

【摘要】本文闡述優(yōu)化加速度這一物理概念教學(xué)的途徑，針對(duì)常規(guī)教學(xué)中存在的無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)、沒(méi)能引導(dǎo)學(xué)生遷移舊知、生硬地拋出新概念等問(wèn)題，結(jié)合具體教學(xué)設(shè)計(jì)，提出調(diào)動(dòng)學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)、讓學(xué)生明白概念的來(lái)龍去脈等教學(xué)策略，旨在使學(xué)生更深入地理解概念的物理意義，強(qiáng)化學(xué)生遷移和運(yùn)用比值定義法的能力。

【關(guān)鍵詞】物理概念 加速度 概念構(gòu)建 對(duì)比遷移

【中圖分類(lèi)號(hào)】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2023）08-0116-04

物理概念是物理學(xué)最重要的基石，是物理定律、原理、公式和定則等知識(shí)的基礎(chǔ)。掌握好物理概念是中學(xué)物理學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。如果不能形成正確的概念，不僅會(huì)影響學(xué)生對(duì)有關(guān)物理規(guī)律的理解、掌握，而且還會(huì)直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程的質(zhì)量。如何使學(xué)生親歷概念的構(gòu)建過(guò)程，真正理解和掌握物理概念，進(jìn)而掌握規(guī)律，并使他們的認(rèn)知能力在這個(gè)過(guò)程中得到發(fā)展，獲得愉悅的情感體驗(yàn)，是中學(xué)物理教學(xué)的核心問(wèn)題。

物理概念教學(xué)不僅要讓學(xué)生知道并記住概念，更要讓學(xué)生知道建立新概念的必要性，并且在建立概念的過(guò)程中理解概念的物理意義，掌握建立概念的方法。概念教學(xué)模式多樣，概念引入的方式也很多，而在物理課堂上，大多教師往往采用生硬的、直接給出概念定義的方式引入概念。這樣教學(xué)容易導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為：概念的出現(xiàn)是為了滿(mǎn)足老師講課的需要，而不是為了滿(mǎn)足解決問(wèn)題的需要，更不是為了滿(mǎn)足自己在用已有經(jīng)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到目的時(shí)對(duì)方法與知識(shí)的進(jìn)一步需要，不是為了滿(mǎn)足從經(jīng)驗(yàn)上升到科學(xué)的需要。這種強(qiáng)行灌注的知識(shí)很難深入學(xué)生的心靈，學(xué)生難以進(jìn)行遷移和應(yīng)用，這樣教授物理概念是低效的。反之，如果教師在引入物理概念的過(guò)程中給予學(xué)生一定的時(shí)間和活動(dòng)機(jī)會(huì)，使學(xué)生在已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及能力的基礎(chǔ)上，經(jīng)由科學(xué)思維，更好地了解概念的來(lái)龍去脈，更深入地理解概念的物理意義并厘清新舊知識(shí)間的聯(lián)系，學(xué)生將更容易遷移和應(yīng)用知識(shí)，從而在概念教學(xué)中獲得實(shí)質(zhì)性的思維與能力提升，概念教學(xué)也將獲得預(yù)期的教學(xué)效果。

一、加速度概念常規(guī)教學(xué)設(shè)計(jì)以及存在的問(wèn)題

（一）第一種加速度概念教學(xué)設(shè)計(jì)

1.引入新課

教師通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)引入新課：讓玩具小車(chē)分別從兩個(gè)坡度不同的斜面頂端由靜止開(kāi)始下滑，觀(guān)察小車(chē)兩次下滑各做什么運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)情況有何不同？

學(xué)生回答，教師提示、點(diǎn)撥，得出小車(chē)兩次下滑時(shí)，速度改變的快慢是不一樣的。

2.新課教學(xué)

教師先讓學(xué)生回答與運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和生活中的現(xiàn)象說(shuō)明速度的改變是有快慢之分的。接著列出四種物體的運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生判斷誰(shuí)的速度改變最快，誰(shuí)的速度改變最慢，并提示可以采用如下方法進(jìn)行判斷：方法一，甲、乙所用的時(shí)間相同，比較兩者的速度變化量；方法二，乙、丙的速度變化量相同，比較兩者所用的時(shí)間。

