立足真實(shí)情境 巧設(shè)概念沖突
——以“速度”概念教學(xué)為例

張敏書

(江蘇省宜興市陽羨高級(jí)中學(xué) 江蘇 無錫 214200)

于海波

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 長春 130024)

正確牢固的物理觀念是學(xué)生養(yǎng)成物理核心素養(yǎng),奠定終身發(fā)展的基礎(chǔ).“速度”以及與之相關(guān)的系列概念,在運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)體系部分起著舉足輕重的作用.諸多高中物理教師在課堂教學(xué)時(shí),圍繞質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),創(chuàng)設(shè)一定的物理情境,試圖將運(yùn)動(dòng)學(xué)中的“速度”“瞬時(shí)速度”“速率”“瞬時(shí)速率”“平均速度”“平均速率”等概念辨析清楚,但教學(xué)結(jié)果往往事與愿違.學(xué)生在教師苦心孤詣的引導(dǎo)下,經(jīng)過新課學(xué)習(xí)后,將初高中階段對(duì)于“速度”概念的認(rèn)知混為一體,對(duì)一系列概念的認(rèn)識(shí)更顯混沌,遑論對(duì)日常生活中客觀物體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)和課本概念進(jìn)行一一對(duì)應(yīng).

1 “實(shí)然”誤區(qū)——假情境孕育偽沖突的教學(xué)誤區(qū)

將質(zhì)點(diǎn)模型還原為生活中常見物體,并假設(shè)出該物體特征鮮明的運(yùn)動(dòng),成為教師在預(yù)設(shè)情境時(shí)不謀而合的選擇.通常的教學(xué)流程是,教師設(shè)定3種常規(guī)運(yùn)動(dòng)速度不同的物體,配合設(shè)置的數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生在比較物體運(yùn)動(dòng)快慢時(shí),自然而然地使用位移與時(shí)間比值這一速度的定義式,最后借助習(xí)題總結(jié),進(jìn)行概念陳述.學(xué)生在“問題解決”的過程中自然而然地“接受”了“速度”概念,教師在此基礎(chǔ)上順利進(jìn)入后續(xù)階段“瞬時(shí)速度”“平均速度”等概念的教學(xué)環(huán)節(jié),類似的習(xí)題情境如表1所示.

自行車、公共汽車、火車的運(yùn)動(dòng)在生活中司空見慣,教師試圖用3車比速的例子,引導(dǎo)學(xué)生比較位移與時(shí)間均存在差異時(shí),三者運(yùn)動(dòng)的快慢,為了與初中階段“速率”概念形成沖突,題中還特意使用了質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻位置坐標(biāo)的形式,先計(jì)算Δx,再除以時(shí)間間隔.生活情境與認(rèn)知沖突兼?zhèn)?類似的例題看上去并無不妥.然而,新課教學(xué)過后,學(xué)生脫離教材和例題,分析實(shí)際的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí),問題解決能力并沒有出現(xiàn)明顯的提升,看似與生活緊密聯(lián)系的課堂教學(xué),是否存在與生活的脫節(jié)?答案是肯定的.

首先是問題“假情境”.教師在頻繁地將質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)置在“平直公路”“百米跑道”“直線”路線中,此類設(shè)定的優(yōu)點(diǎn)在于,將問題進(jìn)行高度簡(jiǎn)化,學(xué)生在探究題目中給出的問題時(shí),解題難度極大地被降低.而弊端在于,概念教學(xué)作為單元教學(xué)的基礎(chǔ),是學(xué)生對(duì)新知識(shí)的初步接觸,理應(yīng)與實(shí)際接軌,將生活的真實(shí)情境進(jìn)行一定程度的再現(xiàn),習(xí)題訓(xùn)練的最終目的是使學(xué)生能夠在面對(duì)不同問題時(shí),靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí),見招拆招,揭示問題本質(zhì),用所學(xué)知識(shí)應(yīng)對(duì)并解決問題.如果習(xí)題過分強(qiáng)調(diào)了參考系的平與直,對(duì)生活場(chǎng)景進(jìn)行高度精簡(jiǎn),最終呈現(xiàn)的結(jié)果是,習(xí)題僅是對(duì)學(xué)生頭腦中“速率”概念進(jìn)行再次強(qiáng)化.

其次是概念“偽沖突”.在不適宜的情境中,學(xué)生在比較不同物體運(yùn)動(dòng)快慢時(shí),看似產(chǎn)生了“位移除以時(shí)間”與“路程除以時(shí)間”的計(jì)算方式差異,速率的計(jì)算公式被擯棄,速度的定義式在概念沖突中誕生,但實(shí)質(zhì)上,此類問題中位移的大小與路程全然相等,加之生活中的場(chǎng)景使用“速率”概念的概率遠(yuǎn)超出使用“速度”概念的概率,學(xué)生計(jì)算的結(jié)果仍然是物體的速率大小,因此這類概念沖突的本質(zhì)實(shí)為舊概念的鞏固.教師強(qiáng)行將“速率”問題的解決劃歸為“速度”,在此基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行“滿堂問”,反而對(duì)學(xué)生理解真正的速度概念造成阻礙,使立足真實(shí)情境的概念教學(xué)流于形式.

2 “應(yīng)然”前沿——高科技結(jié)合新應(yīng)用的多元課堂

注重課程的時(shí)代性,關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求[1],是高中物理課程的基本理念之一.相關(guān)調(diào)查顯示,就如何選擇合適的媒介來體現(xiàn)物理科技文化教育這一問題上,教材內(nèi)容、科技成就、教學(xué)活動(dòng)分別得到了58%、16%、13%的中學(xué)物理教師支持[2],但在實(shí)際使用教材進(jìn)行授課時(shí),教師和教研員對(duì)高中物理教科書在“情景與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)”方面的評(píng)價(jià)分值低于總體16個(gè)評(píng)價(jià)維度的平均分值[3].可見,教科書被賦予了強(qiáng)烈的育人期待,并且尚具備可觀的學(xué)科價(jià)值挖掘的空間.那么,就“速度”這一節(jié)而言,如何利用好教科書中呈現(xiàn)的物理科技內(nèi)容,在其基礎(chǔ)上進(jìn)行一定程度的拓展延伸,使概念教學(xué)更為完備呢?不妨對(duì)現(xiàn)行主流教材在對(duì)應(yīng)章節(jié)內(nèi)容上的尖端科技成就展示的部分進(jìn)行對(duì)比,如表2所示.

表2 不同版本教材對(duì)最新科技成果的呈現(xiàn)對(duì)比

3 “優(yōu)化”路徑——真問題和多聯(lián)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)

學(xué)生頭腦中并非白紙一張,而是帶著經(jīng)驗(yàn)開始新概念的學(xué)習(xí),想要精準(zhǔn)地制造概念沖突,教師創(chuàng)設(shè)的情境必須真實(shí)可信,物理課堂不僅要“走近生活”,更要“走進(jìn)生活”,引導(dǎo)學(xué)生基于問題、基于挑戰(zhàn)、基于項(xiàng)目進(jìn)行探究式學(xué)習(xí).GPS定位系統(tǒng)的使用,作為問題鏈的培養(yǎng)皿,能夠有效地將教材中高度濃縮提煉的物理學(xué)科成果,有目的地進(jìn)行倒轉(zhuǎn),恢復(fù)成原汁原味的真實(shí)問題,幫助學(xué)生親身體驗(yàn)經(jīng)歷知識(shí)的發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)過程[5].以“速度”及相關(guān)概念的新課教學(xué)為例,教師不妨在課堂上做如下教學(xué)嘗試.

步驟1：甲同學(xué)在不熟悉路線的情況下,想要驅(qū)車從湖北省天門中學(xué)出發(fā),前往天門南火車站,他應(yīng)該怎么做?(學(xué)生展開討論)

行動(dòng)建議：甲同學(xué)在智能手機(jī)上打開“高德地圖”APP,搜索火車站.搜索結(jié)果如圖1所示.

圖1 手機(jī)搜索結(jié)果

提出問題：導(dǎo)航界面顯示有3條建議路線,不同路線顯示的“44公里”“43公里”是什么含義?

學(xué)生解答:結(jié)合路線示意,此處的“44公里”“43公里”應(yīng)當(dāng)是路程而不是位移.

步驟2：甲同學(xué)驅(qū)車出發(fā),由于不熟悉路線,為了保障生命和駕駛安全,他可以怎么辦?

行動(dòng)建議：在行車途中使用手機(jī)實(shí)時(shí)導(dǎo)航.

提出問題1：行至某處,手機(jī)導(dǎo)航界面如圖2所示.圖中并未顯示甲同學(xué)所駕駛的車型和具體大小,而是有一個(gè)藍(lán)色箭頭隨著車輛的移動(dòng)而移動(dòng),作何解釋?

圖2 行至某處手機(jī)導(dǎo)航界面

學(xué)生解答:藍(lán)色箭頭可以看作是GPS系統(tǒng)及手機(jī)軟件將甲同學(xué)和車輛視作一個(gè)質(zhì)點(diǎn),箭頭的方向是車輛運(yùn)動(dòng)的方向,箭頭的移動(dòng)代表了車輛的移動(dòng).

提出問題2：(追問)圖中藍(lán)色箭頭與終點(diǎn)之間連接的紅色線段有何用意?

學(xué)生解答:紅色線段表示起點(diǎn)到終點(diǎn)的有向線段,應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)應(yīng)位置到終點(diǎn)之間的位移.

提出問題3：(追問)圖中綠色的曲線表示未行駛的路程,灰色曲線表示已行駛的路程,在行駛過程中,手機(jī)如何繪制車輛已行駛的路線?