接著教師引出問(wèn)題：甲、丙的速度變化不同，所用時(shí)間也不同，那么如何比較呢？

不等學(xué)生回答，教師便直接給出方法三：計(jì)算平均每秒速度的變化量。

3.構(gòu)建加速度概念

教師直接總結(jié)得出：速度的改變量除以所用的時(shí)間，可以反映出物體速度改變的快慢，我們將這個(gè)比值叫作加速度。

（二）第二種加速度概念教學(xué)設(shè)計(jì)

1.引入新課

教師展示兩幅v-t圖像，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)速度的變化有快有慢。接著教師直接告訴學(xué)生今天學(xué)習(xí)的“加速度”這一概念就是用來(lái)描述速度變化快慢的物理量。

2.新課教學(xué)

教師呈現(xiàn)情境一：對(duì)比自行車(chē)下坡與公共汽車(chē)出站的速度，設(shè)問(wèn)誰(shuí)的速度變化快？然后教師引導(dǎo)學(xué)生討論得出：要比較速度改變的快慢，必須要找到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

接下來(lái)教師呈現(xiàn)情境二：出示轎車(chē)啟動(dòng)、5噸貨車(chē)啟動(dòng)、10噸貨車(chē)啟動(dòng)時(shí)的初速度、末速度和所用時(shí)間的數(shù)據(jù)，設(shè)問(wèn)如何表示速度變化的快慢？

學(xué)生交流討論后得出：若在速度改變相同的情況下，可以比較時(shí)間的長(zhǎng)短。

之后教師呈現(xiàn)情境三：出示自行車(chē)下坡、公共汽車(chē)出站、火車(chē)出站、飛機(jī)飛行的初速度、末速度和所用時(shí)間的數(shù)據(jù)，設(shè)問(wèn)該如何表示速度變化快慢？

教師分析數(shù)據(jù)，總結(jié)得出這幾個(gè)運(yùn)動(dòng)的速度的改變量不同，速度改變的快慢也不同，且速度增加量大的不一定就增加得快。

3.構(gòu)建加速度概念

教師在學(xué)生分析三個(gè)情境后，直接告訴學(xué)生：為了描述物體運(yùn)動(dòng)中速度變化的快慢，人們引入了加速度的概念，加速度是用來(lái)描述速度變化快慢的物理量。

（三）以上兩種教學(xué)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

首先，兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)。兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都是通過(guò)實(shí)例直接拋出速度的改變有快有慢這一觀(guān)點(diǎn)，忽略了學(xué)生已有的關(guān)于描述物體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)。其次，兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都沒(méi)能引導(dǎo)學(xué)生將已掌握的方法遷移至新知識(shí)的學(xué)習(xí)中。學(xué)生在構(gòu)建速度這一概念時(shí)已經(jīng)初步體會(huì)用比值定義物理量的方法，他們對(duì)位置變化快慢可以表示物體運(yùn)動(dòng)快慢已經(jīng)有了感性認(rèn)識(shí)，而加速度的概念也可以用類(lèi)似的方法進(jìn)行構(gòu)建，但這兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生將構(gòu)建速度這一概念的方法遷移到構(gòu)建加速度概念中去，這就給學(xué)生理解加速度概念帶來(lái)了困難。再次，這兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)都是比較直接、生硬地拋出知識(shí)。雖然學(xué)生很容易就能夠利用控制變量法比較當(dāng)所用時(shí)間相同或速度變化相同時(shí)的速度變化快慢，但是他們難以比較在所用時(shí)間不同、初末速度也不同時(shí)的速度變化快慢，而這兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)在此問(wèn)題上都是直接拋出比較方法，生硬地定義加速度。最后，這兩個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)所列舉的實(shí)例不夠全面，只考慮了不同物體加速啟動(dòng)過(guò)程的速度變化，而沒(méi)有讓學(xué)生分析不同的物體減速過(guò)程的速度變化，也沒(méi)有從中抽象出這兩種變速運(yùn)動(dòng)的共同特征。

二、加速度概念教學(xué)新思路

學(xué)生獲得物理知識(shí)的途徑包括從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，借助科學(xué)方法形成物理知識(shí)。將前面建構(gòu)速度概念的方法遷移到加速度概念的學(xué)習(xí)中，對(duì)學(xué)生構(gòu)建新的概念和加深對(duì)科學(xué)方法的理解，都能起到很好的作用。教師要理解并掌握物理概念教學(xué)的要求、一般過(guò)程，在教學(xué)中要注意調(diào)動(dòng)學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和能力，并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生知道概念的來(lái)龍去脈以及新舊概念間的聯(lián)系，從而幫助學(xué)生有效構(gòu)建物理概念。

基于此，加速度概念教學(xué)應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)：進(jìn)一步明確“描述物體的運(yùn)動(dòng)情況”是運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要目的；知道引入加速度可以更簡(jiǎn)潔、更準(zhǔn)確地描述物體的變速運(yùn)動(dòng)情況；理解加速度的概念；知道加速度是表示速度變化快慢的物理量；知道加速度的定義、公式、符號(hào)和單位；能區(qū)分速度、速度變化（量）、速度變化快慢及加速度。

學(xué)生通過(guò)本課的學(xué)習(xí)應(yīng)明確：物體運(yùn)動(dòng)有勻速、變速之分；不同的變速運(yùn)動(dòng)是有區(qū)別的，既有由小到大的情況（如加速啟動(dòng)過(guò)程），也有由大到小的情況（如減速停止過(guò)程），不同的物體（如小車(chē)和火車(chē)）速度的變化（加速啟動(dòng)或減速停止）過(guò)程又有所不同；這些不同不能用速度、速度變化（量）完全描述清楚；速度變化有快有慢，可以用速度變化（量）與所用時(shí)間的比值加以區(qū)分；這個(gè)比值是有物理意義的，可以定義為一個(gè)新的物理量。

教師可以通過(guò)如下策略達(dá)到上述教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生回憶已學(xué)的用于描述物體運(yùn)動(dòng)的物理量，如位置、位置變化、位移、速度等；用多種手段（包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫(huà)、視頻）演示或讓學(xué)生回顧生活中常見(jiàn)的與新概念有關(guān)的實(shí)例（如物體做不同變速運(yùn)動(dòng)）；讓學(xué)生找出這些例子中不同運(yùn)動(dòng)的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)；讓學(xué)生思考這些例子中不同點(diǎn)的本質(zhì)特征；讓學(xué)生思考如何定量地揭示這種本質(zhì)特征？如何用已有物理量描述這種特征？為了使描述更為簡(jiǎn)潔，從而引出新的物理量——加速度。

三、加速度概念教學(xué)新設(shè)計(jì)

（一）引入新課

活動(dòng)一：讓學(xué)生觀(guān)察兩名學(xué)生的兩次運(yùn)動(dòng)（盡可能勻速，且兩者快慢不同）。

師：（提問(wèn)）兩位同學(xué)的這兩次運(yùn)動(dòng)情況相同嗎？

生1：有相同之處，位置都隨時(shí)間發(fā)生改變。

生2：不相同。一個(gè)從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，一個(gè)從C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)。

生3：不相同。位置改變的快慢不同，一個(gè)改變快些，一個(gè)改變慢些。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生用自己的語(yǔ)言描述物體的運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)以致用的意識(shí)。

（二）新課教學(xué)

師：怎樣才能把兩位同學(xué)這兩次運(yùn)動(dòng)快慢的不同描述清楚呢？

（教師出示表1，并引導(dǎo)學(xué)生利用表格分析兩位同學(xué)的運(yùn)動(dòng)）

生：僅利用位置改變不能把這兩次運(yùn)動(dòng)描述清楚；位移與時(shí)間的比值小，位置改變慢，運(yùn)動(dòng)慢，速度??；位移與時(shí)間的比值大，位置改變快，運(yùn)動(dòng)快，速度大。

【設(shè)計(jì)意圖】激活學(xué)生已有的知識(shí)：用速度描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的方法——比值定義法，為之后學(xué)生構(gòu)建加速度概念奠定基礎(chǔ)。

活動(dòng)二：讓學(xué)生觀(guān)察電單車(chē)的兩次運(yùn)動(dòng)（速度都在變化，且兩次變化不同）。

師：（提問(wèn)）電單車(chē)的這兩次運(yùn)動(dòng)的情況相同嗎？

生4：有相同之處，速度都隨時(shí)間發(fā)生改變。

生5：速度改變量不同。一輛車(chē)的速度從5 km/h增加到35 km/h，一輛車(chē)的速度從10 km/h增加到30 km/h。

生6：感覺(jué)速度改變的快慢不同。一輛車(chē)在6 s內(nèi)速度從5 km/h增加到35 km/h，速度改變慢些；一輛車(chē)在2 s內(nèi)速度從10 km/h增加到30 km/h，速度改變快些。