學(xué)生解答:GPS系統(tǒng)對(duì)車輛在極短時(shí)間內(nèi)的位移進(jìn)行定位,用線段連接兩處位置,如此重復(fù),即可得到車輛已行駛路線.

步驟3：導(dǎo)航軟件帶有測(cè)速功能,某時(shí)刻,手機(jī)顯示車輛速度如圖3所示.經(jīng)過對(duì)比,甲同學(xué)發(fā)現(xiàn)手機(jī)顯示的速度與駕駛室內(nèi)儀表盤顯示速度有細(xì)微差別.

圖3 手機(jī)顯示車輛速度

提出問題：為什么儀表盤的速度與手機(jī)界面顯示的速度并不是完全一致?

學(xué)生解答:因?yàn)槭謾C(jī)顯示的是瞬時(shí)速度,由衛(wèi)星對(duì)車輛在極短時(shí)間內(nèi)的位移與時(shí)間間隔比值進(jìn)行計(jì)算得出,而車內(nèi)儀表盤顯示的是行車速率,由極短時(shí)間內(nèi)的路程與時(shí)間間隔的比值計(jì)算得出.

步驟4：甲同學(xué)在行駛過程中,注意到路邊有區(qū)間測(cè)速的指示牌.

提出問題1：區(qū)間測(cè)速系統(tǒng)通過在同一路段兩個(gè)相鄰的監(jiān)控點(diǎn)架設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī),建立監(jiān)控分車道抓拍系統(tǒng),對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的通行車輛進(jìn)行測(cè)速.區(qū)間測(cè)速的原理如何?

提出問題2：(追問)假設(shè)甲同學(xué)駕車在里程長度為5 km的區(qū)間測(cè)速路段行駛,區(qū)間測(cè)速的超速標(biāo)準(zhǔn)為70 km/h,最終甲同學(xué)安全通過區(qū)間測(cè)速區(qū)域,那么他在行駛過程中存在超速可能嗎?

學(xué)生解答:甲同學(xué)有可能超速,因?yàn)槠骄俾什怀^70 km/h,瞬時(shí)速率也可能超過70 km/h,仍然存在駕車安全隱患.

提出問題3：(追問)可以怎樣減小司機(jī)先加速后減速的僥幸心理,更好地保證駕駛安全?

學(xué)生解答:可以縮短區(qū)間測(cè)速的距離,設(shè)置更多的測(cè)速路段,并將區(qū)間測(cè)速與固定測(cè)速、流動(dòng)測(cè)速、GPS測(cè)速補(bǔ)充使用.

這一教學(xué)片段包含4大步驟,10個(gè)問題,以生活中人們使用手機(jī)導(dǎo)航駕車出行的原始物理問題為載體,采用逐步深入的問題鏈模式,使學(xué)生思路逐步外顯,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多種概念解決問題的學(xué)科能力,相應(yīng)的設(shè)計(jì)意圖如圖4所示.

圖4 教學(xué)步驟的進(jìn)階流程圖

這一系列的問題具備出現(xiàn)頻率高(生活常見)、體驗(yàn)指數(shù)高(情境熟悉)、概念占比高(考查全面)等“三高”特點(diǎn),與普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中較高層次的學(xué)業(yè)水平“具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念,能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,能靈活應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問題,能有效指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐.”[7]緊密契合,其中步驟2對(duì)應(yīng)著點(diǎn)動(dòng)成線的數(shù)學(xué)知識(shí),步驟4對(duì)應(yīng)著道路交通安全法律法規(guī)的踐行,將物理學(xué)科內(nèi)容與其他學(xué)科形成有效聯(lián)動(dòng).

4 結(jié)束語

本文從課堂中存在的常見教學(xué)誤區(qū)入手,對(duì)“速度”及相關(guān)概念的教學(xué)活動(dòng)從實(shí)然、應(yīng)然、優(yōu)化3個(gè)角度進(jìn)行探析,研究思路如圖5所示.“速度”一節(jié)中系列的概念與生產(chǎn)生活的聯(lián)系不可謂不密切,教師如何用好教科書,結(jié)合好生活事例,制造初中與高中對(duì)于同一概念的沖突,使學(xué)生產(chǎn)生濃厚學(xué)習(xí)興趣,帶著好奇從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)去探究實(shí)際問題,最后將提煉出的物理模型結(jié)合科學(xué)思維回歸真實(shí)情境進(jìn)行問題解決,是檢驗(yàn)學(xué)科核心素養(yǎng)是否落實(shí)的重要標(biāo)準(zhǔn).在對(duì)課程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),教學(xué)情境的真實(shí)性決定了學(xué)生的物理觀念在頭腦中的穩(wěn)固性,問題鏈的設(shè)計(jì)亦有利于科學(xué)探究能力與科學(xué)思維的培養(yǎng).

圖5 “速度”概念教學(xué)的誤區(qū)、前沿、路徑的雙向聯(lián)動(dòng)模型圖