師：（提問(wèn)）怎樣才能把電單車(chē)這兩次速度改變快慢的不同描述清楚呢？

（教師引導(dǎo)學(xué)生回顧利用表1分析兩位同學(xué)運(yùn)動(dòng)情況的方法，利用表2分析電單車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況）

（學(xué)生對(duì)比觀(guān)察表1和表2，得出結(jié)論）

生：用速度、速度變化量不能把這兩次運(yùn)動(dòng)描述清楚；速度改變（量）與時(shí)間比值小，速度改變慢；速度改變（量）與時(shí)間比值大，速度改變快。

【設(shè)計(jì)意圖】教師給出“把電單車(chē)這兩次速度改變快慢的不同描述清楚”“分析電單車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況”等任務(wù)，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比觀(guān)察表1和表2。學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)可以完成“分析電單車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況”這一任務(wù)，但在完成“把電單車(chē)這兩次速度改變快慢的不同描述清楚”這一任務(wù)時(shí)卻遇到了困難，他們由此產(chǎn)生學(xué)習(xí)的需要和動(dòng)機(jī)。接下來(lái)教師引入新概念也就順理成章了，學(xué)生將對(duì)新概念的來(lái)龍去脈也有清晰的認(rèn)知。與此同時(shí)，這一教學(xué)活動(dòng)將本課的難點(diǎn)進(jìn)行了分解：區(qū)別速度、速度變化（量）、速度變化快慢（加速度）；對(duì)比這兩次運(yùn)動(dòng)的不同，隱含了加速度的物理意義，為之后構(gòu)建概念鋪墊。

師：請(qǐng)同學(xué)們列舉生活中其他的速度改變的快慢不同的例子。

（學(xué)生思考并作答，有學(xué)生提到如下實(shí)例）

生7：汽車(chē)剎車(chē)時(shí)速度在變小。

（教師據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生得出如下觀(guān)點(diǎn)）

生：汽車(chē)剎車(chē)時(shí)，速度在減小——有速度的改變；不同的剎車(chē)情況，速度改變的快慢也是不同的，急剎車(chē)時(shí)速度減小得快，而慢剎車(chē)時(shí)速度減小得慢。

【設(shè)計(jì)意圖】聯(lián)系生活實(shí)際讓學(xué)生自己進(jìn)一步比較速度、速度變化（量）、速度變化快慢（加速度）等幾個(gè)量的區(qū)別。接著引出速度改變快慢的另一種情形：速度減小的快慢也有不同，使學(xué)生意識(shí)到這種情形也具有速度變化的本質(zhì)特征。

（三）構(gòu)建加速度的概念

師：（總結(jié)）所以，要清晰地描述不同的變速運(yùn)動(dòng)，只看它們的速度，或只看它們速度的改變（量）通常是不行的，必須同時(shí)考慮速度的改變（量）及其所用的時(shí)間，也就是要用速度改變的快慢來(lái)描述。而速度改變的快慢取決于兩個(gè)因素：一是速度的改變量，Δv=v_a-v_b；二是發(fā)生這一改變所用的時(shí)間Δt。因此，物理學(xué)中用一個(gè)新的物理量來(lái)表示速度改變的快慢——加速度，用符號(hào)a表示，公式為a=（v_t-v₀）/t，單位是m/s²。運(yùn)用這一物理量可以更直接、更簡(jiǎn)便地描述不同的變速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)情況。

師：（引出新的問(wèn)題）我們知道了速度增大、速度減小的變速運(yùn)動(dòng)都具有加速度，下面，我們進(jìn)一步討論速度增加、速度減小與加速度的關(guān)系……

【設(shè)計(jì)意圖】對(duì)比之后，歸納總結(jié)出速度改變快慢的兩個(gè)決定因素——Δv和Δt，引出加速度的概念，計(jì)算公式及其物理意義的學(xué)習(xí)也就水到渠成了。接著，教師引出新的問(wèn)題，激起學(xué)生更深入地了解加速度的熱情。

乍一看，該教學(xué)設(shè)計(jì)需要約20分鐘才引入加速度這一新概念，有引入環(huán)節(jié)用時(shí)過(guò)長(zhǎng)和教學(xué)效率低等弊端。實(shí)則不然，本教學(xué)設(shè)計(jì)巧妙運(yùn)用對(duì)比學(xué)習(xí)法，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)遷移的能力，使其親歷加速度概念的構(gòu)建過(guò)程，在加速度概念出現(xiàn)之前，學(xué)生就已經(jīng)清晰了解了本節(jié)課的新物理量——加速度的物理意義，并且明晰了通常需要大量練習(xí)都難以區(qū)分清楚的速度、速度變化量、速度變化率、加速度這些物理量之間的關(guān)系，學(xué)生經(jīng)歷的是高效率的學(xué)習(xí)。同時(shí)，這樣的教學(xué)過(guò)程是通過(guò)一系列的問(wèn)題解決活動(dòng)，使學(xué)生經(jīng)歷“根據(jù)已有的知識(shí)和能力可以解決一部分問(wèn)題，但會(huì)被另外一部分問(wèn)題難住，要解決這些問(wèn)題，就必須超越已有的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)”的問(wèn)題解決過(guò)程，而“超越已有的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)”則是新概念形成的必要因素。新概念的建立是物理教學(xué)實(shí)實(shí)在在的需要，本教學(xué)設(shè)計(jì)不僅滿(mǎn)足了物理新概念的教學(xué)需要，更讓學(xué)生體驗(yàn)到了比值定義法的新的用武之地，加深了學(xué)生對(duì)將這一方法用于建構(gòu)概念的意義和具體做法的理解。

與傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)、“題?！睉?zhàn)術(shù)所形成的短時(shí)概念記憶相比，本教學(xué)設(shè)計(jì)用真問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，學(xué)生整合多種學(xué)習(xí)元素，在頭腦中構(gòu)建出屬于自己的加速度概念。這樣的教學(xué)能夠使學(xué)生對(duì)概念的理解更深刻、更全面、更持久，具體表現(xiàn)為無(wú)論是傳統(tǒng)的紙筆測(cè)驗(yàn)，還是教師課堂上追問(wèn)加速度易錯(cuò)點(diǎn)的思辨問(wèn)題，學(xué)生的正確率都較高，如“物體的速度方向改變，但加速度的方向不一定改變”是學(xué)生比較難以理解的有關(guān)加速度概念的一個(gè)常見(jiàn)易錯(cuò)點(diǎn)，針對(duì)這一易錯(cuò)點(diǎn)，常規(guī)習(xí)題教學(xué)中教師往往是讓學(xué)生記住一個(gè)反例：平拋運(yùn)動(dòng)——速度改變而加速度的方向始終豎直向下，但是這對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)是非常難以理解的，加速度概念是必修1第一章的內(nèi)容，而平拋運(yùn)動(dòng)卻是必修2曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容，學(xué)生還沒(méi)有學(xué)過(guò)平拋運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致很多學(xué)生只能先記住結(jié)論或記住題目，他們對(duì)這一命題的理解是不深刻的，而經(jīng)歷本教學(xué)過(guò)程的學(xué)生，則能夠從加速度的方向的決定因素——速度變化量Δv出發(fā)，結(jié)合三角形定則推理出Δv方向不變的情況，從而得出正確答案。

依據(jù)物理概念內(nèi)涵，遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，基于學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)層層遞進(jìn)地驅(qū)動(dòng)他們參與超越經(jīng)驗(yàn)的解決問(wèn)題的活動(dòng)，不僅能夠促進(jìn)學(xué)生高效地形成正確的科學(xué)概念，還有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極、主動(dòng)地投入學(xué)習(xí)，有利于發(fā)展中學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］胡衛(wèi)平.物理課程與教學(xué)論研究［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］陳之懷.“速度改變快慢的描述：加速度”課堂實(shí)錄［J］.黑龍江教育，2007（1）.

［3］邢紅軍，張抗抗，胡揚(yáng)洋，等.物理概念與規(guī)律的教學(xué)要求：反思與重構(gòu)［J］.課程·教材·教法，2018（2）.

［4］黃喜艷.新課標(biāo)下加速度概念的有效教學(xué)問(wèn)題探討［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2018.

［5］趙慧.大單元教學(xué)路徑三部曲［J］.中學(xué)語(yǔ)文教學(xué)，2021（8）.

作者簡(jiǎn)介：范霞（1979— ），山東菏澤人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)槲锢?、科學(xué)教育；劉小兵（1967— ），通訊作者，廣西陽(yáng)朔人，副教授，主要研究方向?yàn)槲锢?、科學(xué)教育；李明珠（1994— ），廣東湛江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛A(chǔ)教育。

（責(zé)編 劉小瑗）